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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter.
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Aus der
DE 10 2015 120 166 B3 ist eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt. Die Steuereinrichtung weist eine Ansteuereinrichtung auf, die an einem Steuereinrichtungsanschluss des Leistungshalbleiterschalters eine Ansteuerspannung in Abhängigkeit eines von einer übergeordneten Steuerung erzeugten Steuersignals zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters erzeugt. Die übergeordnete Steuerung ist zur Übermittlung des Steuersignals mit der Steuereinrichtung, z.B. über ein Kabel, elektrisch verbunden. Das Steuersignal weist zeitlich voneinander beabstandete Steuerpulse auf. Durch z.B. EMV-Störungen können Störpulse in die elektrische Verbindung zwischen übergeordneter Steuerung und Steuereinrichtung eingekoppelt werden, die zu fehlerhaften Schalthandlungen des Leistungshalbleiterschalters führen können.
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Aus der
US 2016/0359410 A1 ist eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters bekannt, wobei die Steuereinrichtung eine Regeleinrichtung aufweist, die ein Sollsignal für eine Nicht-Lineare-Steuerung erzeugt.
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Aus der
US 2007/0064453 A1 ist ein Gleichspannungsumrichter bei dem im Falle einer geringen elektrischen Last von einem Transformator des Gleichspannungsumrichters erzeugte Störsignale reduziert werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter zu schaffen, die Störpulse in einem von ihr im empfangenen Steuersignal erkennt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal, das zeitlich voneinander beabstandete Steuerpulse aufweist, zu empfangen, aufweisend,
- -einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss vorgesehen ist und einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss vorgesehen ist,
- -eine Ansteuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist am zweiten Steuereinrichtungsanschluss eine Ansteuerspannung in Abhängigkeit des Steuersignals zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen,
- -eine Überwachungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn bei mindestens zwei direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen eine jeweilige erste Zeitdauer vom Beginn des jeweiligen Steuerpulses bis zum Beginn des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses einen ersten Grenzwert unterschreitet und eine jeweilige zweite Zeitdauer vom Ende des jeweiligen Steuerpulses bis zum Ende des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses einen zweiten Grenzwert unterschreitet.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der erste und zweite Grenzwert den gleichen Wert aufweisen, da dann die Überwachungseinrichtung ein symmetrisches Ansprechverhalten aufweist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste und zweite Grenzwert kleiner oder genauso groß sind wie der Kehrwert der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters vorgesehenen Schaltfrequenz, insbesondere kleiner sind als 95% des Kehrwerts der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters vorgesehenen Schaltfrequenz, da Störpulse dann zuverlässig erkannt werden.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters vorgesehene Schaltfrequenz der maximal zulässigen Schaltfrequenz des Leistungshalbleiterschalters entspricht. Die Erfindung kann dann zusätzlich genutzt werden um eine unzulässig hohe Schaltfrequenz zu detektieren.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das Fehlersignal zu erzeugen, wenn bei mindestens drei direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen die jeweilige erste Zeitdauer vom Beginn des jeweiligen Steuerpulses bis zum Beginn des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses einen ersten Grenzwert unterschreitet und die jeweilige zweite Zeitdauer vom Ende des jeweiligen Steuerpulses bis zum Ende des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Die Überwachungseinrichtung kann somit bezüglich der Erkennung von Störpulsen gezielt unempfindlicher ausgebildet sein.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist bei Vorhandensein eines Fehlersignals eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen. Hierdurch kann der Leistungshalbleiterschalter zuverlässig geschützt werden.
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Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, wobei der erste Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem ersten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der zweite Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden ist als vorteilhaft.
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Weiterhin erweist sich eine Steueranordnung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und mit einer mit der Steuereinrichtung zur Signalübermittelung verbundenen übergeordneten Steuerung, wobei die Steuerung zur Erzeugung des Steuersignals ausgebildet ist und das Steuersignal an die Steuereinrichtung übermittelt als vorteilhaft
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem ersten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der zweite Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Steueranordnung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter, mit einer mit der Steuereinrichtung zur Signalübermittlung verbundenen übergeordneten Steuerung und mit einem mit der Steuereinrichtung elektrisch verbundenen Leistungshalbleiterschalter und
- 2 in der Steueranordnung auftretende Signale.
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In 1 ist eine Steueranordnung 6 mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 für einen Leistungshalbleiterschalter T, mit einer mit der Steuereinrichtung 1 zur Signalübermittlung verbundenen übergeordneten Steuerung 5 und mit einem mit der Steuereinrichtung 1 elektrisch verbundenen Leistungshalbleiterschalter T dargestellt. Die Steuereinrichtung 1 bildet zusammen mit dem mit ihr elektrisch verbundenen Leistungshalbleiterschalter T eine Leistungshalbleiterschaltung 4 aus.
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Der Leistungshalbleiterschalter T weist einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss E und C und einen Steueranschluss G auf. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels liegt am zweiten Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T eine Spannung Ue an und der zweite Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T ist mit einer elektrischen Last L (z.B. einem Elektromotor) elektrisch verbunden. Der Leistungshalbleiterschalter T kann z.B. Bestandteil einer Halbrückenschaltung sein.
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Der Leistungshalbleiterunterschalter T liegt vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Bei dem Ausführungsbeispiel liegt der Leistungshalbleiterschalter T in Form eines IGBTs vor, wobei der erste Laststromanschluss E in Form des Emitters des IGBTs, der zweite Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs und der Steueranschluss G in Form des Gates des IGBTs vorliegt.
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Die Steuereinrichtung 1 weist einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss A1, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist und einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist, auf.
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Der erste Steuereinrichtungsanschluss A1 ist bei der Leistungshalbleiterschaltung 4 elektrisch mit dem ersten Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T und der zweite Steuereinrichtungsanschluss A2 ist elektrisch mit Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T verbunden.
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Die Steuereinrichtung 1 weist weiterhin eine Ansteuereinrichtung 2 auf, die dazu ausgebildet ist am zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 eine Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit eines Steuersignals S zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt hierzu in Abhängigkeit von einem Steuersignal S, welches von der übergeordneten Steuerung 5 erzeugt wird, die Ansteuerspannung Ua am zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 und damit am Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt die Ansteuereinrichtung 2 eine Ansteuerspannung Ua von 15V zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T und eine Ansteuerspannung Ua von -8V zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Der Leistungshalbleiterschalter T schaltet sich in Abhängigkeit vom Spannungswert der Ansteuerspannung Ua ein und aus.
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Das Steuersignal S weist zeitlich voneinander beabstandete Steuerpulse von denen in 2 oben beispielhaft die Steuerpulse P1 bis P5 dargestellt sind, auf. Der zweite Steuerpuls P2 folgt direkt dem ersten Steuerpuls P1 nach. Der dritte Steuerpuls P3 folgt direkt dem zweiten Steuerpuls P2 nach. Der vierte Steuerpuls P4 folgt direkt dem dritten Steuerpuls P3 nach. Der fünfte Steuerpuls P5 folgt direkt dem vierten Steuerpuls P4 nach. Eine steigende Flanke des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P5 stellt den Beginn B des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P5 dar und eine fallende Flanke des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P5 stellt das Ende E des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P5 dar. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird, wenn der jeweilige Steuerpuls P1 bis P5 einen logischen HIGH-Pegel annimmt, der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet und wenn der jeweilige Steuerpuls P1 bis P5 einen logischen LOW-Pegel annimmt der Leistungshalbleiterschalter T ausgeschaltet. Es sei angemerkt, dass dies verallgemeinert auch genau umgekehrt sein kann.
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Vom Beginn B des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P4 bis zum Beginn B des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2 bis P5 vergeht jeweils eine erste Zeitdauer T1. Vom Ende E des jeweiligen Steuerpulses P1 bis P4 bis zum Ende E des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2 bis P5 vergeht jeweils eine zweite Zeitdauer T2. Das Steuersignal S ist vorzugsweise pulsweitenmoduliert. Beim Ausführungsbeispiels ist das Steuersignal S derart pulsweitenmoduliert, dass die ersten Zeitdauern T1 unterschiedlich sind und die zweiten Zeitdauern T2 konstant sind. Alternativ kann das Steuersignal S auch derart pulsweitenmoduliert sein, dass die zweiten Zeitdauern T2 unterschiedlich sind und die ersten Zeitdauern T1 konstant sind, oder dass die ersten Zeitdauern T1 unterschiedlich sind und die zweiten Zeitdauern T2 ebenfalls unterschiedlich sind.
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Das Steuersignal S wird von der übergeordneten Steuerung 5 vorzugsweise erzeugt, indem von ihr, wie beispielhaft in 2 unten dargestellt, ein sinusförmiges Grundsignal GS, das eine Grundperiodendauer TG aufweist, mit einem Schaltsignal SZ, das eine Schaltperiodendauer TA aufweist, die kleiner ist als die Grundperiodendauer TG, verglichen wird. Die Schaltperiodendauer TA wird vorzugsweise so gewählt, dass ein ganzzahliges Vielfaches der Schaltperiodendauer TA der Grundperiodendauer TG entspricht. Beim Ausführungsbeispiel ergeben sich die Beginne B der Steuerpulse P1 bis P5 als die Zeitpunkte DS1, an denen das Schaltsignal SZ das Grundsignal GS überschreitet und die Enden E der Steuerpulse P1 bis P5 als die Zeitpunkte DS2, an denen das Schaltsignal SZ das Grundsignal GS unterschreitet. Es sei angemerkt, dass dies jedoch auch genau umgekehrt sein kann. Das Schaltsignal SZ kann, wie beim Ausführungsbeispiel, eine Sägezahnform aufweisen, wobei auch beliebig andere Signalformen möglich sind. Durch Änderung der Amplitude des Schaltsignals SZ kann die Breite der Steuerpulse im Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T geändert werden.
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Die Schaltfrequenz fa ergibt sich zu fa = 1/TA. Der Leistungshalbleiterschalters T wird solchermaßen mit einer für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa betrieben. Der Kehrwert der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa ergibt die Schaltperiodendauer TA.
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Die Steuereinrichtung 1 weist bei der Erfindung eine Überwachungseinrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Fehlersignal F zu erzeugen, wenn bei mindestens zwei direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen, insbesondere, z.B. wie beim Ausführungsbeispiel, bei zwei direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen z.B. P1 und P2, die jeweilige erste Zeitdauer T1 vom Beginn B des jeweiligen Steuerpulses P1 bzw. P2 bis zum Beginn B des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2 bzw. P3 einen ersten Grenzwert GW1 unterschreitet und eine jeweilige zweite Zeitdauer T2 vom Ende E des jeweiligen Steuerpulses P1 bzw. P2 bis zum Ende des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2 bzw. P3 einen zweiten Grenzwert GW2 unterschreitet. Hierzu wird fortlaufend die erste und zweite Zeitdauer T1 und T2 zwischen direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen ermittelt und das Fehlersignal F erzeugt, wenn zweimal direkt hintereinander der erste und zweite Grenzwert GW1 und GW2 unterschritten werden.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die Zeitdauer T1 vom Beginn B des ersten Steuerpulses P1 bis zum Beginn B des zweiten Steuerpulses P2 konkret mit T1a bezeichnet, die Zeitdauer T1 ist vom Beginn B des zweiten Steuerpulses P2 bis zum Beginn B des dritten Steuerpulses P2 konkret mit T1b bezeichnet, die Zeitdauer T1 ist vom Beginn B des dritten Steuerpulses P3 bis zum Beginn B des vierten Steuerpulses P4 konkret mit T1c bezeichnet und die Zeitdauer T1 ist vom Beginn B des vierten Steuerpulses P4 bis zum Beginn B des fünften Steuerpulses P5 konkret mit T1d bezeichnet. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel die Zeitdauer T2 vom Ende E des ersten Steuerpulses P1 bis zum Ende E des zweiten Steuerpulses P2 konkret mit T2a bezeichnet, die Zeitdauer T2 ist vom Ende E des zweiten Steuerpulses P2 bis zum Ende E des dritten Steuerpulses P2 konkret mit T2b bezeichnet, die Zeitdauer T2 ist vom Ende E des dritten Steuerpulses P3 bis zum vom Ende E des vierten Steuerpulses P4 konkret mit T2c bezeichnet und die Zeitdauer T2 ist vom Ende E des vierten Steuerpulses P4 bis zum Ende E des fünften Steuerpulses P5 konkret mit T2d bezeichnet.
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Das Fehlersignal F wird somit beim Ausführungsbeispiel erzeugt, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
T1a < GW1 und T1b < GW1 und T2a < GW2 und T2b < GW2
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Im störungsfreien Betrieb, d.h. wenn kein Störimpuls im Steuersignal S vorhanden ist, der einen Steuerpuls vortäuscht, sind diese Bedingungen bei entsprechender Wahl des ersten und zweiten Grenzwerts GW1 und GW2 niemals alle erfüllt. Dies gilt auch wenn sich die Pulsweiten der Steuerpulse ändern. Fehldetektionen eines nicht vorhandenen Störpulses werden hierdurch vermieden. Im Falle eines Störpulses, welcher zwischen dem ersten und zweiten Steuerpuls P1 und P2 auftritt, sind alle diese Bedingungen erfüllt und das Fehlersignal F wird von der Überwachungseinrichtung 3 erzeugt.
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Der erste und zweite Grenzwert GW1 und GW2 können den gleichen Wert aufweisen.
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Der erste und zweite Grenzwert GW1 und GW2 sind vorzugsweise kleiner oder genauso groß wie der Kehrwert Ta = 1/fa der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa, insbesondere sind sie kleiner ist als 95% des Kehrwerts Ta = 1/fa der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa, insbesondere sind sie kleiner als 80% des Kehrwerts Ta = 1/fa der für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa.
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Die Überwachungseinrichtung 3 kann auch dazu ausgebildet sein, das Fehlersignal F zu erzeugen, wenn bei mindestens drei direkt aufeinanderfolgenden Steuerpulsen P1, P2 und P3 die jeweilige erste Zeitdauer T1 vom Beginn B des jeweiligen Steuerpulses P1, P2 bzw. P3 bis zum Beginn B des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2, P3 bzw P4 den ersten Grenzwert GW1 unterschreitet und die jeweilige zweite Zeitdauer T2 vom Ende E des jeweiligen Steuerpulses P1, P2 bzw. P3 bis zum Ende E des ihm direkt nachfolgenden Steuerpulses P2, P3 bzw. P4 den zweiten Grenzwert GW2 unterschreitet. Die Überwachungseinrichtung 3 ist dann unempfindlicher ausgebildet, da ein einzelner Störpuls zu keinem Erzeugen des Fehlersignals F führt.
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Die Ansteuereinrichtung 2 ist vorzugsweise dazu ausgebildet bei Vorhandensein eines Fehlersignals F eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. Durch ein Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T wird der Leistungshalbleiterschalters T geschützt. Die Überwachungseinrichtung 3 übermittelt hierzu das Fehlersignal F an die Ansteuereinrichtung 2.
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Es sei angemerkt, dass wenn die für den Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehenen Schaltfrequenz fa, der, z.B. in einem Datenblatt angegebenen, maximal zulässige Schaltfrequenz famax des Leistungshalbleiterschalters T entspricht, die Erfindung zusätzlich genutzt werden kann um eine unzulässig hohe Schaltfrequenz fa zu detektieren. Falls die Schaltfrequenz fa auf Seiten der übergeordneten Steuerung 5 unzulässig hoch ist, wird dies von der Überwachungseinrichtung 3 erkannt und das Fehlersignal F erzeugt.
