DE102019206693B4

DE102019206693B4 - Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine

Info

Publication number: DE102019206693B4
Application number: DE102019206693.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Mangold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: DE102019206693A1

Abstract

Ansteuervorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine (12), insbesondere eines Lenksystems (14), umfassend zumindest einen in einem Leistungsstrompfad (16) angeordneten Verpolschutzschalter (18), zumindest eine elektrisch mit einem Steueranschluss (20) des Verpolschutzschalters (18) verbundene Treiberschaltung (22) zur Bereitstellung einer Steuerspannung (U_GS) für den Verpolschutzschalter (18) und zumindest eine Schutzschaltung (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutzschalter (18) dazu vorgesehen ist, eine in einer Verpolungssituation auftretende Leistung zu wenigstens einem Großteil aufzunehmen, und die Schutzschaltung (24) dazu vorgesehen ist, in der Verpolungssituation die Steuerspannung (U_GS) derart anzupassen, dass eine über dem Verpolschutzschalter (18) abfallende Spannung (U_DS) begrenzt wird und der Verpolschutzschalter (18) in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Lenksystem, mit einer solchen Ansteuervorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Ansteuervorrichtungen zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine, beispielsweise in Form eines Servomotors eines Lenksystems, bekannt, wobei zum Schutz einer nachgelagerten Schaltung bei einer Verpolung einer Versorgungsspannung ein Verpolschutzschalter verwendet wird, mittels welchem in einer derartigen Verpolungssituation ein Leistungsstrompfad unterbrochen werden kann.
Ein besonders kritischer Fall ist insbesondere gegeben, wenn zum Zeitpunkt der Verpolung der Verpolschutzschalter geschlossen ist und ein hoher Strom durch den Verpolschutzschalter fließt. Wird der Leistungsstrompfad in diesem Fall durch den Verpolschutzschalter abrupt unterbrochen, so kann dies aufgrund induzierter Spannungen, beispielsweise ausgehend von Leitungsinduktivitäten, parasitärer Induktivitäten und/oder verwendeten EMV-Filterinduktivitäten, zu einer sehr hohen, über dem Verpolschutzschalter abfallenden Spannung führen, wodurch der Verpolschutzschalter zerstört oder zumindest geschädigt werden kann.
Zur Verhinderung derartiger Situationen ist die Verwendung von Schutzschaltungen bekannt, welche zusätzliche Schutzbauteile, beispielsweise in Form zusätzlicher Schalter oder Snubber-Schaltungen, umfassen und welche eine in einer Verpolungssituation auftretende Leistung, insbesondere infolge eines in der Verpolungssituation auftretenden Stroms, zu wenigstens einem Großteil aufnehmen und abbauen. Hierdurch tritt fast die gesamte Verlustleistung an den Schutzbauteilen und nicht am Verpolschutzschalter auf, wodurch eine Zerstörung des Verpolschutzschalters in einer Verpolungssituation verhindert werden kann. Eine entsprechende Schutzschaltung in Form einer Klemmschaltung ist beispielsweise aus der US 2007/0268048 A1 bekannt. Eine derartige Schutzschaltung erfordert jedoch relativ teure und große Schutzbauteile, welche für die hohen Verlustleistungen ausgelegt sein müssen, und muss zudem zum Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung direkt im bzw. am Leistungsstrompfad angeordnet werden.
Ferner sind in der DE 44 32 520 C1 , der US 5,142,433 A , der EP 0 495 142 B1 und der DE 10 2014 113 636 A1 entsprechende Ansteuerschaltungen mit Schutzschaltungen vorgeschlagen worden.
Ausgehend davon besteht die Aufgabe der Erfindung insbesondere darin eine Ansteuervorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine, insbesondere eines Fahrzeugs und vorteilhaft eines Lenksystems, umfassend zumindest einen in einem Leistungsstrompfad angeordneten Verpolschutzschalter, zumindest eine elektrisch mit einem Steueranschluss des Verpolschutzschalters verbundene Treiberschaltung zur Bereitstellung einer Steuerspannung für den Verpolschutzschalter und zumindest eine, insbesondere elektrisch mit dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters verbundene, Schutzschaltung.
Es wird vorgeschlagen, dass der Verpolschutzschalter dazu vorgesehen ist, eine in einer Verpolungssituation auftretende Leistung, insbesondere infolge eines in der Verpolungssituation auftretenden Stroms, zu wenigstens einem Großteil aufzunehmen und insbesondere abzubauen, und die Schutzschaltung dazu vorgesehen ist, in der Verpolungssituation die Steuerspannung derart anzupassen, dass eine über dem Verpolschutzschalter abfallende Spannung begrenzt wird und der Verpolschutzschalter, insbesondere beim Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung, in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird. Bei der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung handelt es sich dabei insbesondere um eine kurzzeitig und zu Beginn der Verpolungssituation auftretende Leistung, welche insbesondere durch eine Induktivität, wie beispielsweise eine Leitungsinduktivität, eine parasitäre Induktivität und/oder Filterinduktivität, getrieben und/oder bewirkt wird und insbesondere verschwindet, wenn ein Strom durch den Verpolschutzschalter vollständig abgebaut ist. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil“ sollen ferner insbesondere zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 75 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 %, verstanden werden. Besonders bevorzugt tritt dabei nahezu eine gesamte Verlustleistung an dem Verpolschutzschalter auf. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine Effizienz, insbesondere eine Bauraumeffizienz, eine Bauteileeffizienz, eine Leistungseffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden. Zudem kann vorteilhaft auf die Verwendung zusätzlicher Schutzbauteile zum Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung verzichtet werden, da eine Verlustleistung zu wenigstens einem Großteil am bereits vorhandenen und ohnehin für hohe Leistungen ausgelegten Verpolschutzschalter auftritt. Darüber hinaus kann die Schutzschaltung vorteilhaft in einem von dem Leistungsstrompfad abweichenden Steuerpfad der Ansteuervorrichtung angeordnet werden, wodurch die Schutzschaltung insbesondere aus vorteilhaft klein-dimensionierten und/oder kostengünstigen Bauelementen aufgebaut sein kann.
Unter einer „Ansteuervorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Schaltung und/oder eines Schaltkreises zur Ansteuerung der elektrischen Drehstrommaschine verstanden werden. Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung auch weitere Bauteile und/oder Baugruppen umfassen, wie beispielsweise wenigstens eine vorteilhaft als Fahrzeugbatterie ausgebildete Energieversorgung, wenigstens eine Leistungselektronik zur Versorgung der elektrischen Drehstrommaschine, den Leistungsstrompfad, welcher insbesondere die Energieversorgung und die Leistungselektronik elektrisch miteinander verbindet, wenigstens eine Zwischenkreiskapazität und/oder wenigstens eine, beispielsweise als Filterinduktivität und/oder Drossel ausgebildete, Induktivität. Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung auch die gesamte Schaltung und/oder den gesamten Schaltkreis zur Ansteuerung der elektrischen Drehstrommaschine umfassen. Ferner soll unter einem „Verpolschutzschalter“ insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, eine nachgelagerte Schaltung, insbesondere die Leistungselektronik, in einer Verpolungssituation zu schützen. Insbesondere weist der Verpolschutzschalter zumindest einen, insbesondere ansteuerbaren, Steueranschluss, vorteilhaft einen Basis-Anschluss und/oder einen Gate-Anschluss, zumindest einen, insbesondere schaltbaren, ersten Leistungsanschluss, vorteilhaft einen Emitter-Anschluss und/oder einen Source-Anschluss, und zumindest einen, insbesondere schaltbaren, zweiten Leistungsanschluss, insbesondere einen Kollektor-Anschluss und/oder einen Drain-Anschluss, auf. Zudem umfasst der Verpolschutzschalter bevorzugt wenigstens ein Schaltelement, vorteilhaft Halbleiterschaltelement, und vorzugsweise eine, insbesondere zu dem Schaltelement parallel geschaltete Diode, welche beispielsweise als Bodydiode ausgebildet sein kann. Vorteilhaft ist der Verpolschutzschalter dabei als Transistor und besonders vorteilhaft als MOSFET ausgebildet. Der Verpolschutzschalter umfasst dabei insbesondere einen sicheren Arbeitsbereich, welcher beispielsweise in einem sogenannten SOA- bzw. SOAR-Diagramm abgebildet und/oder definiert sein kann. Ferner ist ein Schaltzustand des Verpolschutzschalters insbesondere durch die Steuerspannung, insbesondere zwischen dem Steueranschluss und dem ersten Leistungsanschluss, steuerbar und entspricht besonders bevorzugt einer Gate-Source-Spannung. Unter einer „Verpolungssituation“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Situation verstanden werden, in welcher eine, insbesondere aktive, Verpolung einer Versorgungsspannung, insbesondere der Energieversorgung, erfolgt und/oder auftritt und sich die Ansteuervorrichtung und/oder die elektrische Drehstrommaschine insbesondere in einem aktiven Betriebszustand, in welchem insbesondere der Verpolschutzschalter geschlossen ist, und/oder in einem Bereitschaftsbetriebszustand, in welchem insbesondere der Verpolschutzschalter geschlossen ist und insbesondere keine Lenkaktivität stattfindet, befindet.
Des Weiteren soll unter einer „Treiberschaltung“ insbesondere eine Schaltung verstanden werden, welche wenigstens eine, insbesondere elektrisch und/oder elektronisch ausgebildete und insbesondere elektrisch mit dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters verbundene, Treibereinheit umfasst und dazu vorgesehen ist, die Steuerspannung für den Verpolschutzschalter bereitzustellen. Vorteilhaft ist der Treiberschaltkreis dazu schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters und dem ersten Leistungsanschluss des Verpolschutzschalters angeordnet. Ferner soll unter einer „Schutzschaltung“ insbesondere eine Schaltung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, in einer Verpolungssituation den Verpolschutzschalter zu schützen, insbesondere vor einer zu hohen, über dem Verpolschutzschalter abfallenden Spannung, und/oder zu unterstützen, insbesondere beim Abbau eines in der Verpolungssituation fließenden Stroms durch den Verpolschutzschalter und/oder einer Begrenzung der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung, insbesondere infolge des in der Verpolungssituation auftretenden Stroms. Besonders bevorzugt ist die Schutzschaltung dazu vorgesehen, in einer Verpolungssituation die Steuerspannung erst anzupassen, wenn die Zwischenkreiskapazität vollständig entladen ist. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung dazu vorgesehen ist, in der Verpolungssituation die Steuerspannung derart anzupassen, dass ein, insbesondere durch eine Induktivität, wie beispielsweise eine Leitungsinduktivität, eine parasitäre Induktivität und/oder Filterinduktivität, getriebener und/oder bewirkter, Strom durch den Verpolschutzschalter kontinuierlich und insbesondere kontrolliert über eine definierte Zeitspanne, vorteilhaft auf null, abgesenkt wird. Insbesondere wird somit ein Stromfluss durch den Verpolschutzschalter infolge der Verpolungssituation auf null reduziert und insbesondere auf null gehalten. Die Zeitspanne hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise einer Größe der Induktivität, einer Höhe des abzubauenden Stroms und/oder einer Spannung, mittels welcher der Strom abgebaut wird, und kann in einem beispielhaften Anwendungsfall zwischen 50 µs und 200 µs liegen. Hierdurch kann insbesondere ein besonders einfacher und/oder effizienter Abbau des in der Verpolungssituation auftretenden Stroms erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung dazu vorgesehen ist, die Steuerspannung in der Verpolungssituation zumindest zeitweise und vorteilhaft zumindest während der definierten Zeitspanne auf einem, insbesondere zeitlich variablen, Zwischenspannungswert zu halten, welcher niedriger als ein Spannungswert in einem Normalbetriebszustand und insbesondere höher als ein weiterer Spannungswert in einem abgeschalteten Zustand des Verpolschutzschalters ist. Vorteilhaft befindet sich der Verpolschutzschalter dabei im Normalbetriebszustand in seinem linearen Bereich und/oder Widerstandsbereich und in der Verpolungssituation zumindest kurzzeitig im Abschnürbereich und/oder Sättigungsbereich. Besonders bevorzugt befindet sich der Verpolschutzschalter zumindest während der definierten Zeitspanne im Abschnürbereich und/oder Sättigungsbereich. Hierdurch kann insbesondere eine vorteilhafte Ansteuerung des Verpolschutzschalters beim Abbau des in der Verpolungssituation auftretenden Stroms erreicht werden.
Die Schutzschaltung kann insbesondere schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters und dem zweiten Leistungsanschluss des Verpolschutzschalters, insbesondere dem Drain-Anschluss, angeordnet sein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters und einem Masseanschluss, insbesondere einer Fahrzeugmasse und/oder einem Chassis-Potential, angeordnet ist. Insbesondere ist die Schutzschaltung dabei einerseits elektrisch mit dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters und andererseits elektrisch mit dem Masseanschluss verbunden. Insbesondere ist die Schutzschaltung in diesem Fall frei von einer elektrischen Verbindung mit dem zweiten Leistungsanschluss des Verpolschutzschalters, insbesondere dem Drain-Anschluss. Hierdurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Schutzschaltung nur in einer Verpolungssituation wirkt und keinen Einfluss auf den Normalbetriebszustand hat.
Ferner könnte die Schutzschaltung wenigstens ein aktiv ansteuerbares Bauelement, wie beispielsweise eine integrierte Schaltung, umfassen. Eine besonders einfach aufgebaute Schutzschaltung und/oder eine vorteilhaft einfache Steuerung der Schutzschaltung kann jedoch insbesondere erreicht werden, wenn die Schutzschaltung passiv ausgebildet ist und insbesondere frei von aktiv steuerbaren Bauelementen ist. Insbesondere umfasst die Schutzschaltung in diesem Fall ausschließlich passive Bauelemente. Unter einem „passiven Objekt“ soll insbesondere ein Objekt verstanden werden, welches, insbesondere bei einem Betrieb und/oder in einem Betriebszustand, frei von einer aktiven Ansteuermöglichkeit ist. Ferner soll unter einem „aktiven Objekt“ insbesondere ein Objekt verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, aktiv gesteuert und/oder angesteuert zu werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung wenigstens ein Sperrelement, insbesondere einen Schalter oder vorteilhaft eine Diode, umfasst. Vorteilhaft ist das Sperrelement dazu vorgesehen, ein Abfließen eines Stroms vom Steueranschluss des Verpolschutzschalters in zumindest einem Betriebszustand, insbesondere in einer Normalpolungssituation und vorteilhaft einem Bereitschaftsbetriebszustand der Ansteuervorrichtung, zu verhindern. Unter einer „Normalpolungssituation“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Situation verstanden werden, in welcher eine für einen Betrieb der Ansteuervorrichtung und/oder der elektrischen Drehstrommaschine korrekte Polung einer Versorgungsspannung, insbesondere der Energieversorgung, vorliegt. Hierdurch kann insbesondere ein Stromfluss zum Steueranschluss vorteilhaft kontrolliert, insbesondere zugelassen oder verhindert, werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung wenigstens eine Z-Diode, insbesondere eine Zener-Diode und/oder eine Avalanche-Diode, umfasst. Vorteilhaft definiert die Z-Diode zumindest in der Verpolungssituation eine maximale Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter abfallende Spannung. Die maximale Begrenzungsspannung basiert insbesondere auf einer Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung der Z-Diode. Zudem weist die Z-Diode dabei insbesondere eine Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung auf, welche, insbesondere betragsmäßig, größer als eine Verpolungsspannung in einer Verpolungssituation ist, wodurch insbesondere sichergestellt werden kann, dass die Z-Diode in der Verpolungssituation nicht durchgängig leitend ist. Hierdurch kann insbesondere eine besonders einfache und/oder effiziente Begrenzung der über dem Verpolschutzschalter abfallenden Spannung erreicht werden.
Bevorzugt wird ferner vorgeschlagen, dass die Schutzschaltung wenigstens eine Kapazität, vorteilhaft einen Kondensator, umfasst. Vorteilhaft ist die Kapazität dazu vorgesehen, zumindest in der Verpolungssituation eine Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter abfallende Spannung kontinuierlich bis zu einer maximalen Begrenzungsspannung, vorteilhaft einer durch das SOA- bzw. SOAR-Diagramm des Verpolschutzschalters in Abhängigkeit des Stroms definierten maximalen Spannung und/oder der zumindest im Wesentlichen durch die Z-Diode definierten maximalen Begrenzungsspannung, zu erhöhen. Besonders vorteilhaft sind die Z-Diode und die Kapazität ferner parallel zueinander geschaltet, vorteilhaft derart, dass die Kapazität die Z-Diode zumindest zeitweise und bevorzugt zumindest zu Beginn der Verpolungssituation überbrückt. Hierdurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass der Verpolschutzschalter kontinuierlich in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird.
Eine vorteilhafte Reversibilität kann insbesondere erreicht werden, wenn die Schutzschaltung wenigstens einen Entladewiderstand umfasst. Vorteilhaft ist der Entladewiderstand parallel zu der Kapazität geschaltet und besonders bevorzugt dazu vorgesehen, in einer Normalpolungssituation eine Entladung der Kapazität zu bewirken.
Zudem wird ein Verfahren zur Ansteuerung zumindest eines in einem Leistungsstrompfad angeordneten Verpolschutzschalters, insbesondere der zuvor genannten Ansteuervorrichtung, vorgeschlagen, wobei eine in einer Verpolungssituation auftretende Leistung, insbesondere infolge eines in der Verpolungssituation auftretenden Stroms, zu wenigstens einem Großteil durch den Verpolschutzschalter aufgenommen und insbesondere abgebaut wird, und wobei in der Verpolungssituation eine durch eine Treiberschaltung bereitgestellte Steuerspannung für den Verpolschutzschalter, insbesondere mittels einer Schutzschaltung, derart angepasst wird, dass eine über dem Verpolschutzschalter abfallende Spannung begrenzt wird und der Verpolschutzschalter, insbesondere beim Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung, in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird. Hierdurch können insbesondere die bereits zuvor genannten Vorteile erreicht werden. Insbesondere kann dabei eine Effizienz, insbesondere eine Bauraumeffizienz, eine Bauteileeffizienz, eine Leistungseffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden.
Die Ansteuervorrichtung, das Fahrzeug und das Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die Ansteuervorrichtung, das Fahrzeug und das Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Aspekte der Erfindung. Der Fachmann wird diese Aspekte zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 ein beispielhaft als Kraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug mit einem schematisch angedeuteten Lenksystem, welches eine elektrische Drehstrommaschine und eine Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Drehstrommaschine umfasst, in einer Draufsicht,
2 die Ansteuervorrichtung in einer schematischen Detaildarstellung,
3 ein beispielhaftes Schaubild verschiedener in einer Verpolungssituation in der Ansteuervorrichtung auftretender Signale,
4 ein weiteres Schaubild eines SOA- bzw. SOAR-Diagramms, welches einen sicheren Arbeitsbereich eines Verpolschutzschalters der Ansteuervorrichtung abbildet und/oder definiert und
5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm mit Hauptverfahrensschritten eines Verfahrens zur Ansteuerung des Verpolschutzschalters.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein beispielhaft als Kraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 36 mit mehreren Fahrzeugrädern (nicht dargestellt) und mit einem Lenksystem 14 in einer vereinfachten Darstellung. Das Lenksystem14 weist eine Wirkverbindung mit den Fahrzeugrädern auf und ist zur Beeinflussung einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs 36 vorgesehen. Ferner ist das Lenksystem 14 beispielhaft als elektrisch unterstütztes Lenksystem ausgebildet und weist eine, im vorliegenden Fall insbesondere als permanenterregter Synchronmotor ausgebildete, elektrische Drehstrommaschine 12 zur Bereitstellung einer Lenkunterstützung sowie eine Ansteuervorrichtung 10 zur Ansteuerung der elektrischen Drehstrommaschine 12 auf (vgl. insbesondere 2). Grundsätzlich könnte eine elektrische Drehstrommaschine jedoch auch als ein von einem permanenterregten Synchronmotor abweichender Elektromotor ausgebildet sein. Zudem könnte eine elektrische Drehstrommaschine eines Lenksystems als Lenkmotor, wie beispielsweise bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem, und/oder als Pumpenmotor, wie beispielsweise bei einem Lenksystem mit einer hydraulischen Lenkunterstützung, ausgebildet sein. Darüber hinaus könnte eine elektrische Drehstrommaschine auch beispielsweise Teil eines Scheibenwischersystems, eines Anlassersystems, eines Fensterhebersystems und/oder eines Antriebssystems eines Fahrzeugs sein.
2 zeigt die Ansteuervorrichtung 10 in einer Detaildarstellung. Die Ansteuervorrichtung 10 umfasst eine Energieversorgung 38, eine an sich bekannte Leistungselektronik 40 zur Versorgung der elektrischen Drehstrommaschine 12 sowie einen Leistungsstrompfad 16, welcher die Energieversorgung 38 und die Leistungselektronik 40 elektrisch miteinander verbindet und bevorzugt in einem Normalbetriebszustand einen Strom von mehr als hundert Ampere führen kann.
Die Energieversorgung 38 ist als Fahrzeugbatterie und/oder als Generator, wie beispielsweise als Lichtmaschine, ausgebildet. Ein erster Anschluss der Energieversorgung 38 ist elektrisch mit einem Masseanschluss 26 des Fahrzeugs 36 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Energieversorgung 38 ist elektrisch mit dem Leistungsstrompfad 16 verbunden und dient insbesondere zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung. Im vorliegenden Fall ist die Energieversorgung 38 dazu vorgesehen, eine Versorgungsspannung bereitzustellen, welche beispielsweise bei ca. +12 V liegen kann. Prinzipiell könnte eine Energieversorgung jedoch auch eine abweichende Versorgungsspannung bereitstellen.
Die Leistungselektronik 40 ist als Endstufe ausgebildet und umfasst mehrere Halbbrücken (nicht dargestellt), wobei jeder Phase der elektrischen Drehstrommaschine 12 eine der Halbbrücken zugeordnet ist. Ein erster Anschluss der Leistungselektronik 40 ist elektrisch mit dem Masseanschluss 26 des Fahrzeugs 36 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Leistungselektronik 40 ist elektrisch mit dem Leistungsstrompfad 16 verbunden und dient insbesondere zur Aufnahme der Versorgungsspannung. Ein dritter Anschluss der Leistungselektronik 40 ist elektrisch mit der elektrischen Drehstrommaschine 12 verbunden und dient insbesondere zur Versorgung der elektrischen Drehstrommaschine 12.
Des Weiteren weist die Ansteuervorrichtung 10 eine Zwischenkreiskapazität 42 auf, welche zur Kopplung der Energieversorgung 38 und der Leistungselektronik 40 vorgesehen ist und insbesondere einen zum Betrieb der elektrischen Drehstrommaschine 12 benötigten Wechselstromanteil liefert. Ein erster Anschluss der Zwischenkreiskapazität 42 ist elektrisch mit dem Masseanschluss 26 des Fahrzeugs 36 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Zwischenkreiskapazität 42 ist elektrisch mit dem Leistungsstrompfad 16 und/oder dem zweiten Anschluss der Leistungselektronik 40 verbunden. Die Zwischenkreiskapazität 42 ist dabei parallel zu der Leistungselektronik 40 geschaltet.
Ferner kann die Ansteuervorrichtung 10 weitere, insbesondere in dem Leistungsstrompfad 16 angeordnete, Bauelemente umfassen, wie beispielsweise eine, insbesondere als Drossel ausgebildete, Induktivität 44. Prinzipiell ist jedoch auch denkbar, auf eine derartige Induktivität zu verzichten.
Darüber hinaus umfasst die Ansteuervorrichtung 10 einen Verpolschutzschalter 18. Der Verpolschutzschalter 18 ist im Leistungsstrompfad 16 angeordnet. Der Verpolschutzschalter 18 ist im vorliegenden Fall als MOSFET, insbesondere als Leistungs-MOSFET, ausgebildet. Der Verpolschutzschalter 18 ist dabei beispielhaft als selbstsperrender n-Kanal MOSFET ausgebildet. Der Verpolschutzschalter 18 umfasst einen, insbesondere als Gate ausgebildeten, Steueranschluss 20, einen, insbesondere als Source ausgebildeten, ersten Leistungsanschluss 46 und einen, insbesondere als Drain ausgebildeten, zweiten Leistungsanschluss 48. Der erste Leistungsanschluss 46 ist elektrisch mit der Induktivität 44 und/oder dem zweiten Anschluss der Energieversorgung 38 verbunden. Der zweite Leistungsanschluss 48 ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Leistungselektronik 40 verbunden. Zudem ist der zweite Leistungsanschluss 48 elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität 42 verbunden. Des Weiteren umfasst der Verpolschutzschalter 18 eine Bodydiode 50. Die Bodydiode 50 ist derart ausgerichtet, dass ein Anodenanschluss der Bodydiode 50 in Richtung der Energieversorgung 38 und ein Kathodenanschluss der Bodydiode 50 in Richtung der Leistungselektronik 40 und/oder der Zwischenkreiskapazität 42 ausgerichtet ist. Der Verpolschutzschalter 18 weist ferner eine maximale Sperrspannung zwischen 20 V und 100 V und im vorliegenden Fall beispielhaft von höchstens 40 V auf. Grundsätzlich könnte ein Verpolschutzschalter jedoch auch als p-Kanal MOSFET oder als von einem MOSFET abweichender Schalter, vorzugsweise Halbleiterschalter, ausgebildet sein. Zudem könnte ein Verpolschutzschalter grundsätzlich auch eine andere maximale Sperrspannung aufweisen.
Zur Ansteuerung des Verpolschutzschalters 18 umfasst die Ansteuervorrichtung 10 eine an sich bekannte Treiberschaltung 22. Die Treiberschaltung 22 ist schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss 20 und dem ersten Leistungsanschluss 46 angeordnet. Die Treiberschaltung 22 ist dazu vorgesehen, eine Steuerspannung U_GS für den Verpolschutzschalter 18 bereitzustellen. Dazu umfasst die Treiberschaltung 22 eine weitere Energieversorgung 52, eine Treibereinheit 54 und einen Steuerwiderstand 56.
Die weitere Energieversorgung 52 ist als zusätzliche Spannungsquelle, wie beispielsweise als Ladungspumpe oder als Schaltregler, ausgebildet. Ein erster Anschluss der weiteren Energieversorgung 52 ist elektrisch mit dem Leistungsstrompfad 16 und insbesondere dem ersten Leistungsanschluss 46 verbunden. Ein zweiter Anschluss der weiteren Energieversorgung 52 ist elektrisch mit der Treibereinheit 54 verbunden und dient insbesondere zur Versorgung der Treibereinheit 54 mit elektrischer Energie. Im vorliegenden Fall ist die weitere Energieversorgung 52 beispielhaft dazu vorgesehen, eine weitere Versorgungsspannung bereitzustellen, welche beispielsweise bei ca. +12 V liegen kann. Prinzipiell könnte eine weitere Energieversorgung jedoch auch eine von +12 V abweichende weitere Versorgungsspannung bereitstellen.
Die Treibereinheit 54 ist als Gate-Treiber ausgebildet. Die Treibereinheit 54 ist ferner als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Ein erster Anschluss der Treibereinheit 54 ist als Versorgungsanschluss ausgebildet und elektrisch mit dem Leistungsstrompfad 16 und insbesondere dem ersten Leistungsanschluss 46 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Treibereinheit 54 ist als Versorgungsanschluss ausgebildet und elektrisch mit der weiteren Energieversorgung 52, insbesondere dem zweiten Anschluss der weiteren Energieversorgung 52 verbunden. Ein dritter Anschluss der Treibereinheit 54 ist als Signalausgang ausgebildet und über den Steuerwiderstand 56 elektrisch mit dem Steueranschluss 20 verbunden. Die Treibereinheit 54 ist dazu vorgesehen, mittels des dritten Anschlusses ein Steuersignal auszugeben, welches durch den Steuerwiderstand 56 in die Steuerspannung U_GS für den Verpolschutzschalter 18 umgewandelt wird. Zudem ist die Treibereinheit 54 dazu vorgesehen, einen Schaltzustand des Verpolschutzschalters 18 insbesondere in Abhängigkeit der Steuerspannung U_GS zu halten und/oder zu ändern. Grundsätzlich ist auch denkbar, eine Treibereinheit als diskrete Schaltung aufzubauen. Zudem könnte eine Treiberschaltung prinzipiell auch schaltungstechnisch zwischen einem Steueranschluss und einem zweiten Leistungsanschluss oder Masseanschluss angeordnet sein.
In einer Verpolungssituation, wie beispielsweise während einer falsch durchgeführten Fremdstarthilfe, in welcher eine aktive Verpolung der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 erfolgt und sich die Ansteuervorrichtung 10 in einem Bereitschaftsbetriebszustand, in welchem insbesondere der Verpolschutzschalter geschlossen ist und insbesondere keine Lenkaktivität stattfindet, befindet, ist der Verpolschutzschalter 18 dazu vorgesehen, den Leistungsstrompfad 16 zu unterbrechen und eine in der Verpolungssituation auftretende Leistung, insbesondere infolge eines in der Verpolungssituation auftretenden Stroms, zu wenigstens einem Großteil aufzunehmen und abzubauen. Im vorliegenden Fall bewirkt die aktive Verpolung der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 einen, insbesondere durch eine Leitungsinduktivität, eine parasitäre Induktivität und/oder die Induktivität 44 getriebenen, Stromfluss in Richtung der Energieversorgung 38, welcher zu einer Entladung der Zwischenkreiskapazität 42 führt. Eine Unterbrechung des Leistungsstrompfads 16 mittels des Verpolschutzschalters 18 erfolgt dabei bevorzugt zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Zwischenkreiskapazität 42 vollständig entladen ist und eine Spannung über der Zwischenkreiskapazität 42 negativ zu werden droht. Hierdurch kann die Leistungselektronik 40 vor negativen Strömen infolge der über der Zwischenkreiskapazität 42 abfallenden, negativen Spannung geschützt werden und gleichzeitig kann auf zusätzliche Schutzbauteile zum Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung verzichtet werden.
Da in einer derartigen Verpolungssituation mit einer abrupten Unterbrechung des Leistungsstrompfads 16 aufgrund induzierter Spannungen, beispielsweise ausgehend von Leitungsinduktivitäten, parasitärer Induktivitäten und/oder der Induktivität 44, jedoch sehr hohe Spannungen über dem Verpolschutzschalter 18 entstehen können, welche insbesondere dazu geeignet sind, den Verpolschutzschalter 18 zu zerstören und/oder zu schädigen, umfasst die Ansteuervorrichtung 10 im vorliegenden Fall ferner eine Schutzschaltung 24.
Die Schutzschaltung 24 ist schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss 20 und dem Masseanschluss 26 des Fahrzeugs 36 angeordnet. Ein erster Anschluss der Schutzschaltung 24 ist dabei elektrisch mit dem Masseanschluss 26 des Fahrzeugs 36 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Schutzschaltung 24 ist elektrisch mit dem Steueranschluss 20 verbunden. Zudem ist der zweite Anschluss der Schutzschaltung 24 über den Steuerwiderstand 56 elektrisch mit dem dritten Anschluss der Treibereinheit 54 verbunden. Die Schutzschaltung 24 ist folglich in einem von dem Leistungsstrompfad 16 abweichenden Steuerpfad der Ansteuervorrichtung 10 angeordnet. Zudem ist die Schutzschaltung 24 passiv ausgebildet und insbesondere frei von aktiv steuerbaren Bauelementen. Die Schutzschaltung 24 umfasst folglich ausschließlich passive Bauelemente. Alternativ könnte ein erster Anschluss einer Schutzschaltung jedoch auch elektrisch mit einem zweiten Leistungsanschluss eines Verpolschutzschalters, insbesondere einem Drain-Anschluss, verbunden sein.
Die Schutzschaltung 24 ist dazu vorgesehen, in der Verpolungssituation die Steuerspannung U_GS derart anzupassen, dass eine über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS begrenzt wird und der Verpolschutzschalter 18 beim Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung in seinem sicheren Arbeitsbereich, welcher beispielsweise in einem sogenannten SOA- bzw. SOAR-Diagramm abgebildet und/oder definiert sein kann, gehalten wird. Im vorliegenden Fall ist die Schutzschaltung 24 dazu vorgesehen, in der Verpolungssituation die Steuerspannung U_GS erst anzupassen, wenn die Zwischenkreiskapazität 42 vollständig entladen ist. Zudem ist die Schutzschaltung 24 dazu vorgesehen, in der Verpolungssituation die Steuerspannung U_GS derart anzupassen, dass ein, insbesondere durch eine Leitungsinduktivität, eine parasitäre Induktivität und/oder die Induktivität 44 getriebener und/oder bewirkter, Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 kontinuierlich und kontrolliert über eine definierte Zeitspanne t_S auf null abgesenkt wird. Die Schutzschaltung 24 ist folglich dazu vorgesehen, den Verpolschutzschalter 18 langsam, insbesondere über die Zeitspanne ts, und nicht abrupt abzuschalten. Die Schutzschaltung 24 ist ferner dazu vorgesehen, die Steuerspannung U_GS in der Verpolungssituation zumindest zeitweise und insbesondere zumindest während der definierten Zeitspanne ts auf einem Zwischenspannungswert zu halten, welcher niedriger als ein Spannungswert im Normalbetriebszustand ist. Die Schutzschaltung 24 ist dabei derart ausgelegt, dass sich der Verpolschutzschalter 18 in der Verpolungssituation und insbesondere zumindest während der definierten Zeitspanne ts zumindest kurzzeitig im Abschnürbereich und/oder Sättigungsbereich befindet.
Dazu umfasst die Schutzschaltung 24 mehrere, insbesondere passiv ausgebildete, Bauelemente. Im vorliegenden Fall umfasst die Schutzschaltung 24 ein, insbesondere als Diode ausgebildetes, Sperrelement 28. Das Sperrelement 28 ist derart ausgerichtet, dass ein Anodenanschluss des Sperrelements 28 in Richtung des Masseanschlusses 26 und ein Kathodenanschluss des Sperrelements 28 in Richtung des Steueranschlusses 20 ausgerichtet ist. Das Sperrelement 28 und insbesondere der Anodenanschluss des Sperrelements 28 ist dabei elektrisch mit dem ersten Anschluss der Schutzschaltung 24 verbunden. Das Sperrelement 28 ist dazu vorgesehen, ein Abfließen eines Stroms vom Steueranschluss 20 in zumindest einem Betriebszustand zu verhindern. Im vorliegenden Fall ist das Sperrelement 28 insbesondere dazu vorgesehen, ein Abfließen eines Ruhestroms vom Steueranschluss 20 zum Masseanschluss 26 im Bereitschaftsbetriebszustand der Ansteuervorrichtung 10 zu verhindern. Das Sperrelement 28 bewirkt, dass die Schutzschaltung 24 nur dann wirkt, wenn eine Spannung am Steueranschluss 20 gemessen gegen den Masseanschluss 26 kleiner als null ist bzw. wird.
Zudem umfasst die Schutzschaltung 24 eine, insbesondere als Zener-Diode oder Avalanche-Diode ausgebildete, Z-Diode 30. Die Z-Diode 30 ist in Reihe zu dem Sperrelement 28 geschaltet. Die Z-Diode 30 ist derart ausgerichtet, dass ein Kathodenanschluss der Z-Diode in Richtung des Sperrelements 28 und/oder des Masseanschlusses 26 und ein Anodenanschluss der Z-Diode 30 in Richtung des Steueranschlusses 20 ausgerichtet ist. Die Z-Diode 30 definiert zumindest in der Verpolungssituation eine maximale Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS . Die maximale Begrenzungsspannung basiert dabei auf einer Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung der Z-Diode 30. Die Z-Diode 30 weist eine Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung von über 14 V auf, sodass die Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung betragsmäßig größer als die Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 in der Verpolungssituation ist. Im vorliegenden Fall weist die Z-Diode 30 eine Durchbruchspannung und/oder Z-Spannung von 15 V auf. Die Z-Diode 30 bewirkt insbesondere, dass in einem Fall, in welchem die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS eine durch das SOA- bzw. SOAR-Diagramm des Verpolschutzschalters 18 in Abhängigkeit des Stroms definierte maximale Spannung übersteigen würde, der Verpolschutzschalter 18 durch Anhebung der Steuerspannung U_GS in seinen aktiven Bereich bzw. Abschnürbereich geschaltet wird, wodurch insbesondere die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS begrenzt wird.
Ferner weist die Schutzschaltung 24 eine, insbesondere als Kondensator ausgebildete, Kapazität 32 auf. Die Kapazität 32 ist in Reihe zu dem Sperrelement 28 geschaltet. Die Kapazität 32 ist ferner parallel zu der Z-Diode 30 geschaltet. Die Kapazität 32 ist dazu vorgesehen, zumindest in der Verpolungssituation eine Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS kontinuierlich bis zu der durch das SOA- bzw. SOAR-Diagramm des Verpolschutzschalters 18 in Abhängigkeit des Stroms definierte maximale Spannung und/oder einer zumindest im Wesentlichen durch die Z-Diode definierten maximalen Begrenzungsspannung zu erhöhen. Die Kapazität 32 bewirkt somit, dass eine Begrenzung zu Beginn der Abschaltung des Verpolschutzschalters 18 infolge einer Verpolungssituation bereits bei einer niedrigeren Begrenzungsspannung als der durch die Z-Diode 30 definierten maximalen Begrenzungsspannung erfolgt. Dieser langsame und insbesondere nicht abrupte Anstieg der Begrenzungsspannung sorgt dafür, dass der sichere Arbeitsbereich des Verpolschutzschalters 18 nicht verlassen wird.
Darüber hinaus umfasst die Schutzschaltung 24 einen Entladewiderstand 34. Der Entladewiderstand 34 ist hochohmig ausgebildet und weist einen Widerstandswert von mehreren kΩ, im vorliegenden Fall beispielhaft von etwa 100 kΩ, auf. Der Entladewiderstand 34 ist in Reihe zu dem Sperrelement 28 geschaltet. Der Entladewiderstand 34 ist ferner parallel zu der Z-Diode 30 geschaltet. Zudem ist der Entladewiderstand 34 parallel zu der Kapazität 32 geschaltet. Der Entladewiderstand 34 ist dazu vorgesehen, in einer Normalpolungssituation eine Entladung der Kapazität 32 zu bewirken.
Weiter umfasst die Schutzschaltung 24 einen Begrenzungswiderstand 58. Der Begrenzungswiderstand 58 ist in Reihe zu dem Sperrelement 28 geschaltet. Der Begrenzungswiderstand 58 ist ferner in Reihe zu der Z-Diode 30, der Kapazität 32 und/oder dem Entladewiderstand 34 geschaltet. Der Begrenzungswiderstand 58 ist dabei elektrisch mit dem Steueranschluss 20 verbunden. Der Begrenzungswiderstand 58 bewirkt eine Begrenzung eines Stroms durch die Schutzschaltung 24. Grundsätzlich kann auf einen Begrenzungswiderstand jedoch auch verzichtet werden.
3 zeigt ein beispielhaftes Schaubild verschiedener in einer Verpolungssituation auftretender Signale. Eine Ordinatenachse 60 ist als Größenachse ausgebildet. Auf einer Abszissenachse 62 ist eine Zeit dargestellt. Eine Kurve 64 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38. Eine Kurve 66 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung über der Zwischenkreiskapazität 42. Eine Kurve 68 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung am ersten Leistungsanschluss 46, im vorliegenden Fall insbesondere einer Source-Spannung, gemessen gegen den Masseanschluss 26. Eine Kurve 70 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Stroms I_D durch den Verpolschutzschalter 18. Eine Kurve 72 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Steuerspannung U_GS , im vorliegenden Fall insbesondere einer Gate-Source-Spannung. Eine Kurve 74 zeigt einen zeitlichen Verlauf der über dem Verpolschutzschalter 18 abfallenden Spannung U_DS , im vorliegenden Fall insbesondere einer Drain-Source-Spannung.
Im vorliegenden Fall befindet sich die Ansteuervorrichtung 10 beispielhaft in einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in welchem insbesondere der Verpolschutzschalter geschlossen ist und insbesondere keine Lenkaktivität stattfindet. Dabei ist die Treiberschaltung 22 zunächst dazu vorgesehen, die Steuerspannung U_GS auf einem ersten Spannungswert zu halten, sodass der Verpolschutzschalter 18 geschlossen ist. Ferner befindet sich die Energieversorgung 38 in einer Normalpolungssituation und liefert zunächst eine positive Versorgungsspannung, im vorliegenden Fall insbesondere +12 V. Da sich die Ansteuervorrichtung 10 im Bereitschaftsbetriebsmodus befindet erfolgt in diesem Fall kein Stromfluss durch den Verpolschutzschalter 18.
Zu einem Zeitpunkt T₁ erfolgt eine aktive Verpolung der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38, beispielsweise während einer falsch durchgeführten Fremdstarthilfe. Hierdurch erfolgt ein Sprung in der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38, wodurch die Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 negativ wird, im vorliegenden Fall insbesondere -14 V. Die aktive Verpolung der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 bewirkt, wenn der Verpolschutzschalter 18 zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, durch eine Entladung der Zwischenkreiskapazität 42 einen zunehmenden Stromfluss in Richtung der Energieversorgung 38 und folglich einen zunehmenden Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18, welcher schließlich zu einer vollständigen Entladung der Zwischenkreiskapazität 42 führt. Insbesondere würde der Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 dabei ohne die Unterbrechung des Leistungsstrompfads 16 nicht auf null zurückgehen, sondern im Fall einer negativen über der Zwischenkreiskapazität 42 abfallenden Spannung ein dauerhaft hohes Stromniveau aufweisen, welches insbesondere dadurch bedingt ist, dass in diesem Fall Bodydioden in den Halbbrücken der Leistungselektronik 40 leitend werden.
Zu einem Zeitpunkt T₂, zu welchem die Zwischenkreiskapazität 42 vollständig entladen ist, bewirkt die Treibereinheit 54 eine Änderung der Steuerspannung U_GS insbesondere derart, dass der Verpolschutzschalter 18 abrupt abgeschaltet werden würde. Gleichzeitig wird jedoch die Schutzschaltung 24 aktiv, sodass ein, insbesondere durch die Zeitspanne ts definierter, Unterbrechungsvorgang zur Unterbrechung des Leistungsstrompfads 16 mittels des Verpolschutzschalters 18 startet. Die Schutzschaltung 24 verhindert dabei das abrupte Abschalten des Verpolschutzschalters 18, indem sie die Steuerspannung U_GS erhöht und im vorliegenden Fall insbesondere mittels eines durch den Steuerwiderstand 56 und den Begrenzungswiderstand 58 gebildeten Spannungsteilers die Steuerspannung U_GS in Abhängigkeit von dem Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 derart einstellt, dass die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS begrenzt wird. Ohne die Schutzschaltung 24 würde die Treibereinheit 54 hingegen zum Zeitpunkt T₂, zu welchem die Zwischenkreiskapazität 42 vollständig entladen ist, den Verpolschutzschalter 18 abrupt abschalten.
Die Schutzschaltung 24 bewirkt somit während der Zeitspanne ts eine Anpassung der Steuerspannung U_GS , wobei die über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS begrenzt wird und zwar zunächst mittels der Kapazität 32 und anschließend falls nötig mittels der Z-Diode 30, wodurch der Verpolschutzschalter 18 beim Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung, insbesondere infolge des in der Verpolungssituation auftretenden Stroms I_D durch den Verpolschutzschalter 18, in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird. Dabei ist die Schutzschaltung 24 dazu vorgesehen, die Steuerspannung U_GS zumindest während der definierten Zeitspanne t_S auf dem, insbesondere in Abhängigkeit des Stroms I_D durch den Verpolschutzschalter 18 abnehmenden, Zwischenspannungswert zu halten, welcher niedriger als der erste Spannungswert im Normalbetriebszustand ist. Hierdurch wird der Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 kontinuierlich und kontrolliert über die definierte Zeitspanne t_S auf null abgesenkt. Zudem fließt während der definierten Zeitspanne ts der Strom I_D zu wenigstens einem Großteil über die Bodydioden in den Halbbrücken der Leistungselektronik 40 und führt damit kurzfristig zu einer leicht negativen durch die Vorwärtsspannungen der Bodydioden in den Halbbrücken der Leistungselektronik 40 begrenzten Spannung an der Zwischenkreiskapazität 42 und an der Leistungselektronik 40. Die Zeitspanne ts beträgt zwischen 75 µs und 150 µs. Im vorliegenden Fall beträgt die Zeitspanne t_S etwa 100 µs.
Zu einem Zeitpunkt T₃, zu welchem der Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 auf null abgesenkt ist, ist der Unterbrechungsvorgang beendet, sodass der Leistungsstrompfad 16 vollständig unterbrochen ist, und der Verpolschutzschalter 18 wird vollständig abgeschaltet, insbesondere durch die Treibereinheit 54 und insbesondere aufgrund eines versiegten und/oder auf null zurückgegangenen Stromflusses durch die Schutzschaltung 24.
4 zeigt ein weiteres Schaubild eines SOA- bzw. SOAR-Diagramms, welches den sicheren Arbeitsbereich des Verpolschutzschalters 18 abbildet und/oder definiert. Auf einer weiteren Ordinatenachse 76 ist ein Stroms I_D durch den Verpolschutzschalter 18 in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Auf einer weiteren Abszissenachse 78 ist eine über dem Verpolschutzschalter 18 abfallenden Spannung U_DS , im vorliegenden Fall insbesondere eine Drain-Source-Spannung, in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Eine Begrenzungskurve 80 begrenzt den sicheren Arbeitsbereich des Verpolschutzschalters 18. Eine Kurve 82 zeigt einen Verlauf des Stroms I_D durch den Verpolschutzschalter 18 in Abhängigkeit einer über dem Verpolschutzschalter 18 abfallenden Spannung U_DS für die in 3 dargestellte Verpolungssituation. Eine Kurve 84 zeigt einen der Kurve 82 entsprechenden Verlauf für eine Ansteuervorrichtung ohne Schutzschaltung.
Ein Vergleich der Kurve 82 mit der Kurve 84 zeigt, dass der Verpolschutzschalter 18 durch die Schutzschaltung 24 zu jedem der Zeitpunkte T₁, T₂ und T₃ innerhalb seines sicheren Arbeitsbereichs gehalten werden kann.
5 zeigt abschließend ein beispielhaftes Ablaufdiagramm mit Hauptverfahrensschritten eines Verfahrens zur Ansteuerung des Verpolschutzschalters 18.
Ein Verfahrensschritt 86 entspricht einem Normalbetriebszustand, in welchem sich die Ansteuervorrichtung 10 beispielhaft in dem Bereitschaftsbetriebsmodus befindet.
In einem Verfahrensschritt 88 erfolgt eine aktive Verpolung der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38, wodurch ein Sprung in der Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 auftritt und die Versorgungsspannung der Energieversorgung 38 negativ wird.
Ein Verfahrensschritt 90 entspricht einer Verpolungssituation. Dabei wird eine in der Verpolungssituation auftretende Leistung, insbesondere infolge eines in der Verpolungssituation auftretenden Stroms I_D , zu wenigstens einem Großteil durch den in dem Leistungsstrompfad 16 angeordneten Verpolschutzschalter 18 aufgenommen und abgebaut. Gleichzeitig wird mittels der Schutzschaltung 24 die durch die Treiberschaltung 22 bereitgestellte Steuerspannung U_GS für den Verpolschutzschalter 18 derart angepasst, dass eine über dem Verpolschutzschalter 18 abfallende Spannung U_DS begrenzt wird und der Verpolschutzschalter 18 beim Abbau der in der Verpolungssituation auftretenden Leistung in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird. Hierdurch wird der Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 kontinuierlich und kontrolliert auf null abgesenkt. Anschließend folgt ein statischer Endzustand, in welchem der Strom I_D durch den Verpolschutzschalter 18 sowie die Spannung über der Zwischenkreiskapazität 42 null sind, die Verpolungssituation jedoch weiterhin vorhanden ist und/oder sein kann.
Das beispielhafte Ablaufdiagramm in 5 soll dabei insbesondere lediglich beispielhaft ein Verfahren zur Ansteuerung des Verpolschutzschalters 18 beschreiben. Insbesondere können einzelne Verfahrensschritte auch variieren. Ferner könnten optionale weitere Verfahrensschritte hinzukommen.

Claims

Ansteuervorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Drehstrommaschine (12), insbesondere eines Lenksystems (14), umfassend zumindest einen in einem Leistungsstrompfad (16) angeordneten Verpolschutzschalter (18), zumindest eine elektrisch mit einem Steueranschluss (20) des Verpolschutzschalters (18) verbundene Treiberschaltung (22) zur Bereitstellung einer Steuerspannung (U_GS) für den Verpolschutzschalter (18) und zumindest eine Schutzschaltung (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutzschalter (18) dazu vorgesehen ist, eine in einer Verpolungssituation auftretende Leistung zu wenigstens einem Großteil aufzunehmen, und die Schutzschaltung (24) dazu vorgesehen ist, in der Verpolungssituation die Steuerspannung (U_GS) derart anzupassen, dass eine über dem Verpolschutzschalter (18) abfallende Spannung (U_DS) begrenzt wird und der Verpolschutzschalter (18) in seinem sicheren Arbeitsbereich gehalten wird.
Ansteuervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) dazu vorgesehen ist, in der Verpolungssituation die Steuerspannung (U_GS) derart anzupassen, dass ein Strom (I_D) durch den Verpolschutzschalter (18) kontinuierlich über eine definierte Zeitspanne (ts) abgesenkt wird.
Ansteuervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) dazu vorgesehen ist, die Steuerspannung (U_GS) in der Verpolungssituation zumindest zeitweise auf einem Zwischenspannungswert zu halten, welcher niedriger als ein Spannungswert in einem Normalbetriebszustand ist.
Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) schaltungstechnisch zwischen dem Steueranschluss (20) des Verpolschutzschalters (18) und einem Masseanschluss (26) angeordnet ist.
Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) passiv ausgebildet ist und insbesondere frei von aktiv steuerbaren Bauelementen ist.
Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) wenigstens ein Sperrelement (28) umfasst, welches dazu vorgesehen ist, ein Abfließen eines Stroms vom Steueranschluss (20) des Verpolschutzschalters (18) in zumindest einem Betriebszustand zu verhindern.
Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) wenigstens eine Z-Diode (30) umfasst, welche zumindest in der Verpolungssituation eine maximale Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter (18) abfallende Spannung (U_DS) definiert.
Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) wenigstens eine Kapazität (32) umfasst, welche dazu vorgesehen ist, zumindest in der Verpolungssituation eine Begrenzungsspannung für die über dem Verpolschutzschalter (18) abfallende Spannung (U_DS) kontinuierlich bis zu einer maximalen Begrenzungsspannung zu erhöhen.
Ansteuervorrichtung (10) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Diode (30) und die Kapazität (32) parallel zueinander geschaltet sind.
Ansteuervorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (24) wenigstens einen Entladewiderstand (34) umfasst, welcher parallel zu der Kapazität (32) geschaltet ist und dazu vorgesehen ist, in einer Normalpolungssituation eine Entladung der Kapazität (32) zu bewirken.
Fahrzeug (36), insbesondere Lenksystem (14), mit zumindest einer elektrischen Drehstrommaschine (12) und mit zumindest einer Ansteuervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.