DE4117505A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des ausgangsstromes einer getakteten halbbrueckenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung, bei der wechselweise im Halbbrückenzweig befindliche Halbleiterschalter gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis einen Wechselstrom bzw. Gleichströme unterschiedlicher Flußrichtung bewir­ ken.

Halbbrückenschaltungen werden beispielsweise in der Antriebstechnik zum Ansteuern von Motoren, zum Beispiel für Schrittmotoren oder für Frequenzumrichter eingesetzt. Sie ermöglichen unter anderem ein Um­ schalten der Stromflußrichtung in den Motorwicklungen.

Dazu können die im Halbbrückenzweig eingesetzten Halb­ leiterschalter wechselweise gesperrt oder durchgeschal­ tet werden.

Häufig ist es erforderlich, z. B. für Regelungszwecke den Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung zu messen. Wegen der im Ausgangsstromkreis vorhandenen hohen Poten­ tialunterschiede ist diese Strommessung jedoch problema­ tisch und es genügt nicht, einen einfachen Meßwiderstand einzusetzen.

Es ist deshalb erforderlich, in die zwischen die Halb­ leiterschalter angeschlossene Ausgangsleitung einen Gleichstromwandler einzusetzen, der den Strom potential­ frei und galvanisch getrennt messen kann. Nachteilig ist jedoch, daß solche Gleichstromwandler vergleichsweise teuer sind, was sich bei Verwendung in Schrittmotor- Steuerungen durch die dort erforderliche Anzahl von Strom­ meßeinrichtungen besonders nachteilig auswirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kosten­ günstiges Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ausgangsstromes einer Halbbrückenschaltung zu schaffen, wobei ein Gleichstromwandler nicht mehr erforderlich ist. Dabei soll gegebenenfalls auch auf in der Brückenschaltung vorhandene Bauelemente zurückgegriffen werden können, so daß auch dadurch der Aufwand entsprechend reduziert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß zunächst in einem ersten Betriebszu­ stand eine Strommessung des durch einen Halbleiterschalter fließenden Stromes sowie eine Wechselstrommessung im Ausgangsstromkreis vorgenom­ men werden, daß die Meßwerte aus der Messung des durch den Halbleiter­ schalter fließenden Stromes und der Wechselstrommessung im Ausgangs­ kreis addiert und abgespeichert werden, daß anschließend der Wechsel­ strommeßwert vom gespeicherten Wert subtrahiert wird und die resultie­ rende Differenz in diesem ersten Betriebszustand das Meßergebnis lie­ fert und daß in einem zweiten Betriebszustand zu dem gemessenen Wech­ selstrommeßwert der zwischengespeicherte Wert, bestehend aus der Summe der am Ende des vorherigen ersten Betriebszustandes vorhandenen Werte aus der Messung des durch den Halbleiterschalter fließenden Stromes und der Wechselstrommessung im Ausgangskreis hinzuaddiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das nächste Meßergebnis bildet.

Bei dieser Messung erfolgt abhängig vom Betriebszustand, d. h. dem jeweils wechselnden Schaltzustand der Halbleiter, eine Wechselstrommessung im Ausgangskreis und eine Strom­ messung in einem Halbleiterzweig.

Für die Wechselstrommessung kann ein preisgünstiger Wech­ selstromwand der (Transformator) und für die Strommessung im Halbleiterschalter ein meist vorhandener Meßwiderstand (Shunt) verwendet werden. Die Meßwerte können auf einfache Weise so verarbeitet werden, daß ein gutes Abbild des tatsäch­ lichen Verlaufes des Ausgangsstromes vorhanden ist. Da­ bei ist der Kostenaufwand geringer als bei Verwendung eines Gleichstromwandlers.

Die Erfindung betrifft auch eine Meßvorrichtung zur Messung des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrücken­ schaltung mit wenigstens zwei im Halbbrückenzweig befind­ lichen und in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern, mit einem an deren Verbindungsknoten angeschlossenen Ausgang sowie mit einem im Halbleiterzweig befindlichen und ein­ seitig an einen Versorgungsspannungspotential ange­ schlossenen Strommeßshunt. Diese Vorrichtung ist insbe­ sondere dadurch gekennzeichnet, daß in den Ausgangsstrom­ zweig ein Wechselstromwandler geschaltet ist, daß dieser sowie der Strommeßshunt an ein erstes Summierglied und dessen Ausgang an einen Zwischenspeicher angeschlossen sind, daß nach dem Zwischenspeicher ein zweites Summier­ glied angeschlossen ist, dessen weiterer Eingang mit dem Wechselstromschalter verbunden ist und daß der Ausgang des zweiten Summiergliedes den Meßausgang bildet. Dadurch ist, wie bereits in Verbindung mit dem zugehörigen Meßverfahren beschrieben, der Aufwand für die Ausgangs­ strommessung verringert und trotzdem kann die Meßgenauig­ keit zumindest beibehalten werden.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Er­ findung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild und

Fig. 2 einander zugeordnete Diagramme von in der Schal­ tung nach Fig. 1 auftretenden Strömen.

Fig. 1 zeigt eine Strommeßvorrichtung 1, mit der der Aus­ gangsstrom einer getakteten Halbbrückenschaltung 2 ge­ messen werden kann.

Die Halbbrückenschaltung 2 weist zwei Halbleiterschalter 3 und 4 auf, die bezüglich ihrer stromführenden Anschlüsse in Reihe geschaltet sind. Im vorliegenden Falle sind als Halbleiterschalter Feldeffekttransistoren vorgesehen. Diese weisen einen Drain-Anschluß D sowie einen Source- Anschluß S und zur Ansteuerung einen Gate-Anschluß G auf. Der Source-Anschluß S des Halbleiters 3 ist mit dem Drain- Anschluß des Halbleiterschalters 4 verbunden und es ist daran der Ausgangsstromkreis 5 angeschlossen. Der Drain- Anschluß D des Halbleiterschalters 3 ist an Plus der Ver­ sorgungsspannung und der Source-Anschluß des Halbleiter­ schalters 4 ist über einen Meßshunt 6 an Minus bzw. Ground (Gnd) angeschlossen.

Über die Gate-Anschlüsse G können die Halbleiterschalter 3 und 4 im Gegentakt wechselweise angesteuert und damit durchgeschaltet oder gesperrt werden.

Die erfindungsgemäße Strommeßvorrichtung umfaßt im wesent­ lichen einen Wechselstromwandler 7, den Meßshunt 6 zur Messung des Stromes im Halbleiterschalter 4, zwei Summierglieder 8 und 9 sowie ei­ nen schaltbaren Zwischenspeicher 10.

An das erste Summierglied 8 ist der Meßausgang 11 des Wechselstromwandlers 7 und auch der Meßausgang 12 des Meßshuntes 6 angeschlossen.

An das zweite Summierglied 9 ist der Zwischenspeicher 10 mit seinem Ausgang 13 und auch der Meßausgang 11 des Wechselstromwandlers angeschlossen.

Fig. 2 zeigt einander zeitlich zugeordnete Diagramme. In der obersten Zeile ist dabei das Ansteuersignal für die beiden Halbleiterschalter gezeigt. Strichliniert ist die Zeitachse in unterschiedliche Abschnitte a bis f aufge­ teilt. In dem Zeitabschnitt a bis b, c bis d und e bis f ist jeweils dem Halbleiterschalter 3 leitend und ent­ sprechend der Halbleiterschalter 4 gesperrt. Umgekehrt ist in den Zeitabschnitten b bis c und d bis e jeweils der Halbleiterschalter 4 leitend und der Halbleiterschalter 3 gesperrt. Entsprechend diesem Schaltwechsel würde sich der in der zweiten Diagrammzeile gezeigte Stromverlauf im Ausgangsstromkreis 5 ergeben. Um diesen Ausgangsstrom mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strommeßvorrichtung 1 messen zu können, ist folgender Meßablauf vorgesehen: Ausgehend von dem Betriebszustand, wo der Halbleiterschal­ ter 4 leitend ist, ergibt sich dementsprechend im Meß­ shunt 6 ein Stromfluß und damit an seinen Anschlüssen eine proportionale Meßspannung, die dem ersten Summierglied 8 zugeführt und invertiert wird. Gleichzeitig wird dem Summierglied 8 über den Meßausgang 11 des Wechselstromwand­ lers 7 ein weiteres Meßsignal zugeführt, das ebenfalls in­ vertiert wird. Das Ausgangssignal, das sich aus den beiden zugeführten Meßwerten zusammensetzt, wird über die Leitung 14 und einem in diesem Betriebszustand geschlossenen Schal­ ter 15 einem durch einen Kondensator 16 angedeuteten Zwischenspeicher 10 zugeführt. Dieses Ausgangssignal des ersten Summiergliedes 8 gelangt aber auch an einen Eingang des zweiten Summiergliedes 9. Die Meßwerte werden bei dem Summierglied 9 den nichtinvertierenden Eingängen zugeführt.

Da der vom Wechselstromwandler 7 kommende Meßwert beim ersten Summierglied 8 subtrahiert und beim zweiten Summier­ glied 9 addiert wird, liefert dieser Meßwert keinen Bei­ trag zu dem am Meßausgang 18 anstehenden Meßwert. Somit ist der zwischen den Zeitabschnitten b und c sowie d und e gemessene Ausgangsmeßstrom gleich dem am Meßshunt 6 anstehenden Meßwert in invertierter Form.

Der Schalter 15 kann in einer realisierten Ausführungsform ein Feldeffekttransistor sein, der über eine Steuerver­ bindung 19 mit dem Gate des Halbleiterschalters 4 verbun­ den ist. Erwähnt sei hierbei, daß die Steuerverbindung 19 immer zu dem Halbleiterschalter führt, in dessen Strom­ zweig sich der Meßshunt 6 befindet. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel wird gegen Ground gemessen, so daß sich die in Fig. 1 erkennbare Schaltungsanordnung ergibt.

Ist der Halbleiterschalter 4 gesperrt und der Halbleiter­ schalter 3 leitend, ist dementsprechend auch der Schalter 15 offen. Der Zwischenspeicher 18 speichert den letzten Meßwert vor dem Öffnen des Schalters 15, der sich aus den Meßwerten des Wechselstromwandlers 7 und des Meßshuntes 6 zusammensetzt.

Der Meßwert aus dem Wechselstromwandler wird nun zu diesem zwischengespeicherten Wert addiert und es entsteht am Meß­ ausgang 18 auch in diesem Betriebszustand ein Abbild des zu messenden Stromes.

In der dritten Diagrammzeile der Fig. 2 ist der Verlauf des Stromflusses bzw. der dazu proportionalen Spannung am Meßshunt 6 gezeigt. Erkennbar ist dabei, daß nur dann ein Stromfluß vorhanden ist, wenn auch der Halbleiterschalter 4 leitend ist. Im anderen Betriebszustand, wo der Halb­ leiterschalter 3 leitet, fließt durch den Meßshunt 6 kein Strom.

Wie vorbeschrieben, bildet der Meßwert am Meßshunt 6 in der ersten Betriebsphase auch das am Meßausgang 18 an­ stehende Meßsignal. Da bei dem Summierglied 8 eine Inver­ tierung des Meßsignales erfolgt, ergibt sich das in der zweiten Diagrammzeile bzw. in der fünften Diagrammzeile der Fig. 2 gezeigte Abbild des Stromverlaufes in den Zeitabschnitten b-c und d-e.

Beim Umschalten der Halbleiterschalter 3 und 4 von der ersten in die zweite Betriebsphase, wo der Halbleiterschal­ ter 3 leitend ist, wird auch der Schalter 15 des Zwischen­ speichers 10 nicht mehr angesteuert und öffnet. Der vom Wechselstromwandler 7 kommende Meßwert ist deshalb nur bei dem Summierglied 9 wirksam und wird dort zu dem zwischen­ gespeicherten Wert hinzuaddiert. Wie im Vergleich zwischen der vierten und der fünften Diagrammzeile von Fig. 2 gut erkennbar, erfolgt somit eine Parallelverschiebung des Ausgangsmeßwertes des Wechselstromwandlers 7 um den zwischengespeicherten Wert.

Der Wechselstromwandler 7 ist so dimensioniert, daß er bei maximalem Ausgangsstrom noch nicht in Sättigung geht und auch bei maximaler "Aus"-Zeit des Halbleiterschalters 4 nicht gesättigt ist. Der bei der Messung verwendete Meßshunt 6 ist in den meisten Fällen als Kurzschlußschutz in solchen Halbbrückenschaltungen bereits vorhanden und kann für die vorliegende Strommessung mitverwendet werden, so daß da­ durch kein zusätzlicher Aufwand entsteht.

Der Zwischenspeicher 10 kann durch eine Sample- und Hold- Schaltung realisiert sein. Die Summierglieder 8 und 9 können durch übliche Analogsummierer mit einem Operations­ verstärker, mit einer ohmschen Rückkopplung und mehreren Eingangswiderständen realisiert sein.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Messen des Ausgangsstromes einer ge­ takteten Halbbrückenschaltung, bei der wechselweise im Halbbrückenzweig befindliche Halbleiterschalter im Gegentakt gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis einen Wechsel­ strom bewirken, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst in einem ersten Be­ triebszustand eine Strommessung des durch einen Halbleiterschalter fließenden Stromes sowie eine Wechselstrommessung im Ausgangsstromkreis vor­ genommen werden, daß die Meßwerte aus der Messung des durch den Halbleiterschalter fließenden Stromes und der Wechsel­ strommessung im Ausgangskreis addiert und abgespeichert werden, daß anschließend der Wechselstrommeßwert vom gespeicherten Wert subtrahiert wird und die resultierende Differenz in diesem ersten Betriebszustand das Meßergebnis liefert, und daß in einem zweiten Betriebszustand zu dem gemessenen Wechselstrommeßwert der zwischen­ gespeicherte Wert, bestehend aus der Summe der am Ende des vorhe­ rigen ersten Betriebszustandes vorhandenen Werte aus der Messung des durch den Halbleiterschalter fließenden Stromes und der Wech­ selstrommessung im Ausgangskreis hinzuaddiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das nächste Meßergebnis bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Summieren des Meßwertes des durch den Halbleiter­ schalter fließenden Stromes und des Wechselstrommeßwer­ tes vor dem Zwischenspeichern mit invertierten Vorzei­ chen vorgenommen wird.

3. Meßvorrichtung zur Messung des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung mit wenigstens zwei im Halbbrückenzweig befindlichen und in Reihe geschalte­ ten Halbleiterschaltern, mit einem an deren Verbin­ dungsknoten angeschlossenen Ausgang sowie mit einem im Halbleiterzweig befindlichen und einseitig an ein Versorgungsspannungspotential angeschlossenen Strommeßshunt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ausgangsstromzweig (5) ein Wechselstromwandler (7) geschaltet ist, daß dieser sowie der Strommeßshunt (6) an ein erstes Summierglied (8) und dessen Ausgang (14) an einen Zwischenspeicher (10) angeschlossen sind, daß nach dem Zwischenspeicher ein zweites Summierglied (9) angeschlossen ist, dessen weiterer Eingang mit dem Wechselstromwandler (7) verbunden ist und daß der Aus­ gang des zweiten Summiergliedes (9) den Meßausgang (18) bildet.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Summierglied (8) die Vorzeichen der zu­ geführten Meßwerte invertierende Eingänge aufweist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zwischenspeicher (10) eine Steuer­ verbindung (19) zu der Ansteuerung des Halbleiter­ schalters (4) aufweist, in dessen Stromzweig sich der Strommeßshunt (6) befindet.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (10) einen Halbleiterschalter sowie einen Kondensator (16) aufweist und insbesondere durch eine Sample- und Hold-Schaltung gebildet ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wechselstromwandler (7) durch einen entsprechend dem Ausgangsstrom dimensio­ nierten Transformator gebildet ist, dessen Primär­ seite in den Ausgangsstromzweig (5) der Halbbrücke (2) geschaltet ist und dessen Sekundärseite den Meß­ wechselstrom liefert.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß ein großes Windungszahlen­ verhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Wechselstromwandlers (7) vorgesehen ist und daß die Windungszahlen sich primär zu sekundär vorzugsweise etwa wie 1 : 800 verhalten.