DE102017220546A1 - Determining the voltage levels of actuation signals for actuating an electrical circuit breaker - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Ermittlung der Spannungshöhe (U, U) eines von zumindest zwei Betätigungssignalen zur Betätigung eines elektrischen Leistungsschalters. Hierbei weist das erste Betätigungssignal eine elektrische Spannung mit einer ersten Spannungshöhe (U) auf, und das zweite Betätigungssignal weist eine elektrische Spannung mit einer zweiten Spannungshöhe (U) auf, wobei die zweite Spannungshöhe (U) niedriger ist als die erste Spannungshöhe (U). Hierbei werden die zumindest zwei Betätigungssignale nacheinander an einen Eingang (E+) eines Messverstärkers (4A) angelegt, der mit einer Versorgungsspannung der zweiten Spannungshöhe (U) versorgt wird. Die hierdurch an einem Ausgang (A) des Messverstärkers (4A) nacheinander anliegenden zumindest zwei Spannungswerte (U, U) werden ermittelt. Anhand dieser Spannungswerte (U, U) und anhand bekannter Widerstandswerte (R1, R2, R3, R4) des Messverstärkers (4A) wird dann die Spannungshöhe (U, U) des einen der zumindest zwei Betätigungssignale ermittelt.The invention relates to the determination of the voltage level (U, U) of one of at least two actuation signals for actuating an electrical circuit breaker. In this case, the first actuation signal has an electrical voltage with a first voltage level (U), and the second actuation signal has an electrical voltage with a second voltage level (U), wherein the second voltage level (U) is lower than the first voltage level (U) , Here, the at least two actuation signals are successively applied to an input (E +) of a measuring amplifier (4A), which is supplied with a supply voltage of the second voltage level (U). The at least two voltage values (U, U) successively applied to an output (A) of the measuring amplifier (4A) are determined. Based on these voltage values (U, U) and on the basis of known resistance values (R1, R2, R3, R4) of the measuring amplifier (4A), the voltage level (U, U) of the one of the at least two actuating signals is then determined.
Description
Die Erfindung betrifft die Ermittlung der Spannungshöhen von Betätigungssignalen zur Betätigung eines elektrischen Leistungsschalters. Die Erfindung betrifft im Detail ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung der Spannungshöhen von Betätigungssignalen für einen elektrischen Leistungsschalter und ein Verfahren zur Überwachung des elektrischen Leistungsschalters. Sie betrifft auch ein Steuergerät zur Betätigung elektrischer Leistungsschalter eines Wechselrichters oder Umrichters, das zur Durchführung dieser Verfahren ausgebildet ist, sowie ein Fahrzeugantriebssystem mit einem solchen Steuergerät.The invention relates to the determination of the voltage levels of actuation signals for actuating an electrical circuit breaker. The invention relates in detail to a corresponding method for determining the voltage levels of actuation signals for an electrical power switch and a method for monitoring the electrical circuit breaker. It also relates to a control device for actuating electrical circuit breakers of an inverter or inverter, which is designed to carry out these methods, as well as a vehicle drive system with such a control device.
Elektrische Leistungsschalter, wie beispielsweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), werden mittels Betätigungssignalen angesteuert. Das Betätigungssignal wird dazu an einen Gate- oder Basis-Anschluss des Leistungsschalters angelegt. Das Betätigungssignal weist eine bestimmte Spannungshöhe auf, die bestimmt, ob der Leistungsschalter den Schaltzustand „geöffnet“ (elektrisch leitend geschaltet) oder „geschlossen“ (elektrisch nicht-leitend geschaltet) annimmt. So weist beispielsweise ein Betätigungssignal zum Öffnen des Leistungsschalters eine positive Spannungshöhe auf, und ein anderes Betätigungssignal zum Schließen des Leistungsschalters weist eine negative Spannungshöhe auf.Electrical power switches, such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are driven by actuation signals. The actuating signal is applied to a gate or base terminal of the circuit breaker. The actuation signal has a specific voltage level which determines whether the circuit breaker assumes the switching state "open" (electrically switched) or "closed" (electrically non-switched). For example, an actuation signal for opening the circuit breaker has a positive voltage level, and another actuation signal for closing the circuit breaker has a negative voltage level.
Bei sicherheitskritischen Anwendungen von Leistungsschaltern kann es erforderlich sein, die Leistungsschalter zu überwachen. Dadurch kann festgestellt werden, ob der Leistungsschalter nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert, sowie ob und welche Gegenmaßnahmen eingeleitet werden müssen. Die Überwachung des Leistungsschalters umfasst auch die Überwachung der Betätigungssignale des Leistungsschalters. Insbesondere ist dabei von Interesse, ob die Betätigungssignale jeweils die korrekte Spannungshöhe aufweisen. So kann eine zu niedrige Spannungshöhe dazu führen, dass der Leistungsschalter nicht oder nicht sicher den gewünschten Schaltzustand einnimmt. Außerdem kann durch Beobachtung einer Veränderung der Spannungshöhen auf eine zukünftige Fehlfunktion oder auf bestimmte Fehlerursachen geschlossen werden.In safety critical applications of circuit breakers, it may be necessary to monitor the circuit breakers. This can be used to determine if the circuit breaker is not working properly, and if and which countermeasures need to be taken. Circuit-breaker monitoring also includes the monitoring of the circuit-breaker actuation signals. In particular, it is of interest whether the actuation signals each have the correct voltage level. For example, too low a voltage level can cause the circuit breaker to fail or not to assume the desired switching state with certainty. In addition, it can be concluded by observing a change in the voltage levels to a future malfunction or to certain causes of failure.
Zum Messen von elektrischen Spannungen werden bei Elektronikanwendungen vorwiegend A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler, auch Analog-Digital-Umsetzer genannt) eingesetzt. Solche A/D-Wandler wandeln eine am Eingang des A/D-Wandlers anliegende Spannung in einen Digitalwert (digitaler Zahlenwert; digitales Signal) entsprechenden der Spannungshöhe um. Über eine Ausgangsschnittstelle wird dieser Digitalwert zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt, sodass die Spannungshöhe nummerisch weiterverarbeitet werden kann.For measuring electrical voltages, electronic applications mainly use A / D converters (analog-to-digital converters, also called analog-to-digital converters). Such A / D converters convert a voltage applied to the input of the A / D converter into a digital value (digital value) corresponding to the voltage level. Via an output interface, this digital value is made available for further processing so that the voltage level can be further processed numerically.
Normale A/D-Wandler verfügen allerdings über einen begrenzten Eingangssignalbereich, auch Messbereich genannt. Einem solchen A/D-Wandler kann also nicht ein beliebiges Spektrum unterschiedlich hoher Eingangsspannungen zugeführt werden, die dieser dann in entsprechende Digitalwerte umwandelt. Ist die Eingangsspannung voraussichtlich zu klein oder zu groß, wird dem A/D-Wandler daher ein analoger Messverstärker vorgeschaltet. Dieser hat die Aufgabe, die Eingangsspannung an den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers anzupassen.However, normal A / D converters have a limited input signal range, also called measuring range. Such an A / D converter can therefore not be supplied with an arbitrary spectrum of different high input voltages, which then converts these into corresponding digital values. Therefore, if the input voltage is expected to be too low or too high, the A / D converter will be preceded by an analogue sense amplifier. Its task is to adapt the input voltage to the input signal range of the A / D converter.
Elektrische Leistungsschalter erfordern Betätigungssignale mit einer positiven Spannungshöhe zur Herstellung des Schaltzustands „geöffnet“ und Betätigungssignale mit einer negativen Spannungshöhe zur Herstellung des Schaltzustands „geschlossen“. Ein normaler A/D-Wandler mit einem einzigen Eingang kann jedoch entweder nur positive oder nur negative Spannungshöhen in entsprechende Digitalwerte umsetzen, nicht beides. Zur Ermittlung der Spannungshöhen von positiven und negativen Betätigungssignalen werden dann also A/D-Wandler mit zumindest zwei Eingängen benötigt. Diese sind kostenintensiver als A/D-Wandler mit nur einem Eingang.Electrical circuit breakers require actuating signals having a positive voltage level for establishing the "open" switching state and "negative" voltage actuating signals for establishing the "closed" switching state. However, a normal single input A / D converter can convert either only positive or negative voltage levels to corresponding digital values, not both. In order to determine the voltage levels of positive and negative actuation signals, A / D converters having at least two inputs are required. These are more costly than A / D converters with only one input.
Darüber hinaus ist die Ermittlung der tatsächlichen Spannungshöhen von Betätigungssignalen für Leistungsschalter bei Verwendung eines A/D-Wandlers mit vorgeschaltetem Messverstärker nicht trivial. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Verstärkung des Messverstärkers von der Spannungshöhe einer Versorgungsspannung des Messverstärkers abhängt. Diese Spannungshöhe ist allerdings nicht immer exakt bekannt und kann beispielsweise schwanken.In addition, the determination of the actual voltage levels of circuit breaker actuation signals when using an A / D converter with an upstream amplifier is not trivial. This is due to the fact that the gain of the measuring amplifier depends on the voltage level of a supply voltage of the measuring amplifier. However, this voltage level is not always exactly known and may, for example, fluctuate.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.The object of the present invention is to improve the state of the art.
Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by the features specified in the main claims. Preferred embodiments thereof are the dependent claims.
Vorgeschlagen werden demnach:
- • ein Verfahren zur Ermittlung der Spannungshöhe eines von zumindest zwei Betätigungssignalen zur Betätigung eines elektrischen Leistungsschalters, und
- • ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Leistungsschalters, und
- • ein Steuergerät zur Betätigung elektrischer Leistungsschalter eines Wechselrichters oder Umrichters, das zur Durchführung dieser Verfahren ausgebildet ist, und
- • ein Fahrzeugantriebssystem mit einem solchen Steuergerät.
- A method for determining the voltage level of one of at least two actuation signals for actuating an electrical power switch, and
- • a procedure for monitoring an electrical circuit breaker, and
- A control unit for actuating electrical circuit breakers of an inverter or converter designed to carry out these methods, and
- • a vehicle drive system with such a controller.
Die Erfindung geht davon aus, dass zumindest zwei Betätigungssignale zur Betätigung eines elektrischen Leistungsschalters vorgesehen sind. Wie eingangs erläutert, kann es sich bei einem solchen Leistungsschalter beispielsweise um einen MOSFET oder einem IGBT oder andere Arten von elektrischen Leistungsschaltern handeln. Die Betätigungssignale dienen jeweils dazu, um einen bestimmten Schaltzustand bei dem Leistungsschalter zu bewirken, also um ihn zu öffnen oder zu schließen. Hierzu werden die Betätigungssignale bekanntermaßen an den Gate- oder Basis-Anschluss des Leistungsschalters angelegt.The invention is based on the assumption that at least two actuating signals are provided for actuating an electrical power switch. As explained above, such a circuit breaker can be, for example, a MOSFET or an IGBT or other types of electrical circuit breakers. The actuation signals are each used to cause a particular switching state at the circuit breaker, so to open or close it. For this purpose, the actuation signals are known to be applied to the gate or base terminal of the circuit breaker.
Die Betätigungssignale unterscheiden sich in ihren Spannungshöhen voneinander. Ein erstes Betätigungssignal weist daher eine elektrische Spannung mit einer ersten Spannungshöhe auf. Ein zweites Betätigungssignal weist daher eine elektrische Spannung mit einer zweiten Spannungshöhe auf, wobei diese zweite Spannungshöhe niedriger ist als die erste Spannungshöhe. Bei der ersten Spannungshöhe handelt es sich insbesondere um eine positive Spannungshöhe (positive Spannung, positives Betätigungssignal). Bei der zweiten Spannungshöhe handelt es sich dann insbesondere um eine negative Spannungshöhe (negative Spannung, negatives Betätigungssignal). Das erste Betätigungssignal dient dann insbesondere um den Schaltzustand „geschlossen“ bei dem Leistungsschalter zu bewirken. Das zweite Betätigungssignal dient dann insbesondere um den Schaltzustand „offen“ bei dem Leistungsschalter zu bewirken.The actuation signals differ in their voltage levels from each other. A first actuation signal therefore has an electrical voltage with a first voltage level. A second actuation signal therefore has an electrical voltage with a second voltage level, this second voltage level being lower than the first voltage level. The first voltage level is, in particular, a positive voltage level (positive voltage, positive actuation signal). The second voltage level is then in particular a negative voltage level (negative voltage, negative actuation signal). The first actuation signal then serves in particular to effect the switching state "closed" in the circuit breaker. The second actuation signal then serves, in particular, to effect the "open" switching state in the circuit breaker.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst die zumindest zwei Betätigungssignale mit der jeweiligen Spannungshöhe nacheinander an einen Eingang eines Messverstärkers angelegt. Das bedeutet wahlweise, dass zuerst das erste Betätigungssignal daran angelegt wird und dann erst das zweite Betätigungssignal, oder dass zuerst das zweite Betätigungssignal daran angelegt wird und dann erst das erste Betätigungssignal. Insbesondere werden die beiden Signale unmittelbar nacheinander an den Eingang des Messverstärkers angelegt.In the proposed method, the at least two actuation signals with the respective voltage level are first applied successively to an input of a measuring amplifier. This means optionally that first the first actuating signal is applied thereto and then first the second actuating signal or first that the second actuating signal is applied thereto and only then the first actuating signal. In particular, the two signals are applied directly one after the other to the input of the measuring amplifier.
Dadurch, dass die Betätigungssignale sequentiell an den Messverstärkers angelegt werden, kann ein nachgeschalteter A/D-Wandler mit nur einem Eingang je Leistungsschalter ausgeführt sein. Diesem (einzigen) Eingang ist dann (je Leistungsschalter) der Messverstärker vorgeschaltet. Dies macht die Verwendung kostengünstiger A/D-Wandler möglich. Der Messverstärker dient auch hier insbesondere, um die Spannungshöhen der Betätigungssignale an den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers anzupassen. Das sequentielle Anlegen der Betätigungssignale erfolgt insbesondere mittels einer dem Messverstärker vorgeschalteten Treiberschaltung.Characterized in that the actuating signals are applied sequentially to the measuring amplifier, a downstream A / D converter can be designed with only one input per circuit breaker. This (single) input is then preceded (per circuit breaker) by the measuring amplifier. This makes possible the use of low-cost A / D converters. The measuring amplifier is also used here in particular to adapt the voltage levels of the actuating signals to the input signal range of the A / D converter. The sequential application of the actuating signals takes place in particular by means of a driver circuit connected upstream of the measuring amplifier.
Der Messverstärker gibt einen (analogen) Spannungswert aus, der der Spannungshöhe des aktuell am Eingang anliegenden Betätigungssignals entspricht. Dieser Spannungswert liegt dann wiederum am Eingang des A/D-Wandlers an. Der A/D-Wandler gibt dann einen entsprechenden Digitalwert aus.The measuring amplifier outputs an (analogue) voltage value which corresponds to the voltage level of the actuating signal currently present at the input. This voltage is then again at the input of the A / D converter. The A / D converter then outputs a corresponding digital value.
Von der Versorgungsspannung des Messverstärkers hängt normalerweise seine Verstärkung ab und damit auch der vom Messverstärker ausgegebene Spannungswert. Die Spannungshöhe der Versorgungsspannung des Messverstärkers ist in der Praxis allerdings nicht immer gleich und sie ist auch nicht immer bekannt. Beispielsweise kann sie schwanken oder einer schleichenden Veränderung unterliegen. Somit kann es vorkommen, dass dasselbe Betätigungssignal mit derselben Spannungshöhe von dem Messverstärker unterschiedlich verstärkt wird und er damit unterschiedliche Spannungswerte ausgibt. Anhand des Spannungswertes an sich kann daher nicht ohne weiteres unmittelbar auf die Spannungshöhe des aktuell am Eingang des Messverstärkers anliegenden Betätigungssignals geschlossen werden.The supply voltage of the measuring amplifier normally depends on its amplification and thus also on the voltage value output by the measuring amplifier. However, the voltage level of the supply voltage of the measuring amplifier is not always the same in practice and it is also not always known. For example, it may fluctuate or undergo a gradual change. Thus, it may happen that the same actuation signal is amplified differently with the same voltage level by the measuring amplifier and thus outputs different voltage values. On the basis of the voltage value itself can therefore not be concluded directly on the voltage level of the currently applied to the input of the measuring amplifier actuation signal.
Es wird daher vorgeschlagen, dass beim sequentiellen Anlegen der Betätigungssignale zunächst die hierbei an dem Ausgang des Messverstärkers nacheinander anliegenden zumindest zwei Spannungswerte ermittelt werden. Anhand dieser zumindest zwei Spannungswerte und anhand von (bekannten) Widerstandswerten des Messverstärkers wird dann die eine der Spannungshöhen der zumindest zwei Betätigungssignale ermittelt. Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass auch die andere(n) Spannungshöhe(n) der zumindest zwei Betätigungssignale hierbei gleich mit ermittelt werden.It is therefore proposed that during the sequential application of the actuating signals, first the at least two voltage values which are successively applied to the output of the measuring amplifier are determined. On the basis of these at least two voltage values and on the basis of (known) resistance values of the measuring amplifier, one of the voltage levels of the at least two actuating signals then becomes determined. Of course, it can be provided that the other (n) voltage level (s) of the at least two actuation signals are likewise determined in this case.
Bei den Widerstandswerten handelt es sich insbesondere um ohmsche Widerstände des Messverstärkers. Die Widerstandswerte können vorab bestimmt worden sein und beispielsweise in einem Speicher bereitstehen oder in entsprechende Berechnungsformeln bereits integriert vorgesehen sein. Durch Einbeziehung der Widerstandswerte wird die Verstärkungscharakteristik des Messverstärkers berücksichtig.The resistance values are in particular ohmic resistances of the measuring amplifier. The resistance values may have been previously determined and may for example be provided in a memory or may already be integrated into corresponding calculation formulas. By including the resistance values, the gain characteristic of the measurement amplifier is taken into account.
Die Versorgungsspannung des Messverstärkers weist hierbei die Spannungshöhe des (niedrigen) zweiten Betätigungssignals auf, also die zweite Spannungshöhe. Dies ist insbesondere eine negative Spannung. Insbesondere ist die Spannungshöhe der Versorgungsspannung derart niedrig gewählt, dass es keine Betätigungssignale mit einer niedrigeren Spannungshöhe gibt. Die Spannungshöhe der Versorgungsspannung bildet hierbei insbesondere eine Referenzspannung des Messverstärkers für die mittels ihm ermittelten Betätigungssignale.The supply voltage of the measuring amplifier in this case has the voltage level of the (low) second actuation signal, that is, the second voltage level. This is especially a negative voltage. In particular, the voltage level of the supply voltage is chosen so low that there are no actuation signals with a lower voltage level. The voltage level of the supply voltage in this case forms in particular a reference voltage of the measuring amplifier for the actuation signals determined by means of it.
Der Messverstärker ist bevorzugt als ein an sich bekannter Differenzverstärker ausgeführt. Bei einem solchen Differenzverstärker wird ein Operationsverstärker bekanntermaßen so verschaltet, dass er gleichzeitig wie ein invertierender und ein nichtinvertierender Verstärker funktioniert. Ein solcher Messverstärker zeichnet sich dadurch aus, dass er das Betätigungssignal differentiell mit Bezug auf die negativste zu messende Spannung verstärkt, welche als Versorgungsspannung an den Messverstärker angelegt ist.The measuring amplifier is preferably designed as a differential amplifier known per se. In such a differential amplifier, an operational amplifier is known to be connected so that it functions simultaneously as an inverting and a non-inverting amplifier. Such a measuring amplifier is characterized in that it amplifies the actuating signal differentially with respect to the most negative voltage to be measured, which is applied as a supply voltage to the measuring amplifier.
Es kann neben den bereits genannten zwei Betätigungssignalen auch zumindest oder genau noch ein drittes Betätigungssignal vorgesehen sein, ebenfalls mit einer bestimmten Spannungshöhe. Die Spannungshöhe des dritten Betätigungssignals ist dann höher als die zweite Spannungshöhe, insbesondere entspricht sie der ersten Spannungshöhe. Auch das dritte Betätigungssignal dient dann insbesondere um den Schaltzustand „geschlossen“ bei dem Leistungsschalter zu bewirken. Das dritte Betätigungssignal kann als Notfallsignal vorgesehen sein. Das dritte Betätigungssignal wird insbesondere von einer anderen Vorrichtung erzeugt, als das erste und zweite Betätigungssignal, insbesondere von einer Notschaltung zur Erzeugung eines sicheren Zustands.In addition to the already mentioned two actuation signals, it is also possible to provide at least or exactly a third actuation signal, likewise with a certain voltage level. The voltage level of the third actuation signal is then higher than the second voltage level, in particular it corresponds to the first voltage level. The third actuating signal then also serves in particular to effect the switching state "closed" in the circuit breaker. The third actuation signal may be provided as an emergency signal. In particular, the third actuation signal is generated by a device other than the first and second actuation signal, in particular by an emergency circuit for generating a safe state.
Optional können noch weitere Betätigungssignale vorgesehen sein. Bevorzugt sind jedoch nur diese zwei oder drei Betätigungssignal für den Leistungsschalter vorgesehen.Optionally, further actuation signals may be provided. Preferably, however, only these two or three actuation signal for the circuit breaker are provided.
Um die exakten Spannungshöhe eines der zumindest oder genau drei Betätigungssignale ermitteln zu können wird nun vorgeschlagen, dass
- • die Betätigungssignale nacheinander an den Eingang des Messverstärkers angelegt werden, und
- • die hierdurch an dem Ausgang des Messverstärkers nacheinander anliegenden drei Spannungswerte ermittelt werden, und
- • anhand dieser drei Spannungswerte und anhand der Widerstandswerte des Messverstärkers die Spannungshöhe des einen der drei Betätigungssignale ermittelt wird.
- • the actuating signals are applied one after the other to the input of the measuring amplifier, and
- • the three voltage values which are successively applied to the output of the measuring amplifier are determined, and
- • the voltage level of one of the three actuation signals is determined on the basis of these three voltage values and on the basis of the resistance values of the measuring amplifier.
Auch hierbei kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass auch die andere(n) Spannungshöhe(n) der drei Betätigungssignale gleich mit ermittelt werden.It can of course also be provided here that the other voltage level (s) of the three actuating signals are likewise determined with.
Die Reihenfolge dieser Vorgehensweise bei der Ermittlung der Spannungshöhen der Betätigungssignale ist weniger relevant. So kann beispielsweise diese Vorgehensweise zuerst mit dem dritten und zweiten Betätigungssignal durchgeführt werden und dann erst mit dem ersten und zweiten Betätigungssignal, oder umgekehrt. Sinnvollerweise findet dabei keine Doppelmessung statt, d.h. es wird jedes Betätigungssignal nur einmal angelegt. Die Reihenfolge kann demnach insbesondere wie folgt sein:
- • erstes, zweites, drittes Betätigungssignal, oder
- • erstes, drittes, zweites Betätigungssignal, oder
- • zweites, erstes, drittes Betätigungssignal, oder
- • zweites, drittes, erstes Betätigungssignal, oder
- • drittes, erstes, zweites Betätigungssignal, oder
- • drittes, zweites, erstes Betätigungssignal.
- • first, second, third actuation signal, or
- • first, third, second actuation signal, or
- • second, first, third actuation signal, or
- • second, third, first actuation signal, or
- • third, first, second actuation signal, or
- • third, second, first actuation signal.
Bevorzugt ist der elektrische Leistungsschalter ein Leistungsschalter eines Wechselrichters oder Umrichters. Dementsprechend dient der Leistungsschalter dann zur Wandlung eines elektrischen Eingangsstroms in einen entsprechenden elektrischen Ausgangsstrom des Wechselrichters oder Umrichters. Ein solcher Wechselrichter wandelt in an sich bekannter Weise einen elektrischen Gleichstrom in einen Wechselstrom um (DC-AC-Wandlung), und gegebenenfalls auch umgekehrt (AC-DC-Wandlung). Ein solcher Umrichter wandelt in an sich bekannter Weise einen elektrischen Wechselstrom mit einer ersten Frequenz in einen Wechselstrom mit einer zweiten Frequenz um, und gegebenenfalls auch umgekehrt. Preferably, the electrical circuit breaker is a circuit breaker of an inverter or inverter. Accordingly, the power switch then serves to convert an electrical input current into a corresponding electrical output current of the inverter or inverter. Such an inverter converts in a conventional manner a direct electrical current into an alternating current (DC-AC conversion), and possibly also vice versa (AC-DC conversion). Such a converter converts in a manner known per se, an alternating electrical current with a first frequency into an alternating current with a second frequency, and possibly also vice versa.
Bevorzugt ist hierbei das erst Betätigungssignal ein Signal zum Schließen des Leistungsschalters im Rahmen eines Normalbetriebs des Wechsel- oder Umrichters. Ein solcher Normalbetrieb ist der übliche, bestimmungsgemäße Betrieb des Wechsel- oder Umrichters. Demgegenüber ist dann das dritte Betätigungssignal ein Signal zum Schließen des Leistungsschalters im Rahmen eines Notfallbetriebs des Wechsel- oder Umrichters. Ein solcher Notfallbetrieb ist ein vom Normalbetrieb abweichender Betrieb, bei dem eine gewisse Störung aufgetreten ist, durch welche beispielsweise der Normalbetrieb entweder überhaupt nicht mehr möglich ist oder nicht mehr mit einer hinreichenden Sicherheit möglich ist. Das zweite Betätigungssignal ist dann ein Signal zum Öffnen des Leistungsschalters, das entweder nur im Normalbetrieb genutzt wird oder sowohl im Normalbetrieb, als auch im Notfallbetrieb.In this case, the first actuation signal is preferably a signal for closing the circuit breaker in the context of normal operation of the AC or converter. Such normal operation is the usual, intended operation of the AC or inverter. In contrast, then the third actuation signal is a signal for closing the circuit breaker in the context of an emergency operation of the AC or inverter. Such an emergency operation is a different operation from the normal operation, in which a certain disturbance has occurred, through which, for example, the normal operation is either no longer possible or is no longer possible with sufficient security. The second actuation signal is then a signal for opening the circuit breaker, which is used either only in normal operation or both in normal operation, as well as in emergency operation.
Bei einem solchen Notfallbetrieb handelt es sich insbesondere um einen Betrieb des Wechsel- oder Umrichters, bei dem er in einen sicheren Zustand versetzt und dort gehalten wird. Hierzu werden die Leistungsschalter des Wechsel- oder Umrichters insbesondere so angesteuert, dass sie jeweils einen vorbestimmten Schaltzustand aufweisen, der einen sicheren Betrieb des Wechsel- oder Umrichters darstellt.In such an emergency operation is in particular an operation of the AC or inverter, in which he is placed in a safe state and held there. For this purpose, the circuit breaker of the AC or inverter are controlled in particular so that they each have a predetermined switching state, which represents a safe operation of the AC or inverter.
Insbesondere handelt es sich bei dem Notfallbetrieb um einen Kurzschlussbetrieb. Bei einem solchen Kurzschlussbetrieb befinden sich bestimmte Leistungsschalter des Wechsel- oder Umrichters in einem geöffneten Zustand und bestimmte andere Leistungsschalter des Wechsel- oder Umrichters befinden sich in einem geschlossenen Zustand, sodass einige oder alle Ausgänge (Phasen) des Wechsel- oder Umrichters miteinander elektrisch gekoppelt (= kurzgeschlossen) sind. Das dritte Betätigungssignal wird dann insbesondere von der Notschaltung zur Erzeugung des sicheren Zustands erzeugt. Im Gegensatz hierzu werden das erste und das zweite Betätigungssignal beispielsweise von einer gewöhnlichen Treiberschaltung für den Normalbetrieb des Wechsel- oder Umrichters erzeugt. Die Notschaltung kann zumindest teilweise redundant zur Treiberschaltung für den Normalbetrieb sein.In particular, the emergency operation is a short-circuit operation. In such a short circuit operation, certain AC or inverter circuit breakers are in an open state and certain other AC or inverter circuit breakers are in a closed state such that some or all of the outputs (phases) of the AC or inverter are electrically coupled together ( = short-circuited). The third actuation signal is then generated in particular by the emergency circuit for generating the safe state. In contrast, the first and the second actuation signal are generated, for example, by an ordinary driver circuit for the normal operation of the AC or inverter. The emergency circuit may be at least partially redundant to the driver circuit for normal operation.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Überwachung des elektrischen Leistungsschalters sieht vor, dass zumindest eine der Spannungshöhen der zumindest zwei Betätigungssignale des Leistungsschalters mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelt wird. Diese ermittelte Spannungshöhe wird mit einem Grenzwert verglichen. Alternativ oder zusätzlich dazu wird die ermittelte Spannungshöhe auf eine Veränderung hin untersucht. Ein Signal wird dann erzeugt, wenn die ermittelte Spannungshöhe den (zugehörigen) Grenzwert unter oder überschreitet, und/oder wenn die ermittelte Spannungshöhe eine unzulässige Veränderung erfahren hat. Eine unzulässige Veränderung kann beispielsweise eine zu schnelle Veränderung der ermittelten Spannungshöhe sein, die zu einem absehbaren Unter- oder Überschreiten des Grenzwertes führt. Das Signal kann sich dadurch beispielsweise äußern, dass es nach außen hin sofort erkennbar wird und/oder dass ein entsprechender Fehler in einem Fehlerspeicher gespeichert wird.The proposed method for monitoring the electrical circuit breaker provides that at least one of the voltage levels of the at least two actuation signals of the circuit breaker is determined by means of the proposed method. This determined voltage level is compared with a limit value. Alternatively or additionally, the determined voltage level is examined for a change. A signal is generated when the determined voltage level falls below or exceeds the (associated) limit value, and / or when the determined voltage level has undergone an unacceptable change. An impermissible change can be, for example, too rapid a change in the determined voltage level, which leads to a foreseeable undershooting or exceeding of the limit value. The signal can be expressed, for example, in that it becomes immediately recognizable to the outside and / or that a corresponding error is stored in a fault memory.
Das ebenso vorgeschlagene Steuergerät dient zur Betätigung der elektrischen Leistungsschalter eines Wechselrichters oder Umrichters. Das Steuergerät ist dabei zur Durchführung eines der vorgeschlagenen Verfahren ausgeführt. Das Steuergerät kann beispielsweise einen Datenspeicher umfassen, auf dem Softwarecodes mit Anweisungen zur Durchführung des jeweiligen vorgeschlagenen Verfahrens gespeichert sind. Das Steuergerät verfügt dann außerdem über die dazu erforderlichen Eingänge und Ausgänge.The also proposed control unit is used to actuate the electrical circuit breakers of an inverter or inverter. The control unit is designed to carry out one of the proposed methods. The control unit may, for example, comprise a data memory on which software codes with instructions for carrying out the respective proposed method are stored. The controller also has the necessary inputs and outputs.
Das Steuergerät weist bevorzugt auf,
- • die Treiberschaltung, die dazu ausgeführt ist, das erste und zweite Betätigungssignal zu erzeugen, und
- • den als Differenzverstärker ausgeführten Messverstärker, der mit der Treiberschaltung gekoppelt ist; der Messverstärker ist dazu ausgeführt, das aktuell daran anliegende Betätigungssignal in den entsprechenden (analogen) Spannungswert umzuwandeln, und
- • den A/D-Wandler, der mit dem Messverstärker gekoppelt ist; der A/D-Wandler ist dazu ausgebildet, den vom Messverstärker aktuell ausgegebenen Spannungswert in den entsprechenden Digitalwert umzuwandeln, und
- • ein Verarbeitungsmittel, das dazu ausgebildet ist, anhand der Digitalwerte und anhand der Widerstandswerte des Messverstärkers die Spannungshöhe des Betätigungssignals zu ermitteln; dies erfolgt also entsprechend der vorgeschlagenen Verfahren.
- The driver circuit configured to generate the first and second actuation signals, and
- The measuring amplifier designed as a differential amplifier, which is coupled to the driver circuit; the measuring amplifier is designed to convert the currently applied actuating signal into the corresponding (analogue) voltage value, and
- • the A / D converter coupled to the sense amplifier; the A / D converter is designed to convert the voltage value currently output by the measuring amplifier into the corresponding digital value, and
- • a processing means, which is designed to determine the voltage level of the actuating signal on the basis of the digital values and based on the resistance values of the measuring amplifier; This is done according to the proposed method.
Das Steuergerät weist bevorzugt noch auf,
- • die Treiberschaltung; diese ist dann zur Betätigung der Leistungsschalter in einem Normalbetrieb des Wechsel- oder Umrichters mittels des ersten und des zweiten Betätigungssignals ausgebildet,
- • eine Notschaltung, insbesondere Kurzschlussschaltung; diese ist dann zur Erzeugung des dritten Betätigungssignals und zur Betätigung der Leistungsschalter in dem Notfallbetrieb, insbesondere Kurzschlussbetrieb, des Wechsel- oder Umrichters mittels des dritten Betätigungssignals ausgebildet.
- The driver circuit; this is then designed to actuate the circuit breaker in a normal operation of the AC or converter by means of the first and the second actuation signal,
- • an emergency circuit, in particular short-circuiting; this is then designed to generate the third actuation signal and to actuate the circuit breaker in the emergency mode, in particular short-circuit operation, of the AC or converter by means of the third actuation signal.
Die Kurzschlussschaltung dient zur Betätigung der Leistungsschalter in dem Kurzschlussbetrieb des Wechsel- oder Umrichters. Die Kurzschlussschaltung dient dann zum Einlegen des sicheren Zustands des Wechsel- oder Umrichters, was in diesem speziellen Fall der Kurzschluss einiger oder aller der Ausgänge (Phasen) des Wechsel- oder Umrichters ist. Dementsprechend ist die Kurzschlussschaltung dazu ausgebildet, das genannte dritte Betätigungssignal auszugeben.The short-circuit circuit is used to operate the circuit breaker in the short-circuit operation of the AC or inverter. The short circuit then serves to insert the safe state of the inverter or inverter, which in this particular case is the short circuit of some or all of the outputs (phases) of the inverter or inverter. Accordingly, the short-circuiting circuit is configured to output the said third actuation signal.
Das Verarbeitungsmittel ist dazu ausgebildet, die Spannungshöhe zumindest eines der drei Betätigungssignale zu ermitteln, also des ersten und/oder zweiten Betätigungssignals von der Treiberschaltung und/oder des dritten Betätigungssignals von der Kurzschlussschaltung. Demnach kann das Verarbeitungsmittel dazu ausgebildet sein, die Spannungshöhen von zwei oder allen drei Betätigungssignalen zu ermittelnThe processing means is designed to determine the voltage level of at least one of the three actuation signals, that is, the first and / or second actuation signal from the driver circuit and / or the third actuation signal from the short circuit. Accordingly, the processing means may be configured to determine the voltage levels of two or all three actuation signals
Das ebenso vorgeschlagene Fahrzeugantriebssystem weist eine E-Maschine auf, sowie den Wechselrichter oder Umrichter zur elektrischen Bestromung der E-Maschine, sowie das vorgeschlagene Steuergerät zur Betätigung elektrischer Leistungsschalter des Wechsel- oder Umrichters.The also proposed vehicle drive system has an electric motor, as well as the inverter or inverter for electrical power to the electric motor, as well as the proposed control unit for actuating electrical circuit breakers of the AC or inverter.
Die E-Maschine dient hierbei insbesondere als Traktionsantrieb. Sie dient dann also zur Erzeugung einer Vortriebskraft des Fahrzeugs. Ein solches Antriebssystem wird insbesondere in einem zumindest zeitweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug eingesetzt, wie beispielsweise einem reinen E-Fahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, das über einen zusätzlichen Verbrennungsmotor als Traktionsantrieb verfügt. Alternativ dazu kann die E-Maschine auch als Stellantrieb dienen, also zur Betätigung oder Verstellung einer Vorrichtung des Fahrzeugs, wie beispielsweise einer Fahrzeuglenkung oder eines Fahrzeugfahrwerks.The e-machine serves in particular as a traction drive. It then serves to generate a driving force of the vehicle. Such a drive system is used in particular in a motor vehicle which can be driven electrically at least for a time, such as, for example, a pure electric vehicle or a hybrid vehicle which has an additional combustion engine as a traction drive. Alternatively, the electric motor can also serve as an actuator, ie for actuating or adjusting a device of the vehicle, such as a vehicle steering or a vehicle chassis.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen hierbei in schematischer Darstellung:
-
1 eine Schaltung zur Betätigung eines elektrischen Leistungsschalters, -
2 einen als Differenzverstärker ausgeführten Messverstärker.
-
1 a circuit for actuating an electrical circuit breaker, -
2 a measuring amplifier designed as a differential amplifier.
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or at least functionally identical components and elements are provided with the same reference numerals.
Die Schaltung gemäß
Die Schaltung gibt Betätigungssignale mit unterschiedlichen Spannungshöhen an einem Ausgang
Die Schaltung verfügt über eine Treiberschaltung
Die Treiberschaltung
Zur Erzeugung des ersten Betätigungssignals gibt die Treiberschaltung
Zur Erzeugung des zweiten Betätigungssignals gibt die Treiberschaltung
Darüber hinaus kann für einige bestimmte oder alle Leistungsschalter des Wechsel- oder Umrichters eine Notschaltung
Die Notschaltung
Auch das dritte Betätigungssignal verleitet den Leistungsschalter seinen geschlossenen Schaltzustand anzunehmen. Insbesondere soll damit ein sicherer Zustand in dem Wechsel- oder Umrichter bewirkt werden, wie insbesondere ein aktiver Kurzschluss. Bei einem solchen aktiven Kurzschluss sind einige oder alle der Ausgänge (Phasen) des Wechsel- oder Umrichters miteinander elektrisch verbunden, also miteinander kurzgeschlossen. Dann kann die Notschaltung
Die in
Das Mittel
Bei dem Messverstärker
Der Zusammenhang zwischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannung ist bekanntermaßen von den Widerstandswerten der ohmschen Widerstände
- UA =
- Spannungshöhe der Ausgangsspannung,
- UE+ =
- Spannungshöhe der Eingangsspannung am Eingang
E+ , - UE- =
- Spannungshöhe der Eingangsspannung am Eingang
E -, - R1... R4 =
- Widerstandswerte der ohmschen Widerstände
R1 ...R4 .
- U A =
- Voltage level of the output voltage,
- U E + =
- Voltage level of the input voltage at the input
e + . - U E =
- Voltage level of the input voltage at the input
e - - R 1 ... R 4 =
- Resistance values of the ohmic resistors
R1 ...R4 ,
Die Widerstandswerte
An den Eingang
Im Falle des ersten Betätigungssignals liegt demnach die Spannungshöhe
An den Ausgang
Wenn die Spannungshöhe am Eingang
Vorgeschlagen wird daher, dass die Treiberschaltung
Dadurch werden die beiden oder drei Betätigungssignale nacheinander an den Eingang
Anhand dieser Digitalwerte der Spannungswerte
Durch das sequentielle Anlegen der Betätigungssignale fällt eine übliche Schwankung oder schleichende Veränderung der negativen Versorgungsspannung nicht ins Gewicht, denn diese erfolgt für gewöhnlich vergleichsweise langsam. Daher kann während des beschriebenen Anlegens der Betätigungssignale von einer konstanten, wenn auch unbekannten negativen Versorgungsspannung ausgegangen werden.Due to the sequential application of the actuating signals, a customary fluctuation or creeping change of the negative supply voltage does not matter, because this usually takes place comparatively slowly. Therefore, during the described application of the actuation signals, a constant, albeit unknown, negative supply voltage can be assumed.
Zur Ermittlung der Spannungshöhen
Die Ermittlung der Spannungshöhe der vollen Versorgungsspannung erfolgt insbesondere basierend auf folgender Gleichung:
-
Ug = Spannungshöhe der vollen Versorgungsspannung der Spannungsversorgung2 , -
Ua1 = (mittels des A/D-Wandlers bestimmter) Spannungswert amAusgang des Messverstärkers 4A , wenn das erstenBetätigungssignal am Messverstärker 4A anliegt, -
Ua2 = (mittels des A/D-Wandlers bestimmter) Spannungswert amAusgang des Messverstärkers 4A , wenn das zweiteBetätigungssignal am Messverstärker 4A anliegt, -
Up = Spannungshöhe des ersten Betätigungssignals = Spannungshöhe der positiven Versorgungsspannung, -
Um = Spannungshöhe des zweiten Betätigungssignals = Spannungshöhe der negativen Versorgungsspannung.
-
U g = Voltage level of the full supply voltage of thepower supply 2 . -
U a1 = (determined by the A / D converter) voltage value at the output of the measuringamplifier 4A when the first actuating signal at the measuringamplifier 4A is applied, -
U a2 = (determined by the A / D converter) voltage value at the output of the measuringamplifier 4A when the second actuating signal at the measuringamplifier 4A is applied, -
U p = Voltage level of the first actuating signal = voltage level of the positive supply voltage, -
U m = Voltage level of the second actuating signal = voltage level of the negative supply voltage.
Die Ermittlung der Spannungshöhen
Hierbei kann die oben genannte Gleichung zur Ermittlung der Spannungshöhe der vollen Versorgungsspannung
Wenn zuerst die volle Versorgungsspannung
Auf die beschriebene Weise kann auch die Spannungshöhe des dritten Betätigungssignals ermittelt werden. Hierzu wird in den genannten Gleichungen einfach anstelle des Spannungswertes
Die somit ermittelten Spannungshöhen
Eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorgehensweise läuft wie folgt ab:
- 1. Schalten des Gate- oder Basis-Anschlusses des Leistungsschalters auf die positive Versorgungsspannung mit der Spannungshöhe
Up (= Anlegen des ersten Betätigungssignals an den Leistungsschalter), - 2. Bestimmen des hierbei vom
Messverstärker 4A ausgegebenen zugehörigen SpannungswertesUa1 mittels des A/D-Wandlers, - 3. Schalten des Gate- oder Basis-Anschlusses des Leistungsschalters auf die negative Versorgungsspannung mit der Spannungshöhe
Um (= Anlegen des zweiten Betätigungssignals an den Leistungsschalter), - 4. Bestimmen des hierbei vom
Messverstärker 4A ausgegebenen zugehörigen SpannungswertesUa2 mittels des A/D-Wandlers, - 5. Ermittlung der Spannungshöhe
Ug der vollen Versorgungsspannung der Spannungsversorgung2 , - 6. Ermittlung der Spannungshöhen
Up undUm der positiven und negativen Spannungsversorgung2A ,2B (= Ermittlung der Spannungshöhen des ersten und zweiten Betätigungssignals).
- 1. Switch the gate or base terminal of the circuit breaker to the positive supply voltage with the voltage level
U p (= Application of the first actuation signal to the circuit breaker), - 2. Determine the case of the measuring
amplifier 4A output associated voltage valueU a1 by means of the A / D converter, - 3. Switch the gate or base terminal of the circuit breaker to the negative supply voltage with the voltage level
U m (= Application of the second actuation signal to the circuit breaker), - 4. Determine the case of the measuring
amplifier 4A output associated voltage valueU a2 by means of the A / D converter, - 5. Determination of the voltage level
U g the full supply voltage of thepower supply 2 . - 6. Determination of voltage levels
U p andU m the positive andnegative voltage supply 2A .2 B (= Determination of the voltage levels of the first and second actuation signal).
Anschließend oder vorher kann analog dazu die Spannungshöhe des dritten Betätigungssignals ermittelt werden. Hierzu wird in Schritt
Insbesondere werden das erste Betätigungssignal und das zweite Betätigungssignal und das dritte Betätigungssignal nacheinander an den Leistungsschalter ausgegeben (in dieser Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge). Hierdurch liegen alle zur Ermittlung der zugehörigen Spannungshöhen erforderlichen Spannungswerte (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Treiberschaltungdriver circuit
- 22
- Spannungsversorgungpower supply
- 2A2A
- positive Spannungsversorgungpositive voltage supply
- 2B2 B
- negative Spannungsversorgungnegative voltage supply
- 33
- Notschaltungemergency command
- 44
- Mittelmedium
- 4A4A
- Messverstärkermeasuring amplifiers
- 55
- Anschluss connection
- AA
- Ausgangexit
- E+e +
- positiver Eingangpositive input
- E-E-
- negativer Eingangnegative input
- OO
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- R1 ... R4R1 ... R4
- ohmsche Widerständeohmic resistances
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017220546.6A DE102017220546A1 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | Determining the voltage levels of actuation signals for actuating an electrical circuit breaker |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017220546.6A DE102017220546A1 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | Determining the voltage levels of actuation signals for actuating an electrical circuit breaker |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017220546A1 true DE102017220546A1 (en) | 2019-05-23 |
Family
ID=66336133
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102017220546.6A Pending DE102017220546A1 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | Determining the voltage levels of actuation signals for actuating an electrical circuit breaker |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102017220546A1 (en) |
Citations (3)
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---|---|---|---|---|
DE102013213046A1 (en) * | 2013-07-04 | 2014-12-31 | Voith Patent Gmbh | Electric drive with inverter |
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-
2017
- 2017-11-17 DE DE102017220546.6A patent/DE102017220546A1/en active Pending
Patent Citations (3)
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Title |
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SEIPPEL, Robert G.: Operational Amplifiers. Reston, Virginia: Reston Publishing Company, Inc., 1983. S. 109-112. – ISBN 0-8359-5242-8. * |
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