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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, mit einem elektrischen Schalter, der in einer ersten Einstellung geschlossen ist und einen Eingang mit einem Ausgang der Schaltungsanordnung elektrisch verbindet und in einer zweiten Einstellung geöffnet ist und den Eingang von dem Ausgang elektrisch trennt, wobei eine Stromstärke eines in der ersten Einstellung durch den Schalter fließenden elektrischen Stroms ermittelt und bei Überschreiten eines Schwellenwerts durch die Stromstärke der Schalter zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang geöffnet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung.
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Aus dem Stand ist die Druckschrift
DE 10 2015 108 410 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Schaltung, die ein elektronisches Schaltelement und ein Temperaturkompensationselement, das in der Nähe des elektronischen Schaltelements angeordnet ist, umfasst. Weiterhin wird ein Verfahren zum Messen eines Stroms oder einer Spannung in einer Schaltung beschrieben, welche ein elektronisches Schaltelement und ein Temperaturkompensationselement umfasst, wobei das Temperaturkompensationselement in der Nähe des elektronischen Schaltelements angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen anhand der Schaltung, ob die Spannung oder der Strom eine vorgegebene Schwelle erreicht oder überschreitet, und Ausführen einer vorgegebenen Aktion, falls die Spannung oder der Strom die vorgegebene Schwelle erreicht oder überschritten hat. Diese Aktion kann beispielsweise das Unterbrechen eines Stroms sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere ein dauerhaft zuverlässiges Betreiben des elektrischen Schalters ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens eine Zustandsgröße, nämlich eine Temperatur und/oder eine Spannung, des an dem Schalter anliegenden elektrischen Stroms, bestimmt und aus der Zustandsgröße der Schwellenwert ermittelt wird.
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Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise Bestandteil einer Leistungselektronik oder stellt eine solche dar. Der elektrische Schalter stellt insoweit einen Leistungsschalter dar, welcher in der ersten Einstellung elektrisch durchgängig ist und den Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbindet. In der zweiten Einstellung hingegen ist der elektrische Schalter nicht durchgängig, sodass der Eingang von dem Ausgang elektrisch getrennt ist. Der elektrische Schalter kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise liegt er als elektromechanischer Schalter oder als elektronischer Schalter, insbesondere Halbleiterschalter vor. In letzterem Fall ist er bevorzugt als Transistor, insbesondere als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgestaltet. Der Bipolartransistor liegt besonders bevorzugt als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) vor.
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Bei einer solchen Leistungselektronik können hohe Stromstärken auftreten. Damit bei zu hohen Stromstärken die Schaltungsanordnung, insbesondere der elektrische Schalter, nicht beschädigt oder überlastet wird, kann eine Schutzabschaltung implementiert sein. Grundsätzlich ist es bei dieser vorgesehen, die Stromstärke des durch den Schalter fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, nämlich in der ersten Einstellung des Schalters. Überschreitet diese Stromstärke den Schwellenwert, so wird der Schalter geöffnet beziehungsweise die zweite Einstellung eingestellt, sodass die Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang geöffnet wird und nachfolgend unterbrochen ist.
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Der Schwellenwert dieser Schutzabschaltung kann auf den schlimmsten anzunehmenden Fall ausgelegt werden. Dieser ist jedoch häufig lediglich theoretisch möglich und tritt in der Praxis gar nicht oder allenfalls sehr selten auf. Entsprechend kann es bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltungsanordnung zu einem zu frühen Abschalten des elektrischen Schalters kommen, sodass die eigentliche Leistungsfähigkeit der Schaltungsanordnung nicht voll ausgenutzt werden kann.
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Aus diesem Grund ist es nun vorgesehen, den Schwellenwert nicht konstant zu wählen beziehungsweise auf den schlimmsten anzunehmen Fall abzustimmen. Vielmehr ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Zustandsgröße zu ermitteln. Aus der Zustandsgröße wird nachfolgend der Schwellenwert dynamisch ermittelt. Der Schwellenwert liegt insoweit als Funktion der Zustandsgröße vor. Als Zustandsgröße kommt die Temperatur oder die Spannung zum Einsatz. Selbstverständlich können auch mehrere Zustandsgrößen zum Ermitteln des Schwellenwerts herangezogen werden, nämlich sowohl die Temperatur als auch die Spannung. Entsprechend liegt in diesem Fall der Schwellenwert als Funktion der Temperatur und der Spannung vor.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Ermitteln des Schwellenwerts aus der wenigstens einen Zustandsgröße sowie das Ansteuern des elektrischen Schalters zum Öffnen bei Überschreiten des Schwellenwerts durch die Stromstärke mittels einer Sicherheitsschaltung, welche Bestandteil der Schaltungsanordnung ist. Die Sicherheitsschaltung ist vorzugsweise rein hardwarebasiert, beispielsweise baut sie auf wenigstens einem Logikbaustein auf. Alternativ kann eine hardwarenahe Umsetzung der Sicherheitsschaltung realisiert sein, beispielsweise mittels eines FPGA oder eines CPLD. Auf diese Art und Weise ist eine besonders rasche Reaktion auf eine zu hohe Stromstärke umgesetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung ermöglicht einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb des elektrischen Schalters, ohne dass aufgrund von zu hohen Stromstärken und/oder zu hohen Spannungen eine Beschädigung des Schalters zu erwarten ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schwellenwert umso größer gewählt wird, je höher die Temperatur ist. Der elektrische Schalter ist üblicherweise umso empfindlicher, je geringer seine Temperatur ist. Dies ist insbesondere im Falle der Ausgestaltung des Schalters als elektronischer Schalter, beispielsweise als Halbleiterschalter, insbesondere als IGBT, der Fall.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, den Schwellenwert auf einen ersten Wert einzustellen, wenn die Temperatur kleiner ist als ein erster Temperaturschwellenwert oder diesem entspricht. Hat die Temperatur den ersten Temperaturschwellenwert überschritten, so wird der Schwellenwert ausgehend von dem ersten Wert vergrößert, beispielsweise linear mit der Temperatur, bis die Temperatur einen zweiten Temperaturschwellenwert erreicht hat. In diesem Fall soll der Schwellenwert einem zweiten Wert entsprechen und auch bei weiter ansteigender Temperatur konstant bleiben. Der zweite Temperaturschwellenwert ist hierbei größer als der erste Temperaturschwellenwert. Zudem ist der zweite Wert größer als der erste Wert.
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Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Schwellenwert dem zweiten Wert entspricht, bis die Temperatur einen dritten Temperaturschwellenwert erreicht hat, welcher größer ist als der zweite Temperaturschwellenwert. Überschreitet die Temperatur den dritten Temperaturschwellenwert, so wird der Schwellenwert wieder reduziert, also in Richtung des ersten Werts verringert. Beispielsweise wird der Schwellenwert in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, vorzugsweise linear. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Schwellenwert im Falle der den dritten Temperaturschwellenwert übersteigenden Temperatur reduziert wird, bis die Temperatur einen vierten Temperaturschwellenwert erreicht hat. In diesem Fall soll der Schwellenwert einem dritten Wert entsprechen, welcher kleiner ist als der zweite Wert.
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Mit weiter ansteigender Temperatur wird der Schwellenwert wiederum konstant gehalten. In anderen Worten ist es vorgesehen, den Schwellenwert innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters, welches von dem ersten Temperaturschwellenwert und dem vierten Temperaturschwellenwert begrenzt ist, größer zu wählen als außerhalb dieses Temperaturfensters. Mit einer derartigen Vorgehensweise wird ein besonders zuverlässiger Betrieb des elektrischen Schalters sichergestellt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Schwellenwert umso kleiner gewählt wird, je höher die Spannung ist. Der elektrische Schalter reagiert umso empfindlicher auf hohe Stromstärken, je höher die Spannung ist. Entsprechend wird der Schwellenwert mit steigender Spannung reduziert. Beispielsweise ist hier eine analoge Vorgehensweise zu der Temperatur vorgesehen, wobei anstelle der Temperaturschwellenwerte Spannungsschwellenwerte Verwendung finden. Diese Vorgehensweise stellt eine zuverlässige Funktion des elektrischen Schalters sicher.
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Schließlich kann im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass als Temperatur eine Schaltertemperatur des Schalters oder eine Umgebungstemperatur verwendet wird. Die Empfindlichkeit des Schalters gegenüber hohen Stromstärken hängt stark von seiner eigenen Temperatur, also der Schaltertemperatur, ab. Aus diesem Grund kommt bevorzugt die Schaltertemperatur als Temperatur zum Einsatz.
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Die Schaltertemperatur wird beispielsweise mittels eines in den elektrischen Schalter integrierten Sensors gemessen, insbesondere eines Halbleitersensors, welcher Bestandteil desselben Bauelements, insbesondere Halbleiterbauelements, ist wie der elektrische Schalter. Die Verwendung der Schaltertemperatur ist insbesondere deswegen von besonderem Vorteil, weil sich der elektrische Schalter üblicherweise erwärmt, wenn er von elektrischem Strom durchflossen wird. Mit steigender Betriebsdauer des elektrischen Schalters wird daher die Schaltertemperatur größer, sodass die Empfindlichkeit des Schalters gegenüber hohen Stromstärken abnimmt.
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Während die Verwendung der Schaltertemperatur technisch vorteilhaft ist, ist sie vergleichsweise kostenaufwändig. Aus diesem Grund kann ersatzweise die Umgebungstemperatur als Temperatur herangezogen werden. Eine solche Lösung berücksichtigt zwar nicht oder allenfalls mit Zeitverzug die Erwärmung des Schalters aufgrund des durch ihn fließenden elektrischen Stroms. Sie ist jedoch äußerst kostengünstig umsetzbar. Die Umgebungstemperatur wird mithilfe eines Temperatursensors ermittelt, welcher bevorzugt in der Nähe des elektrischen Schalters angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur mittels eines Temperaturmodells ermittelt beziehungsweise modelliert wird. Das Temperaturmodell weist wenigstens eine Eingangsgröße und genau eine Ausgangsgröße, nämlich die Temperatur, auf. Als Eingangsgröße wird eine gemessene Temperatur, beispielsweise die Umgebungstemperatur, und/oder die Stromstärke und/oder die Spannung durch beziehungsweise über den Schalter und/oder eine Zeitgröße verwendet. Beispielsweise wird die Temperatur durch die Integration einer aus der Stromstärke und der Spannung ermittelten Leistung berechnet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, mit einem elektrischen Schalter, der in einer ersten Einstellung geschlossen ist und einen Eingang mit einem Ausgang der Schaltungsanordnung elektrisch verbindet und in einer zweiten Einstellung geöffnet ist und den Eingang von dem Ausgang elektrisch trennt, und mit einer Sicherheitsschaltung, die zum Ermitteln einer Stromstärke eines in der ersten Einstellung durch den Schalter fließenden elektrischen Stroms und zum Öffnen des Schalters zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang beim Überschreiten eines Schwellenwerts durch die Stromstärke ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Sicherheitsschaltung weiter dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Zustandsgröße, nämlich eine Temperatur und/oder eine Spannung des an dem Schalter anliegenden elektrischen Stroms, zu bestimmen und aus der Zustandsgröße den Schwellenwert zu ermitteln.
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Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Schaltungsanordnung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Schließlich kann im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Steuereingang des Schalters an einen Ausgang eines Operationsverstärkers der Sicherheitsschaltung angeschlossen ist. Über den Steuereingang wird der Schalter angesteuert. Beispielsweise liegt der Schalter in der ersten Einstellung vor, solange an dem Steuereingang eine Spannung anliegt. Entfällt die Spannung, so wechselt der Schalter in die zweite Einstellung. Ist der elektrische Schalter als Transistor, beispielsweise als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgestaltet, so entspricht der Steuereingang der Basis beziehungsweise dem Gate des Transistors.
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Die Sicherheitsschaltung verfügt über den Operationsverstärker, welcher wenigstens einen Ausgang aufweist. An diesen Ausgang ist der Steuereingang des Schalters angeschlossen. Der Operationsverstärker wird bevorzugt als Komparator betrieben, welcher den Schwellenwert mit der Stromstärke des den Schalter durchfließenden elektrischen Stroms vergleicht. Überschreitet die Stromstärke den Schwellenwert, so steuert der Operationsverstärker den Schalter zum Öffnen und mithin zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang an.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 1, die einen Eingang 2 und einen Ausgang 3 aufweist. Elektrisch zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 ist ein elektrischer Schalter 4 angeordnet, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als elektronischer Schalter, nämlich als Transistor, ausgestaltet ist. In einer ersten Einstellung des Schalters 4 sind der Eingang 2 und der Ausgang 3 elektrisch miteinander verbunden. Der Schalter ist insoweit geschlossen. In einer zweiten Einstellung ist der Schalter 4 hingegen geöffnet, sodass der Eingang 2 und der Ausgang 3 elektrisch voneinander getrennt sind.
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Der Schalter 4 wird über einen Steuereingang 5 angesteuert, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Steuereinrichtung 6 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 6 weist eine hier nicht separat bezeichnete Sicherheitsschaltung auf. Die Steuereinrichtung 6 ist an einen Schalteingang 7 der Schaltungsanordnung 1 angeschlossen. Über diesen kann der Schaltungsanordnung 1 ein Schaltzustand des Schalters 4 vorgegeben werden. Insoweit wird über den Schalteingang 7 festgelegt, ob der Schalter 4 geöffnet oder geschlossen sein soll.
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Weiterhin ist die Steuereinrichtung 6 an einen Temperatursignaleingang 8 und einen Spannungssignaleingang 9 angeschlossen. Über den Temperatursignaleingang 8 wird der Steuereinrichtung 6 eine Temperatur zugeführt, über den Spannungssignaleingang 9 eine elektrische Spannung zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3. Der Temperatursignaleingang 8 ist hierzu beispielsweise an einen Temperatursensor und der Spannungssignaleingang 9 an einen Spannungssensor angeschlossen. Die Temperatur entspricht bevorzugt einer Schalttemperatur des Schalters 4. Der Temperatursensor ist hierzu bevorzugt in den Schalter 4 integriert.
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Die Steuereinrichtung 6 ermittelt aus der Temperatur und der Spannung einen Schwellenwert. Übersteigt eine Stromstärke des in der ersten Einstellung durch den Schalter fließenden elektrischen Stroms diesen Schwellenwert, so wird der Schalter 4 zum Öffnen angesteuert, unabhängig von dem Schalteingang 7.
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Mit einer derartigen Vorgehensweise ist ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb des Schalters 4 gewährleistet, weil aufgrund der temperatur- und spannungsabhängigen Bestimmung des Schwellenwerts Beschädigungen des Schalters 4 zuverlässig vermieden werden. Gleichzeitig kann jedoch das Potential des Schalters 4 weitgehend ausgenutzt werden, indem nämlich der Schwellenwert bei denjenigen Temperaturen und Spannungen höher gewählt wird, bei welchen die Empfindlichkeit des Schalters gegenüber hohen Stromstärken geringer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015108410 A1 [0002]
