WO2009024211A1 - Temperature evaluation circuit - Google Patents

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WO2009024211A1
WO2009024211A1 PCT/EP2008/005478 EP2008005478W WO2009024211A1 WO 2009024211 A1 WO2009024211 A1 WO 2009024211A1 EP 2008005478 W EP2008005478 W EP 2008005478W WO 2009024211 A1 WO2009024211 A1 WO 2009024211A1
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circuit
circuit arrangement
arrangement according
resonant circuit
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PCT/EP2008/005478
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Michael Nickel
Gerhard Bund
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • G01K2217/00—Temperature measurement using electric or magnetic components already present in the system to be measured

Definitions

  • the invention relates to the detection and transmission of the operating temperature of modules of the power electronics according to independent claim 1.
  • such semiconductor components are arranged on heat sinks, since they switch very high electrical currents. These currents are used, for example, in drive technology to act on the windings of servomotors in order to set them in rotation.
  • Servo motors are usually differentiated between a power unit, which usually comprises a DC intermediate circuit and switching modules as well as frequency converters, and a signal section which, in contrast to the power section, processes currents and voltages of low level.
  • the switch modules are usually designed so that the temperature sensor shares a common circuit board with circuit breakers, so that there is no safe separation between the temperature sensor and the circuit breakers, since the distances are too low in relation to the voltages occurring.
  • the built-in temperature sensor from the circuit breakers known in the prior art can therefore not be connected directly to the voltage-safe circuit with the control electronics in the signal part.
  • the object of the invention is now to provide an electrical
  • the object is achieved by means of an inventive electrical circuit arrangement with circuit breaker and integrated temperature sensor, wherein a modulator is included, which generates a modulated in accordance with a temperature change detected by a temperature sensor output signal.
  • a modulator is included, which generates a modulated in accordance with a temperature change detected by a temperature sensor output signal.
  • This solution has the advantage that additional temperature sensors on the cooling device, such as a heat sink, are no longer required, because now the already integrated in the switch or switch module temperature sensor can be used and its signals can also be transmitted potential-free, so that external sensors for Realization of a potential-free transmission unnecessary.
  • the temperature is detected directly in the interior of the switch and no longer indirectly via the heat sink, so that the temperature measured thereby corresponds to the actual conditions in the silicon of the switching element.
  • This procedure prevents erroneous measurements, for example, come about that the external temperature sensor is located at an unfavorable location of the cooling medium or fixed in the hot spot of the heat sink.
  • a resonant circuit is additionally included, wherein the temperature sensor of the switching module is a component of the resonant circuit and wherein the resonant circuit frequency in accordance with the temperature detected by the sensor Druckvorricht ⁇ ngstemperatur or switching module temperature is changeable.
  • the FM modulator cheaper than FM (Frequency Modulation) - Modulator feasible.
  • the FM modulator has the advantage that jitter errors in the PWM signal, which requires correspondingly fast and expensive transmission technology (eg special optocouplers), are irrelevant, since with the frequency-modulated signal only the distances between two successive pulses play a role, but not the pulse width as such. Accordingly, inexpensive transmission technique can be used, is placed on the lower requirements for the reaction rate. The advantage of this solution is therefore due to the
  • the electrical switching device preferably comprises a component for the potential-free transmission of electrical signals and evaluation electronics, wherein the resonant circuit frequency can be transmitted indirectly to the evaluation electronics by means of the component.
  • the term indirect means that the component converts the information relating to the resonant circuit frequency, for example, from an electrical signal into an optical signal, so that the actual information is transmitted by optical means.
  • transmission could take place by means of magnetic or electric fields, but in any case it must be ensured that the transmission takes place without potential, ie. H. that the power unit is decoupled from the signal processing part.
  • the temperature sensor is a temperature-dependent resistor, this may in particular be a so-called PTC (Positive Temperature Coefficient) or a so-called NTC (Negative Temperature Coefficient).
  • the resonant circuit is then designed as an RC resonant circuit, where R stands for an ohmic resistance and C for the capacitance.
  • the resonant circuit is realized in such a way that the resonant circuit capacitance can be charged or discharged by means of the temperature-dependent PTC or NTC resistor. This has the advantage that with few components, which are correspondingly inexpensive, a frequency-modulated transmission of the power semiconductor temperature is made possible.
  • the switch of the switching device is a power switch module comprising a plurality of IGBTs or a single IGBT.
  • the temperature sensor is either in the bathschalterg. IGBT module integrated, or realized within the individual IGBT.
  • a comparator is included which has the electrical potential occurring between the temperature-dependent resistor and the capacitance of the resonant circuit connected in series with the resistor compares a reference potential and causes the charging and discharging of the capacity according to this reference potential.
  • Comparators can be constructed inexpensively by means of discrete components or integrated circuits, as well as a reference voltage can be easily derived from the already existing for supplying the electrical switching device supply voltage, which is supplied to the comparator.
  • the switching pulses which cause the comparator to reload the resonant circuit, are preferably forwarded by means of an optoelectronic component to the evaluation.
  • This optoelectronic component may, for example, be a so-called optocoupler, which converts the switching pulses into light pulses by means of a light-emitting diode, which in turn are converted back into electrical signals by means of a photosensitive transistor, so that galvanic isolation can be realized via this light bridge.
  • the electrical circuit according to the invention is operated by means of a DC voltage intermediate circuit and a supply voltage, which is also used to drive the switch.
  • a DC voltage intermediate circuit and a supply voltage, which is also used to drive the switch.
  • the temperature monitoring can be integrated into an intermediate circuit without additional measures with respect to the supply voltage.
  • the electrical switching device according to the invention is integrated in a motor phase drive for an electric drive, alternatively or additionally, the electrical switching device according to the invention also Be part of a regenerative power module for electric drives.
  • the invention is in connection with the control of the brake of an electric drive.
  • a cost-effective measurement of the operating temperatures is possible by means of the invention.
  • the quality of measurement is improved in comparison with external temperature sensors, which are arranged for example on heat sinks, because the temperature is measured directly at the heat generating component (IGBT).
  • IGBT heat generating component
  • the comparator rectangular signals can be generated, which are so deformable that they are recognized as digital signals from the controller, so that neither analog components, nor analog-to-digital converters are required. All these advantages mean that the circuit according to the invention can be produced inexpensively with relatively little component complexity.
  • FIG. 1 shows an example of the electrical circuit arrangement according to the invention, which shows all aspects of the invention, but with expert modifications are possible, in particular with regard to the choice of components and the wiring of the components.
  • the example circuit shown in FIG. 1 comprises a so-called IGBT module 1, an NTC or PTC is integrated into this IGBT module. Ia, this NTC or PTC is arranged within the module so that it can optimally detect the temperature changes within the module during module operation , By means of two
  • the NTC or PTC is accessible from outside the module, so that it can be connected in existing circuits.
  • the first terminal of the NTC or PTC Ia is connected to a supply voltage Vs +
  • the second terminal of the NTC or PTC Ia is connected to a capacitor 2, which in turn is connected to the intermediate circuit voltage L-.
  • Vs + a supply voltage
  • L- intermediate circuit voltage
  • a supply current can thus flow via the NTC or PTC Ia to the capacitor 2 and charge it.
  • the connection point between NTC or PTC Ia and the capacity 2 is connected to a comparator input.
  • the task of the comparator 3 is to measure the voltage swing across the capacitor 2 and to compare it with the reference voltage Vref.
  • the comparator 3 causes a discharge of the capacitance 2, that is, the discharge current now flows in the opposite direction as in the charging process via the NTC or PTC Ia and the comparator 3 in the intermediate circuit L-.
  • the pull-up resistor 6 depending on whether the capacitor 2 is charged or discharged, a pulse train whose frequency is directly proportional to the frequency of the charging or discharging operation of the capacitor 2 is measured at the output 3a of the comparator. There is therefore a frequency-modulated signal at the comparator output.
  • This pulse train is fed to an optocoupler input and controls its infrared diode.
  • the infrared diode in turn generates pulses of light which are picked up by a photosensitive transistor and converted into a digital pulse train.
  • This logic is identified by reference numeral 5.
  • the output signal of the optocoupler is fed to an input of this logic.
  • the light path between the infrared diode and the photosensitive transistor of the opto-coupler is virtually the potential separation, so that the left part of the circuit, which is assigned to the power unit, is galvanically isolated from the right part of the circuit, which is assigned to the signal part. The signal part is thus protected from the high voltages that can occur in the power section, and which could destroy the high-sensitive components of the signal processing part.

Abstract

The object of the invention is to accomplish the sensing of the temperature of a power semiconductor in such a way that the actual temperature of the component is presented as precisely as possible and is transmitted as reliably as possible to an evaluation logic. The object is achieved by means of an electrical circuit arrangement, with a switch (1) and an integrated temperature sensor (1a) for sensing the temperature of the switch (1), wherein a modulator (1a, 2, 3), which generates a modulated output signal in accordance with a change in temperature determined by means of the temperature sensor (1a) is included. The advantage of the solution according to the invention is that an inexpensive and potential-free transmission of temperature changes is accomplished.

Description

320684 320684
23.08.2007 - Kauth23.08.2007 - Kauth
Robert Bosch GmbH, StuttgartRobert Bosch GmbH, Stuttgart
Schaltung zur TemperaturauswertungCircuit for temperature evaluation
Beschreibungdescription
Die Erfindung befasst sich mit der Erfassung und der Übertragung der Betriebstemperatur von Modulen der Leistungselektronik gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.The invention relates to the detection and transmission of the operating temperature of modules of the power electronics according to independent claim 1.
Aus dem Stand der Technik sind Leistungshalbleiterbauelemente mit integriertem Temperatursensor bekannt. So zeigt beispielsweise die SchriftPower semiconductor devices with integrated temperature sensor are known from the prior art. For example, the font shows
DE 4437794 Al ein solches Halbleiterbauelement. Bei diesem Bauelement wurde die Anordnung des Temperatursensors so gewählt, dass dessen Ansprechempfindlichkeit erhöht wird. Ebenso zeigt die Schrift DE 19720439 Al ein bipolares Halbleiterbauelement mit eingebautem Temperatursensor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.DE 4437794 Al such a semiconductor device. In this device, the arrangement of the temperature sensor has been chosen so that its responsiveness is increased. The document DE 19720439 A1 likewise shows a bipolar semiconductor component with built-in temperature sensor and a method for its production.
In der Regel sind derartige Halbleiterbauelemente an Kühlkörpern angeordnet, da diese sehr hohe elektrische Ströme schalten. Diese Ströme dienen beispielsweise in der Antriebstechnik zur Beaufschlagung der Wicklungen von Servomotoren, um diese in Rotation zu versetzen.As a rule, such semiconductor components are arranged on heat sinks, since they switch very high electrical currents. These currents are used, for example, in drive technology to act on the windings of servomotors in order to set them in rotation.
Für Überwachungszwecke ist es erforderlich, die Temperatur der Leistungsschalter im laufenden Betrieb fortwährend zu kontrollieren. Hierzu ist es möglich, entweder die Temperatur des Kühlkörpers mittels eines externen Temperatursensors zu erfassen, oder einen integrierten Temperatursensor des Halbleiterbauelementes oder eines Halbleitermoduls zu verwenden. Bei Ansteuerungen für Servomotoren wird in der Regel zwischen einem Leistungsteil, welches meist einen Gleichspannungszwischenkreis und Schaltmodule sowie Frequenzumrichter umfasst, und einem Signalteil, welches im Gegensatz zum Leistungsteil Ströme und Spannungen geringer Höhe verarbeitet, unterschieden.For monitoring purposes, it is necessary to continuously monitor the temperature of the circuit breakers during operation. For this purpose, it is possible either to detect the temperature of the heat sink by means of an external temperature sensor, or to use an integrated temperature sensor of the semiconductor component or of a semiconductor module. at Servo motors are usually differentiated between a power unit, which usually comprises a DC intermediate circuit and switching modules as well as frequency converters, and a signal section which, in contrast to the power section, processes currents and voltages of low level.
Da sich nun die Temperaturerfassung im Leistungsteil befindet, die Auswertung der Temperatur jedoch im Signalteil stattfindet, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, die Temperatur vom Leistungsteil zum Signalteil mittels einer sicheren Potenzialtrennung zu übertragen. Andernfalls könnten die hohen Spannungen von vier- bis achthundert Volt im Leistungsteil, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, die Bauelemente des Signalteiles zerstören. Die Schaltmodule sind in der Regel so konzipiert, dass der Temperatursensor sich mit Leistungsschaltern eine gemeinsame Platine teilt, so dass zwischen dem Temperatursensor und den Leistungsschaltern keine sichere Trennung vorherrscht, da die Abstände in Bezug auf die auftretenden Spannungen zu gering sind. Der eingebaute Temperatursensor aus den im Stand der Technik bekannten Leistungsschaltern kann daher nicht unmittelbar spannungssicher mit den Schaltkreisen der Steuerelektronik im Signalteil verbunden werden.Since the temperature detection is now in the power section, but the evaluation of the temperature takes place in the signal section, it is necessary for safety reasons to transfer the temperature from the power section to the signal section by means of a safe electrical isolation. Otherwise, the high voltages of four to eight hundred volts in the power section, for example in the case of a short circuit, could destroy the components of the signal section. The switch modules are usually designed so that the temperature sensor shares a common circuit board with circuit breakers, so that there is no safe separation between the temperature sensor and the circuit breakers, since the distances are too low in relation to the voltages occurring. The built-in temperature sensor from the circuit breakers known in the prior art can therefore not be connected directly to the voltage-safe circuit with the control electronics in the signal part.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine elektrischeThe object of the invention is now to provide an electrical
Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine sichere und potenzialgetrennte Übertragung der Temperatur eines Leistungsschalters mit integriertem Temperatursensor an eine Steuerelektronik möglich ist, so dass das Kühlsystem im Leistungsteil von der Steuerelektronik und vor Überspannungen geschützt, überwacht werden kann.To make available circuit arrangement, by means of which a safe and potential-separated transmission of the temperature of a circuit breaker with integrated temperature sensor to a control electronics is possible, so that the cooling system in the power unit of the control electronics and protected against overvoltages, can be monitored.
Die Aufgabe wird gelöst mittel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit Leistungsschalter und integriertem Temperatursensor, wobei ein Modulator umfasst ist, welcher ein nach Maßgabe einer mittels eines Temperatursensors ermittelten Temperaturänderung moduliertes Ausgangssignal erzeugt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass zusätzliche Temperatursensoren an der Kühlvorrichtung, beispielsweise einem Kühlkörper, nicht mehr erforderlich sind, weil nun der ohnehin im Schalter oder Schaltermodul integrierte Temperatursensor genutzt werden kann und dessen Signale auch potenzialfrei übertragen werden können, so dass sich externe Sensoren zur Realisierung einer potenzialfreien Übertragung erübrigen. Außerdem wird hierdurch die Temperatur unmittelbar im inneren des Schalters erfasst und nicht mehr mittelbar über den Kühlkörper, so dass die hierdurch gemessene Temperatur den tatsächlichen Gegebenheiten im Silizium des Schaltelementes entspricht.The object is achieved by means of an inventive electrical circuit arrangement with circuit breaker and integrated temperature sensor, wherein a modulator is included, which generates a modulated in accordance with a temperature change detected by a temperature sensor output signal. This solution has the advantage that additional temperature sensors on the cooling device, such as a heat sink, are no longer required, because now the already integrated in the switch or switch module temperature sensor can be used and its signals can also be transmitted potential-free, so that external sensors for Realization of a potential-free transmission unnecessary. In addition, as a result, the temperature is detected directly in the interior of the switch and no longer indirectly via the heat sink, so that the temperature measured thereby corresponds to the actual conditions in the silicon of the switching element.
Diese Vorgehensweise verhindert Fehlmessungen, die beispielsweise dadurch zustande kommen, dass der externe Temperatursensor an einer ungünstigen Stelle des Kühlmediums angeordnet oder im Hot-Spot des Kühlkörpers befestigt ist.This procedure prevents erroneous measurements, for example, come about that the external temperature sensor is located at an unfavorable location of the cooling medium or fixed in the hot spot of the heat sink.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich ein Schwingkreis umfasst, wobei der Temperatursensor des Schaltmoduls eine Komponente des Schwingkreises darstellt und wobei die Schwingkreisfrequenz nach Maßgabe der vom Temperatursensor erfassten Schaltvorrichtύngstemperatur bzw. Schaltmodultemperatur änderbar ist. Mittels des Schwingkreises ist derAdvantageously, a resonant circuit is additionally included, wherein the temperature sensor of the switching module is a component of the resonant circuit and wherein the resonant circuit frequency in accordance with the temperature detected by the sensor Schaltvorrichtύngstemperatur or switching module temperature is changeable. By means of the resonant circuit is the
Modulator preiswert als FM (Frequenzmodulation) - Modulator realisierbar. Der FM - Modulator hat gegenüber beispielsweise einem PWM (Pulsweitenmodulation) - Modulator den Vorteil, dass Jitterfehler im PWM — Signal, welche entsprechend schnelle und teure Übertragungstechnik (z.B. spezielle Optokoppler) erfordert, keine Rolle spielen, da beim frequenzmodulierten Signal nur die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen eine Rolle spielen, nicht aber die Impulsbreite als solche. Dementsprechend kann preiswerte Übertragungstechnik verwendet werden, an die geringere Anforderungen bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit gestellt wird. Vorteilhaft an dieser Lösung ist demnach die aufgrund desModulator cheaper than FM (Frequency Modulation) - Modulator feasible. Compared to, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) modulator, the FM modulator has the advantage that jitter errors in the PWM signal, which requires correspondingly fast and expensive transmission technology (eg special optocouplers), are irrelevant, since with the frequency-modulated signal only the distances between two successive pulses play a role, but not the pulse width as such. Accordingly, inexpensive transmission technique can be used, is placed on the lower requirements for the reaction rate. The advantage of this solution is therefore due to the
Schwingkreises einfach und preiswert realisierbare galvanische Trennung des Messsensors vom Steuerteil.Oscillating circuit simple and inexpensive realizable galvanic isolation of the Measuring sensor from the control section.
Vorzugsweise ist von der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtung ein Bauteil zur potenzialfreien Übertragung elektrischer Signale und eine Auswerteelektronik umfasst, wobei mittels des Bauteiles die Schwingkreisfrequenz mittelbar an die Auswerteelektronik übertragbar ist.The electrical switching device according to the invention preferably comprises a component for the potential-free transmission of electrical signals and evaluation electronics, wherein the resonant circuit frequency can be transmitted indirectly to the evaluation electronics by means of the component.
Unter dem Begriff mittelbar wird verstanden, dass das Bauteil die Information bezüglich der Schwingkreisfrequenz, beispielsweise von einem elektrischen Signal in ein optisches Signal wandelt, so dass die eigentliche Information auf optischem Wege übertragen wird. Ebenso könnte eine Übertragung mittels magnetischer oder elektrischer Felder erfolgen, in jedem Falle muss jedoch gewährleistet sein, dass die Übertragung potenzialfrei erfolgt, d. h. dass der Leistungsteil vom signalverarbeitenden Teil entkoppelt ist.The term indirect means that the component converts the information relating to the resonant circuit frequency, for example, from an electrical signal into an optical signal, so that the actual information is transmitted by optical means. Likewise, transmission could take place by means of magnetic or electric fields, but in any case it must be ensured that the transmission takes place without potential, ie. H. that the power unit is decoupled from the signal processing part.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Temperatursensor um einen temperaturabhängigen Widerstand, dies kann insbesondere ein sogenannter PTC (Positive Temperatur Coefficient) oder ein sogenannter NTC (Negative Temperatur Coefficient) sein. Der Schwingkreis wird dann als RC-Schwingkreis ausgebildet, wobei R für einen ohmschen Widerstand und C für die Kapazität steht. Der Schwingkreis ist derart realisiert, dass die Schwingkreiskapazität mittels des temperaturabhängigen PTC- oder NTC-Widerstandes aufladbar, bzw. entladbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit wenigen Bauelementen, die dementsprechend preisgünstig sind, eine frequenzmodulierte Übertragung der Leistungshalbleitertemperatur ermöglicht wird.Particularly preferably, the temperature sensor is a temperature-dependent resistor, this may in particular be a so-called PTC (Positive Temperature Coefficient) or a so-called NTC (Negative Temperature Coefficient). The resonant circuit is then designed as an RC resonant circuit, where R stands for an ohmic resistance and C for the capacitance. The resonant circuit is realized in such a way that the resonant circuit capacitance can be charged or discharged by means of the temperature-dependent PTC or NTC resistor. This has the advantage that with few components, which are correspondingly inexpensive, a frequency-modulated transmission of the power semiconductor temperature is made possible.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schalter der Schaltvorrichtung um ein Leistungsschaltermodul, welches mehrere IGBTs umfasst, oder um einen einzelnen IGBT. Der Temperatursensor ist entweder in das Leistungsschalterbzw. IGBT-Modul integriert, oder innerhalb des einzelnen IGBTs realisiert. Weiter ist ein Komparator umfasst, welcher das zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand und der seriell mit dem Widerstand verbundene Kapazität des Schwingkreises auftretende elektrische Potenzial mit einem Referenzpotenzial vergleicht und das Laden und Entladen der Kapazität nach Maßgabe dieses Referenzpotenzials bewirkt. Komparatoren können mittels diskreter Bauteile oder integrierter Schaltkreise preiswert aufgebaut werden, ebenso kann aus der ohnehin zur Versorgung der elektrischen Schaltvorrichtung vorhandenen Versorgungsspannung eine Referenzspsannung leicht abgeleitet werden, welche dem Komparator zugeführt wird.Preferably, the switch of the switching device is a power switch module comprising a plurality of IGBTs or a single IGBT. The temperature sensor is either in the Leistungsschalterbzw. IGBT module integrated, or realized within the individual IGBT. In addition, a comparator is included which has the electrical potential occurring between the temperature-dependent resistor and the capacitance of the resonant circuit connected in series with the resistor compares a reference potential and causes the charging and discharging of the capacity according to this reference potential. Comparators can be constructed inexpensively by means of discrete components or integrated circuits, as well as a reference voltage can be easily derived from the already existing for supplying the electrical switching device supply voltage, which is supplied to the comparator.
Es wäre auch denkbar einen integrierten Schaltkreis zu realisieren, welcher alle Komponenten des Schwingkreises inklusive des Komparators umfasst, wobei beispielsweise lediglich die Kapazität extern an diesem integrierten Schaltkreis anzuordnen wäre und dann im wesentlichen neben dem temperaturabhängigen Widerstand die charakteristischen Eigenschaften des Schwingkreises bestimmen würde.It would also be conceivable to realize an integrated circuit which comprises all components of the resonant circuit including the comparator, for example, only the capacitance would be externally to be arranged on this integrated circuit and then essentially determine the characteristic properties of the resonant circuit in addition to the temperature-dependent resistance.
Die Schaltimpulse, welche den Komparator dazu veranlassen den Schwingkreis umzuladen, werden vorzugsweise mittels eines optoelektronischen Bauteiles an die Auswerteelektronik weitergeleitet. Dieses optoelektronische Bauteil kann beispielsweise ein sogenannter Optokoppler sein, welcher die Schaltimpulse mittels einer lichtimmitierender Diode in Lichtimpulse wandelt, die wiederum mittels eines lichtempfindlichen Transistors in elektrische Signale zurückgewandelt werden, so dass über diese Lichtbrücke die galvanische Trennung realisiert werden kann.The switching pulses, which cause the comparator to reload the resonant circuit, are preferably forwarded by means of an optoelectronic component to the evaluation. This optoelectronic component may, for example, be a so-called optocoupler, which converts the switching pulses into light pulses by means of a light-emitting diode, which in turn are converted back into electrical signals by means of a photosensitive transistor, so that galvanic isolation can be realized via this light bridge.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße elektrische Schaltung mittels eines Gleichspannungszwischenkreises und einer Versorgungsspannung betrieben, welche auch zur Ansteuerung des Schalters verwendet wird. Somit kann die Temperaturüberwachung ohne zusätzliche Maßnahmen bezüglich der Versorgungsspannung in einen Zwischenkreis integriert werden.Preferably, the electrical circuit according to the invention is operated by means of a DC voltage intermediate circuit and a supply voltage, which is also used to drive the switch. Thus, the temperature monitoring can be integrated into an intermediate circuit without additional measures with respect to the supply voltage.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Schaltvorrichtung in einer Motorphasenansteuerung für einen elektrischen Antrieb integriert, alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße elektrische Schaltvorrichtung auch Teil eines Netzrückspeisemoduls für elektrische Antriebe sein. Ebenso eignet sich die Erfindung im Zusammenhang mit der Ansteuerung der Bremse eines elektrischen Antriebes. In allen genannten Fällen ist mittels der Erfindung eine kostengünstige Messung der Betriebstemperaturen möglich. Auch die Messgüte wird im Vergleich mit externen Temperatursensoren, welche beispielsweise an Kühlkörpern angeordnet sind, verbessert, weil die Temperatur unmittelbar am wärmeerzeugenden Bauteil (IGBT) gemessen wird. Durch die Verwendung des Komparators können Rechtecksignale erzeugt werden, welche derart umformbar sind, dass sie als Digitalsignale von der Steuerung erkannt werden, so dass weder analoge Bauteile, noch Analog-Digitalwandler erforderlich sind. All diese Vorteile führen dazu, dass die erfindungsgemäße Schaltung mit relativ geringem Bauteileaufwand preiswert herstellbar ist.Preferably, the electrical switching device according to the invention is integrated in a motor phase drive for an electric drive, alternatively or additionally, the electrical switching device according to the invention also Be part of a regenerative power module for electric drives. Likewise, the invention is in connection with the control of the brake of an electric drive. In all cases mentioned, a cost-effective measurement of the operating temperatures is possible by means of the invention. The quality of measurement is improved in comparison with external temperature sensors, which are arranged for example on heat sinks, because the temperature is measured directly at the heat generating component (IGBT). Through the use of the comparator rectangular signals can be generated, which are so deformable that they are recognized as digital signals from the controller, so that neither analog components, nor analog-to-digital converters are required. All these advantages mean that the circuit according to the invention can be produced inexpensively with relatively little component complexity.
Figur 1 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung, welche alle Aspekte der Erfindung zeigt, wobei jedoch fachmännische Abwandlungen möglich sind, insbesondere bezüglich der Wahl der Bauteile und der Beschaltung der Bauteile. Die in Figur 1 gezeigte Beispielschaltung umfasst ein sogenanntes IGBT-Modul 1, in dieses IGBT-Modul ist ein NTC oder PTC integriert Ia, dieser NTC bzw. PTC ist innerhalb des Moduls so angeordnet, dass er die modulinternen Temperaturänderungen während des Modulbetriebs optimal erfassen kann. Mittels zweierFigure 1 shows an example of the electrical circuit arrangement according to the invention, which shows all aspects of the invention, but with expert modifications are possible, in particular with regard to the choice of components and the wiring of the components. The example circuit shown in FIG. 1 comprises a so-called IGBT module 1, an NTC or PTC is integrated into this IGBT module. Ia, this NTC or PTC is arranged within the module so that it can optimally detect the temperature changes within the module during module operation , By means of two
Anschlussklemmen ist der NTC bzw. PTC von außerhalb des Moduls zugänglich, so dass er in vorhandene Schaltkreise angebunden werden kann. Die erste Klemme des NTC bzw. PTC Ia ist mit einer Versorgungsspannung Vs+ verbunden, die zweite Klemme des NTC bzw. PTC Ia ist mit einer Kapazität 2 verbunden, welche wiederum an die Zwischenkreisspannung L- angeschlossen ist. Mittels der Versorgüngsspannung Vs+ kann somit ein Versorgungsstrom über den NTC bzw. PTC Ia zur Kapazität 2 fließen und diese aufladen. Die Verbindungsstelle zwischen NTC bzw. PTC Ia und der Kapazität 2 ist an einen Komparatoreingang angeschlossen. Die Aufgabe des Komparators 3 ist es, den Spannungshub an der Kapazität 2 zu messen und mit der Referenzspannung Vref zu vergleichen. Erreicht die Spannung an der Kapazität 2 die Referenzspannung Vref, so bewirkt der Komparator 3 eine Entladung der Kapazität 2, das heißt der Entladestrom fließt nun in entgegengesetzter Richtung wie beim Ladevorgang über den NTC bzw. PTC Ia und den Komparator 3 in den Zwischenkreis L- ab. Mittels des Pullup- Widerstandes 6 kann je nachdem, ob die Kapazität 2 geladen oder entladen wird, am Ausgang 3a des Komparators eine Impulsfolge gemessen werden, deren Frequenz direkt proportional zur Frequenz des Lade- bzw. Entladevorgangs der Kapazität 2 ist. Es liegt daher ein frequenzmoduliertes Signal am Komparatorausgang vor.Terminals, the NTC or PTC is accessible from outside the module, so that it can be connected in existing circuits. The first terminal of the NTC or PTC Ia is connected to a supply voltage Vs +, the second terminal of the NTC or PTC Ia is connected to a capacitor 2, which in turn is connected to the intermediate circuit voltage L-. By means of the supply voltage Vs +, a supply current can thus flow via the NTC or PTC Ia to the capacitor 2 and charge it. The connection point between NTC or PTC Ia and the capacity 2 is connected to a comparator input. The task of the comparator 3 is to measure the voltage swing across the capacitor 2 and to compare it with the reference voltage Vref. If the voltage at the capacity 2 reaches the Reference voltage Vref, the comparator 3 causes a discharge of the capacitance 2, that is, the discharge current now flows in the opposite direction as in the charging process via the NTC or PTC Ia and the comparator 3 in the intermediate circuit L-. By means of the pull-up resistor 6, depending on whether the capacitor 2 is charged or discharged, a pulse train whose frequency is directly proportional to the frequency of the charging or discharging operation of the capacitor 2 is measured at the output 3a of the comparator. There is therefore a frequency-modulated signal at the comparator output.
Diese Impulsfolge wird einem Optokopplereingang zugeführt und steuert dessen Infrarotdiode an. Die Infrarotdiode wiederum erzeugt Lichtimpulse, welche von einem lichtempfindlichen Transistor aufgenommen werden und in eine digitale Impulsfolge umgewandelt werden. Es liegt nun ein digitales Signal am Optokopplerausgang vor, welches von einer Auswertelogik oder einer Steuerung verarbeitet werden kann. Diese Logik ist mit Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Das Ausgangssignal des Optokopplers wird einem Eingang dieser Logik zugeführt. Die Lichtstrecke zwischen Infrarotdiode und lichtempfindlichen Transistors des Optokopplers stellt quasi die Potenzialtrennung dar, so dass der linke Teil der Schaltung, welche dem Leistungsteil zugeordnet ist, von dem rechten Teil der Schaltung, welche dem Signalteil zugeordnet ist, galvanisch getrennt ist. Der Signalteil ist somit geschützt vor den hohen Spannungen, die im Leistungsteil auftreten können, und welche die hochempflindlichen Bauteile des signalverarbeitenden Teils zerstören könnten. This pulse train is fed to an optocoupler input and controls its infrared diode. The infrared diode in turn generates pulses of light which are picked up by a photosensitive transistor and converted into a digital pulse train. There is now a digital signal at the optocoupler output, which can be processed by an evaluation logic or a controller. This logic is identified by reference numeral 5. The output signal of the optocoupler is fed to an input of this logic. The light path between the infrared diode and the photosensitive transistor of the opto-coupler is virtually the potential separation, so that the left part of the circuit, which is assigned to the power unit, is galvanically isolated from the right part of the circuit, which is assigned to the signal part. The signal part is thus protected from the high voltages that can occur in the power section, and which could destroy the high-sensitive components of the signal processing part.

Claims

32068423.08.2007 - KauthRobert Bosch GmbH, StuttgartPatentansprüche 32068423.08.2007 - KauthRobert Bosch GmbH, StuttgartPatent claims
1. Elektrische Schaltungsanordnung umfassend ein Schaltmodul (1) mit integriertem Temperatursensor (Ia) zur Erfassung der Temperatur des1. Electrical circuit arrangement comprising a switching module (1) with integrated temperature sensor (Ia) for detecting the temperature of
Schaltmoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulator (Ia, 2, 3) umfasst ist, welcher ein nach Maßgabe einer mittels des Temperatursensors (Ia) ermittelten Temperaturänderung moduliertesSwitching module (1), characterized in that a modulator (Ia, 2, 3) is included, which modulated in accordance with a determined by means of the temperature sensor (Ia) temperature change
Ausgangssignal erzeugt.Output signal generated.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Modulator (la,2,3) mittels eines Schwingkreises (Ia, 2, 3) realisiert ist, wobei der Temperatursensor (Ia) des Schaltmoduls (1) eine Komponente (Ia) des Schwingkreises (la,2,3) bildet und wobei die Schwingkreisfrequenz nach2. The circuit arrangement according to claim 1, wherein the modulator (la, 2,3) by means of a resonant circuit (Ia, 2, 3) is realized, wherein the temperature sensor (Ia) of the switching module (1) a component (Ia) of the resonant circuit (la , 2,3) forms and wherein the resonant circuit frequency after
Maßgabe der vom Temperatursensor (Ia) erfassten Schaltmodultemperatur änderbar ist.The measure of the temperature sensor (Ia) detected switching module temperature is changeable.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Bauteil (4) zur potentialfreien Übertragung elektrischer Signale und eine Auswerteelektronik (5) umfasst ist, wobei mittel des Bauteils (4) die3. A circuit arrangement according to claim 1 or 2, wherein a component (4) for the potential-free transmission of electrical signals and an evaluation (5) is included, wherein means of the component (4) the
Schwingkreisfrequenz übertragbar ist.Resonant circuit frequency is transferable.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 3, wobei der Temperatursensor (Ia) ein temperaturabhängiger Widerstand R (Ia), insbesondere ein PTC oder NTC ist, und es sich bei dem Schwingkreis um einen RC - Schwingkreis handelt, dessen Kapazität C (2) mittels des temperaturabhängigen Widerstandes R (Ia) ladbar und entladbar ist. 4. The circuit arrangement according to one of the preceding claims 2 to 3, wherein the temperature sensor (Ia) is a temperature-dependent resistor R (Ia), in particular a PTC or NTC, and the resonant circuit is an RC resonant circuit whose capacitance C ( 2) can be charged and discharged by means of the temperature-dependent resistor R (Ia).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei das Schaltmodul (1) mehrere IGBTs oder einen einzelnen IGBT umfasst, wobei zusätzlich ein Komparator (3) umfasst ist, welcher das zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand R (Ia) und der seriell mit dem Widerstand (Ia) verbundenen Kapazität C (2) des Schwingkreises auftretende elektrische Potential mit einem Referehzpotential (Vref) vergleicht und das Laden und Entladen der Kapazität C (2) nach Maßgabe des Referenzpotentials (Vref) mittels des Komparatorausgangs bewirkt.5. Circuit arrangement according to claim 4, wherein the switching module (1) comprises a plurality of IGBTs or a single IGBT, wherein in addition a comparator (3) is included, which between the temperature-dependent resistor R (Ia) and the series with the resistor (Ia) Connected capacitor C (2) of the resonant circuit occurring electric potential with a Referehzpotential (Vref) compares and causes the charging and discharging of the capacitance C (2) in accordance with the reference potential (Vref) by means of the comparator output.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei mittel des Bauteils (4) die beim Laden und Entladen der Kapazität C (2) entstehenden Schaltimpulse am Komparatorausgang optisch oder induktiv oder kapazitiv an die Auswerteelektronik (5) weitergeleitet werden.6. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 5, wherein means of the component (4) during charging and discharging of the capacitance C (2) resulting switching pulses at the comparator optically or inductively or capacitively be forwarded to the transmitter (5).
7. Antriebszwischenkreis mit Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwingkreis (la,2,3) mittels eines Zwischenkreispotentials (L-) und der Versorgungsspannung (Vs +) zur Ansteuerung des Schaltmoduls (1) betrieben wird.7. drive intermediate circuit with circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the resonant circuit (la, 2,3) by means of a DC link potential (L-) and the supply voltage (Vs +) for driving the switching module (1) is operated.
8. Motorphasenansteuerung für einen elektrischen Antrieb mit Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.8. Motor phase control for an electric drive with circuit arrangement according to one of the preceding claims 1 to 6.
9. Netzrückspeisemodul für einen elektrischen Antrieb mit Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.9. power regeneration module for an electric drive with the circuit arrangement according to one of the preceding claims 1 to 6.
10. Modul zur Ansteuerung der Bremse eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Bremse, wobei das Modul eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 umfasst.10. Module for controlling the brake of an electric drive with electric brake, wherein the module comprises a circuit arrangement according to one of the preceding claims 1 to 6.
11. Elektrischer Antrieb mit Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6. 11. Electric drive with circuit according to one of claims 1 to 6.
12. Elektrischer Antrieb mit zumindest einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und/oder 8 und/oder 9 und/oder 10. 12. Electric drive with at least one device according to one of claims 7 and / or 8 and / or 9 and / or 10.
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