WO2010086226A1 - Potentialgetrennte funktionsprüfung für bauelemente - Google Patents

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WO2010086226A1
WO2010086226A1 PCT/EP2010/050347 EP2010050347W WO2010086226A1 WO 2010086226 A1 WO2010086226 A1 WO 2010086226A1 EP 2010050347 W EP2010050347 W EP 2010050347W WO 2010086226 A1 WO2010086226 A1 WO 2010086226A1
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circuit
voltage
component
test circuit
test
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PCT/EP2010/050347
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French (fr)
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Thomas Komma
Kai Kriegel
Jürgen RACKLES
Simon Hüttinger
Gernot Spiegelberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/27—Testing of devices without physical removal from the circuit of which they form part, e.g. compensating for effects surrounding elements
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches
    • G01R31/3278—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches of relays, solenoids or reed switches
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies

Definitions

  • the invention relates to a method for functional testing and a function test circuit for a semiconductor switch, in particular for use in electric vehicles.
  • Permanent-magnet synchronous machines are used, for example, in electric cars for the drive. There they are - as in other applications - used in field weakening operation, i. the magnetic field is reduced by a field weakening current. As a result, higher speeds can be achieved.
  • a DC battery is provided as the drive system for the operation of the PSM, and a converter for converting the single-phase battery voltage into the three-phase motor supply is provided between the battery and the PSM.
  • One possible structure for protecting the battery is that one or more diodes are provided between the converter and the battery and one or more semiconductor switches are provided in parallel with the one or more diodes. It is very advantageous if at any time the semiconductor switch can be switched off.
  • the object of the present invention is to provide a functional test circuit by means of which the functionality of a component can be determined in a simple manner.
  • the object is achieved with regard to the test method by a test method having the features of claim 1.
  • the object is achieved by a test circuit having the features of claim 6.
  • the component is connected to an electrical test circuit, wherein the test circuit comprises a transformer. It is understood that it is expedient to make the connection once and thus connect the test circuit electrically fixed to the device to be tested.
  • the test circuit is then an integral part of the electronic structure in which the component is also provided. But it is also possible to make the connection only if a test is to be performed.
  • an AC voltage is generated in the test circuit.
  • This AC voltage learns by means of the usual rules, a spread in the sketchSclien and in the device.
  • the amplitude of the AC voltage at various points within the test circuit depends on the specific design of the test circuit, the dimensioning of the components, the frequency of the AC voltage and the conduction state of the device.
  • the conduction state of the component can be, for example, the state that conducts the component.
  • a semiconductor switch such as an IGBT
  • the output capacitance of the IGBT which affects the frequency dependent impedance for the AC voltage, is then shorted.
  • a line condition is the conduction through or blocking by a diode.
  • the line state is usually not influenced by a controller, but merely adjusts itself by the existing voltage difference across the diode. Nevertheless, the conduction state can be determined by its influence on the frequency-dependent impedance of the test circuit and the diode.
  • the line condition of the component is determined from the common impedance of the test circuit and the component for the alternating voltage.
  • the test circuit according to the invention for functional testing of a component has for this purpose a transformer. Furthermore, at least one feed circuit for generating an alternating voltage with a definable frequency is provided. Finally, at least one measuring circuit is provided for determining the impedance of the test circuit and the component at the frequency.
  • the advantage of the method according to the invention and the test circuit according to the invention is that both allow a potential-free test of the line state of the component. This is particularly advantageous when the device is temporarily subjected to a high voltage. This may for example be the case in electric cars in which the DC link voltages between battery and inverter can be 600V or more. In such cases, a determination of the line state and an electrical transmission of a corresponding signal to, for example, a microprocessor at a near-earth voltage level are possible. This significantly improves the security of the human access structure.
  • the test circuit it is useful to make the test circuit so that the measuring circuit is arranged with respect to the transformer on the primary side, while the component is connected to the secondary side. Then, namely, the measuring circuit is electrically isolated from the device and an otherwise potential separation, for example in an optical manner, is avoided.
  • the conduction state is, for example, the state of the electrical conduction, as is the case, for example, in the case of a semiconductor switch in the switched-on state.
  • Another example of this conduction state is a diode, with the voltages on both sides of the diode being such that the diode conducts.
  • An example of a different conduction state is a blocking state that occurs when the semiconductor switches are turned off or diodes when the voltages on both sides of the diode are adjusted accordingly.
  • the conduction state of the component basically influences the frequency-dependent common impedance of the test circuit and the component for the AC voltage.
  • a device in a conductive state will contribute only a small capacitance to the impedance since the intrinsic capacitance of the device elements is short-circuited by the device itself.
  • the component contributes a largely resistive component to the impedance.
  • the blocking state the opposite applies.
  • the component will contribute a largely capacitive or possibly also inductive component to the impedance.
  • the common impedance will almost always be different than in the line state to be tested.
  • the frequency is selected such that in the line state to be tested, the impedance becomes almost zero. This results in a particularly clear signal and even slight deviations of the device from its usual behavior can be detected.
  • test circuit next to the transformer further comprises at least one series capacitor and a series inductance. These are preferably in series with each other and the
  • This design of the test circuit advantageously requires the presence of a resonant frequency at which the impedance becomes practically zero.
  • the resonant frequency depends on the impedance of the component, ie on its conduction state.
  • the resonant frequency in the line condition to be tested is selected as the frequency for the AC voltage.
  • test circuit or test method is particularly suitable for switchable components such as semiconductor switches such as MOSFETs or IGBTs.
  • the test circuit or the test method is also suitable for components such as diodes, which are not directly controllable, but otherwise can change their conduction state. Such components have at least two different conduction states.
  • test circuit or the test method can be applied to a group of individual components.
  • a parallel Circuit can be tested from an IGBT and a diode. In this case, all existing components affect the common impedance.
  • test circuit and test method are by no means limited to the environment described above for electric vehicles. Rather, the method is universally applicable.
  • Both line states can be tested with an AC voltage by evaluating the respective resulting impedances for both line states.
  • the frequency of the alternating voltage can be adapted to one of the two line states by selecting the corresponding resonance frequency.
  • the impedance will then be zero or nearly zero in this conduction state and assume a different value in the other conduction state.
  • the test circuit expediently comprises only one device for generating the alternating voltage and the construction is as simple as possible.
  • the test circuit expediently comprises only one device for generating the alternating voltage, but the device is designed such that the frequency can be changed.
  • a third alternative is to generate two or possibly more AC voltages.
  • the test circuit preferably comprises two or more devices for generating an alternating voltage.
  • the frequencies can then be adapted to each one of the line conditions to be tested, that is, for example, the respective resonance frequency can be selected. Switching the frequency in the means for generating the AC voltage is unnecessary.
  • the determination of the impedance is carried out with the at least one measuring circuit which is provided in the test circuit.
  • the measuring circuit preferably comprises a frequency filter, in particular a high or low pass filter, in order to separate the signal of the AC voltage from other signals. This is particularly advantageous when several AC voltages of different frequencies are generated simultaneously.
  • an output resistance of the feed circuit is one of the resistors of the voltage divider and the other elements of the test circuit, ie the transformer and the component and optionally further elements such as series capacitor and series inductance of the other resistor of the voltage divider.
  • test circuit is a converter circuit with overvoltage protection, comprising:
  • Such a converter circuit is used, for example, in electric vehicles such as electric cars.
  • an IGBT is used as the semiconductor switch.
  • IGBTs with parallel diodes are typically already available as finished components.
  • a MOSFET is used as the semiconductor switch. This already contains a diode due to its construction. So it is useful when using a MOSFET no independent diode is needed anymore, the diode is part of the MOSFET.
  • the diode is expediently installed in the input line of the converter for positive voltage, ie the phase connection on the single-phase side of the converter. Furthermore, it is preferably installed so that it allows the flow of current into the inverter and blocks positive voltage from the inverter side.
  • the converter circuit protects a device connected on the single-phase side, for example a car battery, from overcharging by the diode. At the same time, however, a parallel connection of the diode is made possible by the parallel-arranged semiconductor switch, i. For example, a return from the direction of the inverter in the battery.
  • the converter circuit can be used advantageously in a drive system.
  • This has in addition to the converter circuit at least one electric motor, which is for example a permanent-magnet synchronous machine, which is designed in particular for a field-weakening operation.
  • the electric motor is expediently connected to the 3-phase output side of the converter circuit.
  • at least one single-phase battery is provided. This is connected to the single-phase input side of the converter circuit. It is expedient for the protection of the battery from overvoltage when the positive battery terminal is connected via the diode to the converter circuit.
  • Such a drive system can be used, for example, in an electric vehicle such as an electric car.
  • the drive system preferably has a device for determining a value representing the voltage on the single-phase input side of the converter.
  • the device could consist in a device for voltage measurement via an intermediate circuit capacitor provided in the region of the converter.
  • a supply of the electric motor is made from the battery in an engine operating state.
  • the motor which corresponds to "accelerating.”
  • the regenerative power state the battery is supplied by the electric motor, which is typically assumed during braking in an electric vehicle
  • An attempt is made to recover as much energy as possible from the movement of the vehicle and to store it in the battery, in which case the semiconductor switch is switched on in the regenerative mode, ie if a feedback is to take place, the diode of the converter circuit otherwise blocking the feedback is bridged by the semiconductor switch
  • the semiconductor switch is switched off, which in turn prevents the battery from being overcharged in conjunction with the blocking diode.
  • a value representing the voltage on the single-phase input side of the converter is preferably determined and, if this value at least reaches a threshold value, a disturbance of the converter determined and thus expediently turned off the semiconductor switch, if it is turned on.
  • the voltage can be measured via a DC link capacitor, which is provided on the single-phase side of the inverter.
  • the diode prevents the overvoltage from being passed on to the battery without any further action. In this case, it is prevented that the semiconductor switch is turned on, for example, during a braking operation. It is advantageous if the converter itself is designed such that it can withstand the voltages which can occur when the field-weakening current ceases. Then no separate protection for the inverter itself is necessary.
  • the test circuit in turn is used to determine at any time whether the semiconductor switch and the diode actually assume their desired or expected conduction states.
  • the battery voltage must be greater than the voltage to test the transmittance of the diode
  • the intermediate circuit voltage must be greater than the battery voltage. This case occurs during the recovery from the electric motor into the battery.
  • the semiconductor switch and the diode then absorb the differential voltage between the intermediate circuit voltage and the battery voltage.
  • the switching capability of the semiconductor switch can then be checked, for example by actively switching on the semiconductor switch. It is particularly advantageous if, in the engine operating state, i. E. During the short time of switching, the semiconductor switch is then tested for its function, whereby the time of switching is preferably so short that there is no appreciable delay of the electric vehicle.
  • FIG. 1 shows a test circuit
  • FIG. 2 shows a drive system with test circuit
  • FIG. 3 shows an operating diagram for the drive system
  • FIG. 4 shows the behavior of the impedance of the test circuit as a function of the frequency.
  • FIG. 1 shows schematically the construction of an exemplary test circuit 11 for a semiconductor switch 31.
  • the semiconductor switch 31 can be of any type and is therefore shown in FIG. 1 only as a simple switch.
  • the voltage-dependent output capacitance of the semiconductor switch 31 is shown as an additional capacitor 41.
  • test circuit 11 itself now has a parallel to the semiconductor switch 31 provided additional capacitor 32. This serves to increase the voltage-dependent output capacitance of the semiconductor switch 31 and thereby make it more independent of the voltage. Subsequent to the additional capacitor 32, a series circuit 44 is then provided. This has in series a first series capacitor 34, a
  • Transformer 33 a series inductor 35 and a second series capacitor 36.
  • a first and second AC voltage source 37, 38 which are connected in parallel to each other to the series circuit 44.
  • a first and a second measuring point 39, 40 are connected.
  • the components of the series circuit 44 together with the semiconductor switch 31 form a frequency-dependent impedance.
  • the behavior of this impedance is evaluated in order to detect whether the switching state of the semiconductor switch 31 corresponds to the desired switching state which, depending on the type of the semiconductor switch 31, is determined, for example, via the voltage applied to its gate.
  • FIG. 4 shows the profile of the total impedance of series circuit 44 and semiconductor switch 31 as a function of the frequency.
  • a first curve 45 which has an impedance minimum at a first test frequency, corresponds to the behavior when the semiconductor switch 31 is closed.
  • a second curve 46 which has an impedance minimum at a second test frequency, corresponds to the behavior at open semiconductor switch 31. Since its output capacitance is shorted when the switch is closed, the first test frequency is lower than the second test frequency.
  • the first AC voltage source 37 is now operated so that it generates an AC voltage with the first test frequency as a frequency.
  • the second AC voltage source 38 is operated to generate an AC voltage at the second test frequency as a frequency.
  • the AC voltage sources 37, 38 can be operated simultaneously, alternately, continuously, or only at certain test times.
  • the first measuring point 38 has a low-pass filter 42, which is tuned to the first test frequency used.
  • the low pass filter 42 is followed by a diode and in parallel a capacitor and a resistor.
  • a signal is tapped, which corresponds to the impedance of the series circuit 44 and the semiconductor switch 31 at the first test frequency.
  • this value will have a value dependent on specific properties of the individual components and the voltage on the semiconductor switch 31. However, if the switch is closed, the value will be practically zero.
  • the second measuring point 39 in turn has a high-pass filter 43, which is tuned to the second test frequency used.
  • the high-pass filter 43 is again followed by a diode and, in parallel, a capacitor and a resistor. At the resistor, a signal can be tapped, in this case the impedance of the series circuit 44 and the semiconductor switch 31 at the second test frequency corresponds.
  • this value when the switch is closed, this value will have a value dependent on specific properties of the individual components and the voltage on the semiconductor switch 31. The value will be practically zero when the switch is open.
  • the two measuring points 38, 39 thus provide a clear indication as to whether the switch actually operates closed, i. conducts and thus the voltage across the semiconductor switch 31 disappears to a dependent of the specific semiconductor switch 31 residual value and the self-capacitance is short-circuited. Also, it is possible to determine whether the semiconductor switch 31 is actually turned off, i. locks. Depending on the operating mode of the AC voltage sources 37, 38, this test can take place continuously.
  • the invention is not limited to certain types of semiconductor switch 31, but may be applied to any semiconductor switch 31 such as MOSFETs, IGBTs, but also for diodes. A specific application will be described below with reference to a second embodiment in conjunction with FIG.
  • a drive system for an electrically driven vehicle such as an electric car
  • the drive system has an electric motor 1 in the form of a permanent-magnet synchronous machine.
  • the electric motor 1 is used in field weakening operation.
  • Its three phase inputs are connected in a known manner with the output lines 9 of an inverter 2.
  • the converter 2 has, in a conventional design, starting from each of the three output lines 9 of the electric motor 1 two pairs each of a parallel-connected diode and semiconductor switches, which then in a known form are merged into two input lines 8.
  • the two input lines 8 are connected via a DC link capacitor 3. Furthermore, the two input lines 8 lead to the terminals of a DC battery 4.
  • the battery protection device 6 consists of a diode 5 and a parallel to the diode 5 connected IGBT 7.
  • the diode 5 is inserted so that it leads away in the direction of the battery 4 and blocks in the direction of the inverter 2 to the battery 4.
  • the IGBT 7 is connected to a controller 10.
  • the controller 10 further includes two electrical connections to a voltage measurement. Thus, the voltage drop across the intermediate circuit capacitor 3 voltage can be measured.
  • engine operation 22 will usually occur first.
  • the electric motor 1 is supplied from the battery 4 to drive the electric vehicle.
  • the IGBT 7 is turned off.
  • the drive system switches to the braking operation 23.
  • braking mode 23 finds a return from the electric motor 1 in the Battery 4 instead to recharge the battery 4 and thus perform an energy recovery.
  • the inverter 2 is then used as a rectifier.
  • the IGBT 7 is turned on in the braking operation 23 to bridge the diode 5 and to allow the backfeed.
  • the controller 10 performs the turning on and off of the IGBT 7. In this case, it measures the voltage drop across the intermediate circuit capacitor 3 and, on the basis of a predefined threshold value for the voltage, determines whether the converter 2 is working properly. If the converter 2 fails, the field-weakening current is missing and the magnets in the electric motor 1 induce an increased voltage in the output lines 9. If this voltage is passed through the converter 2 into the input lines 8, this voltage can lead to damage to the battery 4 , The controller 10 determines, however, based on the voltage measurement, if such an error case 21 is present. If the error case 21, the controller 10 turns off the IGBT 7. As a result, the power line in the direction of the battery 4 to be prevented again, since the diode 5 blocks. Thus, damage to the battery 4 is avoided.
  • test circuit 11 is added to the battery protection device 6 in the circuit of Figure 2, which is indicated in Figure 2 only simplified.
  • the test circuit 11 allows a constant or periodic check of the actual line state of the battery protection device 6. Since just in the electric vehicle in the battery protection device 6 voltages of more than 600 V may occur, it is particularly advantageous that the test here electrically isolated due to the transformer 33 can be done. The part of the test circuit 11 beyond the transformer can thus be operated at near-earth potential. Ben, in particular also the measuring points 39, 40 and a possibly associated evaluation processor, no matter whether this is now provided for the test circuit 11 or another already existing microprocessor is shared.
  • the voltage of the battery 4 is higher than the intermediate circuit voltage. This is the case in engine operation 22.
  • the intermediate circuit voltage must be higher than the voltage of the battery 4. This is the case in braking mode 23, that is, when it is fed back into the battery 4. In this case, both the blocking capability and the conductivity of the IGBT 7 can be tested by switching it off or on.
  • the brake operation 23 is briefly switched over. In this case, no mechanical braking is expediently carried out, but only the braking operation 23 is used for a short time in order to generate a voltage in the intermediate circuit which is above the voltage of the battery 4. As a result, a check of the IGBT 7 is made possible during the short changeover time into the braking operation 23.
  • the duration of the changeover to the braking operation 23 is expediently such that, on the one hand, the test of the IGBT 7 is made possible and, on the other hand, it is ensured by the inertia of the mechanical components of the electric vehicle that no noticeable effects are to be expected for the driver of the vehicle ,

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Abstract

Für ein Halbleiterbauelement (31) werden ein Verfahren und eine Schaltung zur Funktionsprüfung angegeben. Die Funktionsprüfung erfolgt potentialgetrennt durch Verwendung eines Transformators (33). Die Prüfung selbst basiert auf der Ermittlung der frequenzabhängigen Impedanz einer Serienschaltung (44) von Kapazitäten und Induktivitäten mit dem Halbleiterbauelement selbst. Diese Impedanz wird stark durch den Leitungszustand des Halbleiterbauelements, d.h. durch seine momentane Leit- oder Sperrfähigkeit beeinflusst.

Description

Beschreibung
Potentialgetrennte Funktionsprüfung für Bauelemente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung sowie eine Funktionsprüfungsschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere zur Verwendung in Elektrofahrzeugen .
Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) kommen beispielswei- se bei Elektroautos für den Antrieb zum Einsatz. Dort werden sie - wie auch in anderen Anwendungen - im Feldschwäche-Betrieb verwendet, d.h. das magnetische Feld wird durch einen feldschwächenden Strom verringert. Dadurch können höhere Drehzahlen erreicht werden. In einem Elektroauto ist als An- triebssystem für den Betrieb des PSM beispielsweise noch eine DC-Batterie und zwischen Batterie und PSM ein Umrichter für die Umsetzung der einphasigen Batteriespannung in die dreiphasige Motorversorgung vorgesehen.
Kommt es bei hohen Drehzahlen des PSM zu einem Ausfall des vorgeschalteten Umrichters, fehlt in der Folge der feldschwächende Strom. Solange die Drehzahl hoch bleibt, also zumindest für eine kurze Zeit, wird durch die Magnete des Motors eine Spannung induziert, die oberhalb der normalen und ge- wünschten Zwischenkreis- oder Batteriespannung liegt. Bei heutigen Batterien ist eine zu hohe Spannung jedoch zerstörerisch.
Ein möglicher Aufbau zum Schutz der Batterie besteht darin, dass zwischen dem Umrichter und der Batterie eine oder mehrere Dioden und parallel zu der oder den Dioden ein oder mehrere Halbleiterschalter vorgesehen sind. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn zu jeder Zeit der Halbleiterschalter abgeschaltet werden kann.
Eine Möglichkeit, für eine erhöhte Verlässlichkeit zu sorgen, ist die Verwendung redundanter Halbleiterschalter. Dadurch wird jedoch die elektrische Verlustleistung, die in den Halb- leiterschaltern verloren geht, entsprechend der Anzahl der verwendeten zusätzlichen Halbleiterschalter erhöht. Eine Möglichkeit, die diesen Nachteil vermeidet, besteht darin, zu prüfen, ob der Halbleiterschalter funktionstüchtig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Funktionsprü- fungsschaltung anzugeben, mittels derer in einfacher Weise die Funktionstüchtigkeit eines Bauelements ermittelt werden kann .
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Prüfverfahrens durch ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich der PrüfSchaltung wird die Aufgabe durch eine Prüfschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Funktionsprüfung für ein Bauelement wird das Bauelement mit einer elektrischen PrüfSchaltung verbunden, wobei die PrüfSchaltung einen Transformator umfasst. Es versteht sich, dass es zweckmäßig ist, die Verbindung einmalig vorzunehmen und somit die Prüfschaltung elektrisch fest mit dem zu überprüfenden Bauelement zu verbinden. Die PrüfSchaltung ist dann ein fester Bestandteil des elektronischen Aufbaus, in dem auch das Bauelement vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, die Verbindung nur dann herzustellen, wenn eine Prüfung durchgeführt werden soll.
Weiterhin wird in der PrüfSchaltung eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung erfährt anhand der hierfür üblichen Regeln eine Verbreitung in der PrüfSchaltung und in das Bauelement. Die Amplitude der Wechselspannung an verschiedenen Punkten innerhalb der PrüfSchaltung hängt vom konkreten Aufbau der PrüfSchaltung, der Dimensionierung der Bauteile, der Frequenz der Wechselspannung und dem Leitungszustand des Bauelements ab.
Der Leitungszustand des Bauelements kann dabei beispielsweise der Zustand sein, dass das Bauelement leitet. Bei einem Halbleiterschalter wie beispielsweise einem IGBT heißt das, dass er angeschaltet ist und über den IGBT nur eine Restspannung abfällt. Die Ausgangskapazität des IGBT, die die frequenzabhängige Impedanz für die Wechselspannung beeinflusst, ist dann kurzgeschlossen.
Bei einem Halbleiterschalter wie dem IGBT gibt es noch den weiteren Leitungszustand der Sperrung, für die der IGBT ausgeschaltet ist. In diesem Fall ist die Ausgangskapazität des IGBT nicht kurzgeschlossen und wirkt bei der frequenzabhängi- gen Impedanz für die Wechselspannung mit.
Ein weiteres Beispiel für einen Leitungszustand ist die Leitung durch oder Sperrung durch eine Diode. Hierbei ist der Leitungszustand üblicherweise nicht durch eine Steuerung be- einflusst, sondern stellt sich lediglich durch die vorhandene Spannungsdifferenz über die Diode ein. Trotzdem kann der Leitungszustand durch seinen Einfluss auf die frequenzabhängige Impedanz von PrüfSchaltung und Diode ermittelt werden.
Wie schon anhand der Beispiele beschrieben, wird erfindungsgemäß der Leitungszustand des Bauelements aus der gemeinsamen Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung ermittelt.
Die erfindungsgemäße PrüfSchaltung zur Funktionsprüfung für ein Bauelement weist dafür einen Transformator auf. Weiterhin ist wenigstens eine Einspeiseschaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer festlegbaren Frequenz vorgesehen. Schließlich ist wenigstens eine Messschaltung zur Ermittlung der Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement bei der Frequenz vorgesehen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen PrüfSchaltung ist, dass beide eine potential- freie Prüfung des Leitungszustands des Bauelements ermöglichen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauelement zeitweise mit einer hohen Spannung beaufschlagt ist. Das kann beispielsweise in Elektroautos der Fall sein, in denen die Zwischenkreisspannungen zwischen Batterie und Umrichter 600V oder mehr betragen können. In solchen Fällen sind eine Ermittlung des Leitungszustands und eine elektrische Weiterleitung eines entsprechenden Signals an beispielsweise einen Mikroprozessor auf einem erdnahen Spannungsniveau möglich. Hierdurch wird die Sicherheit des Aufbaus für menschliche Zugriffe deutlich verbessert.
Zweckmäßig ist es dabei, die PrüfSchaltung so zu gestalten, dass die Messschaltung in Bezug auf den Transformator auf der Primärseite angeordnet ist, während das Bauelement mit der Sekundärseite verbunden wird. Dann ist nämlich die Messschaltung potentialgetrennt angeordnet vom Bauelement und eine anderweitige Potentialtrennung, beispielsweise in optischer Weise, wird vermieden.
Um die gemeinsame Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung zu ermitteln, wird bevorzugt ein zu prüfender Leitungszustand des Bauelements ausgewählt und für die Wechselspannung eine Frequenz ausgewählt, die an den zu prüfenden Leitfähigkeitszustand angepasst ist. Bei dem Leitungszustand handelt es sich beispielsweise um den Zustand der elektrischen Leitung, wie er beispielsweise bei einem Halbleiterschalter in angeschaltetem Zustand der Fall ist. Ein weiteres Beispiel für diesen Leitungszustand ist eine Diode, wobei die Spannungen auf beiden Seiten der Diode derart sind, dass die Diode leitet. Ein Beispiel für einen anderen Leitungszustand ist ein sperrender Zustand, der bei ausgeschalteten Halbleiterschaltern auftritt oder bei Dioden, wenn die Spannungen zu beiden Seiten der Diode entsprechend eingestellt sind.
Bei der Auswahl der Frequenz besteht weitgehende Freiheit. Der Leitungszustand des Bauelements beeinflusst grundsätzlich die frequenzabhängige gemeinsame Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung. So wird ein Bauelement in einem leitfähigen Zustand nur eine geringfügige Kapazität zur Impedanz beisteuern, da die Eigenkapazität des Bau- elements durch das Bauelement selbst kurzgeschlossen ist. Das Bauelement steuert in diesem Fall einen weitgehend resistiven Anteil zur Impedanz bei. Im sperrenden Zustand gilt das Gegenteil. Hier wird das Bauelement einen weitgehend kapaziti- ven oder ggfs. auch induktiven Anteil zur Impedanz beitragen. Ist das Bauelement also nicht in dem zu prüfenden Leitungszustand, wird die gemeinsame Impedanz nahezu immer eine andere sein als im zu prüfenden Leitungszustand.
Es ist aber besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz so ausgewählt wird, dass im zu prüfenden Leitungszustand die Impedanz nahezu Null wird. Hierdurch ergibt sich ein besonders deutliches Signal und bereits leichte Abweichungen des Bauelements von seinem gewöhnlichen Verhalten können detektiert werden.
Um eine Impedanz gegen Null zu erhalten, ist es zweckmäßig, wenn die PrüfSchaltung neben dem Transformator weiterhin wenigstens einen Reihenkondensator und eine Reiheninduktivität aufweist. Diese sind bevorzugt in Reihe zueinander und zum
Transformator geschaltet. Dieser Aufbau der PrüfSchaltung bedingt vorteilhaft das Vorhandensein einer resonanten Frequenz, bei der die Impedanz praktisch Null wird. Die resonan- te Frequenz hängt dabei unter anderem von der Impedanz des Bauelements ab, also von dessen Leitungszustand. Vorteilhaft wird die resonante Frequenz beim zu prüfenden Leitungszustand als Frequenz für die Wechselspannung gewählt.
Die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren eignet sich beson- ders für schaltbare Bauelemente wie beispielsweise Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs. Ebenso eignet sich die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren auch für Bauelemente wie Dioden, die zwar nicht direkt steuerbar sind, aber anderweitig ihren Leitungszustand ändern können. Solche Bauelemente weisen wenigstens zwei verschiedene Leitungszustände auf.
Prinzipiell ist es auch möglich, dass die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren auf eine Gruppe von einzelnen Bauteilen angewandt werden. So kann beispielsweise auch eine Parallel- Schaltung aus einem IGBT und einer Diode geprüft werden. In diesem Fall beeinflussen alle vorhandenen Bauteile die gemeinsame Impedanz.
Dabei ist die Verwendung der PrüfSchaltung und des Prüfverfahrens keineswegs auf das eingangs beschriebene Umfeld der Elektrofahrzeuge beschränkt. Vielmehr ist das Verfahren universell einsetzbar.
Beide Leitungszustände können mit einer Wechselspannung geprüft werden, indem die jeweiligen sich ergebenden Impedanzen für beide Leitungszustände ausgewertet werden. Dabei kann die Frequenz der Wechselspannung an einen der beiden Leitungszustände angepasst werden, indem die entsprechende Resonanzfre- quenz gewählt wird. Die Impedanz wird in diesem Leitungszustand dann Null oder nahezu Null sein und im anderen Leitungszustand einen anderen Wert annehmen. In diesem Fall um- fasst die PrüfSchaltung zweckmäßig nur eine Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung und der Aufbau ist so einfach wie möglich.
Ebenso ist es möglich, die Frequenz der Wechselspannung an den jeweils gerade vorliegenden zu prüfenden Leitungszustand anzupassen, indem beispielsweise für die Prüfung stets die passende Resonanzfrequenz gewählt wird. Dadurch wird immer eine sehr genaue Messung ermöglicht. Auch in diesem Fall um- fasst die PrüfSchaltung zweckmäßig nur eine Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung, allerdings ist die Einrichtung so ausgestaltet, dass die Frequenz wechselbar ist.
Eine dritte Alternative besteht darin, zwei oder ggfs. mehr Wechselspannungen zu erzeugen. Hierfür umfasst die PrüfSchaltung bevorzugt zwei oder mehr Einrichtungen zur Erzeugung einer Wechselspannung. Vorteilhaft können dann die Frequenzen an je einen der zu prüfenden Leitungszustände angepasst werden, also beispielsweise die jeweilige Resonanzfrequenz gewählt werden. Ein Umschalten der Frequenz in der Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung ist unnötig. Die Ermittlung der Impedanz erfolgt mit der wenigstens einen Messschaltung, die in der PrüfSchaltung vorgesehen ist. Die Messschaltung umfasst bevorzugt einen Frequenzfilter, insbe- sondere einen Hoch- oder Tiefpassfilter, um das Signal der Wechselspannung von anderen Signalen zu trennen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere Wechselspannungen verschiedener Frequenz gleichzeitig erzeugt werden. Um ein Spannungs-Signal in der Messschaltung zu erhalten, das im Wesent- liehen der Impedanz entspricht, ist es zweckmäßig, wenn die Messschaltung an einem Punkt der PrüfSchaltung angebunden ist, der dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers entspricht. Dabei ist ein Ausgangswiderstand der Einspeiseschaltung der eine Widerstand des Spannungsteilers und die weiteren Elemen- te der PrüfSchaltung, d.h. der Transformator und das Bauelement und ggfs. weitere Elemente wie Reihenkondensator und Reiheninduktivität der andere Widerstand des Spannungsteilers .
Ein mögliches Einsatzszenario für die PrüfSchaltung ist eine Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz, aufweisend:
- einen Umrichter zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung,
- eine Diode, die auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist,
- einen parallel zur Diode geschalteten Halbleiterschalter,
- eine einphasigen Batterie, die mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist, und
- eine PrüfSchaltung für die Diode und den Halbleiterschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Eine solche Umrichterschaltung kommt beispielsweise in Elek- trofahrzeugen wie Elektroautos zum Einsatz. Vorzugsweise wird als Halbleiterschalter ein IGBT verwendet. IGBTs mit paralle- len Dioden sind heute typisch bereits als fertige Bauteile erhältlich. Alternativ wird als Halbleiterschalter ein MOSFET verwendet. Dieser enthält bereits aufgrund seines Aufbaus eine Diode. Es wird also zweckmäßig bei Verwendung eines MOSFET keine selbständige Diode mehr benötigt, die Diode ist Teil des MOSFET.
Die Diode ist dabei zweckmäßig in die Eingangsleitung des Um- richters für positive Spannung, also den Phasenanschluss auf der einphasigen Seite des Umrichters eingebaut. Weiterhin ist sie bevorzugt so eingebaut, dass sie den Stromfluss in den Umrichter erlaubt und positive Spannung von Umrichterseite her sperrt.
Die Umrichterschaltung schützt ein auf der einphasigen Seite angeschlossenes Gerät, beispielsweise eine Autobatterie, durch die Diode vor Überladung. Gleichzeitig wird aber durch den parallel angeordneten Halbleiterschalter eine Überbrü- ckung der Diode ermöglicht, d.h. beispielsweise eine Rückspeisung aus Richtung des Umrichters in die Batterie.
Die Umrichterschaltung lässt sich vorteilhaft in einem Antriebssystem verwenden. Dieses weist neben der Umrichter- Schaltung wenigstens einen Elektromotor auf, der beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine ist, die insbesondere für einen Feldschwäche-Betrieb ausgelegt ist. Der Elektromotor ist zweckmäßig mit der 3-phasigen Ausgangsseite der Umrichterschaltung verbunden. Ferner ist wenigstens eine einphasige Batterie vorgesehen. Diese ist mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist. Dabei ist es zweckmäßig für den Schutz der Batterie vor Überspannung, wenn der positive Batterieanschluss über die Diode mit der Umrichterschaltung verbunden ist. Ein derartiges Antriebssys- tem kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug wie einem Elektroauto zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise weist das Antriebssystem eine Vorrichtung zur Ermittlung eines die Spannung auf der einphasigen Eingangs- seite des Umrichters repräsentierenden Werts auf. Beispielsweise könnte die Vorrichtung in einer Einrichtung zur Spannungsmessung über einen im Bereich des Umrichters vorgesehenen Zwischenkreiskondensator bestehen. Bei einem vorteilhaften Betriebsverfahren für das Antriebssystem wird in einem Motorbetriebszustand eine Speisung des Elektromotors aus der Batterie vorgenommen. In diesem Schritt findet also zweckmäßig ein Antrieb des Motors statt, was einem „Gasgeben" entspricht. In einem weiteren Zustand, dem Rückspeisebetriebszustand wird eine Speisung der Batterie durch den Elektromotor vorgenommen. Bei einem Elektrofahrzeug wird dieser Zustand typischerweise beim Bremsen eingenommen. Beim Bremsen wird versucht, möglichst viele Energie aus der Bewegung des Fahrzeugs wieder zurückzugewinnen und in der Batterie zu speichern. Dabei ist im Rückspeisebetriebszustand der Halbleiterschalter eingeschaltet. D.h., soll eine Rückspeisung stattfinden, wird die ansonsten für eine Rückspei- sung sperrende Diode der Umrichterschaltung durch den Halbleiterschalter überbrückt. Schließlich wird bei einer Störung des Umrichters der Halbleiterschalter abgeschaltet. Dadurch wiederum wird in Verbindung mit der sperrenden Diode verhindert, dass die Batterie überladen wird.
Für die Feststellung einer Störung des Umrichters gibt es verschiedene Möglichkeit. Da es für das vorliegende Verfahren vor allem darauf ankommt, eine Überspannung für die Batterie zu vermeiden, wird bevorzugt ein die Spannung auf der einpha- sigen Eingangsseite des Umrichters repräsentierender Wert ermittelt wird und, sofern dieser Wert einen Schwellwert zumindest erreicht, eine Störung des Umrichters festgestellt und somit zweckmäßig der Halbleiterschalter abgeschaltet, sofern er angeschaltet ist. Beispielsweise kann hierzu die Spannung über einen Zwischenkreiskondensator gemessen werden, der auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist.
Ist der Halbleiterschalter bei Auftreten einer Störung des Umrichters angeschaltet, so verhindert die Diode ohne weitere Aktion eine Weitergabe der Überspannung an die Batterie. In diesem Fall wird verhindert, dass der Halbleiterschalter beispielsweise bei einem Bremsvorgang angeschaltet wird. Es ist vorteilhaft, wenn der Umrichter selbst so ausgelegt ist, dass er die Spannungen, die bei Wegfall des feldschwächenden Stroms auftreten können aushält. Dann ist kein separater Schutz für den Umrichter selbst notwendig.
Die PrüfSchaltung wiederum wird eingesetzt, um jederzeit ermitteln zu können, ob der Halbleiterschalter und die Diode ihre gewünschten oder erwarteten Leitungszustände auch tatsächlich einnehmen. Dabei muss zur Prüfung der Durchlassfä- higkeit der Diode die Batteriespannung größer sein als die
Zwischenkreisspannung. Das ist im Motorbetriebszustand, d.h. bei Beschleunigung der Fall. Zur Prüfung der Sperrfähigkeit muss die Zwischenkreisspannung größer sein als die Batteriespannung. Dieser Fall tritt beim Rückspeisen aus dem Elektro- motor in die Batterie ein. Der Halbleiterschalter und die Diode nehmen dann die Differenzspannung aus Zwischenkreisspannung und Batteriespannung auf. Die Schaltfähigkeit des Halbleiterschalters kann dann beispielsweise durch aktives Einschalten des Halbleiterschalters geprüft werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Motorbetriebszustand, d.h. während des „Gasgebens" der Umrichter kurzfristig umgeschaltet wird in den Rückspeisezustand. Während der kurzen Zeit des Umschaltens wird dann der Halbleiterschalter auf seine Funktion geprüft. Die Zeit der Umschaltung ist dabei bevorzugt so kurz bemessen, dass es zu keiner merklichen Verzögerung des Elektrofahrzeugs kommt.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen
Figur 1 eine PrüfSchaltung, Figur 2 ein Antriebssystem mit PrüfSchaltung,
Figur 3 ein Betriebsschema für das Antriebssystem, Figur 4 das Verhalten der Impedanz der PrüfSchaltung in Abhängigkeit von der Frequenz. Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer beispielhaften PrüfSchaltung 11 für einen Halbleiterschalter 31. Der Halbleiterschalter 31 kann beliebigen Typs sein und ist deshalb in Figur 1 nur als einfacher Schalter dargestellt. Die spannungsabhängige Ausgangskapazität des Halbleiterschalters 31 ist dabei als zusätzlicher Kondensator 41 dargestellt.
Die PrüfSchaltung 11 selbst weist nun einen parallel zum Halbleiterschalter 31 vorgesehenen Zusatzkondensator 32 auf. Dieser dient dazu, die spannungsabhängige Ausgangskapazität des Halbleiterschalters 31 zu vergrößern und dadurch unabhängiger von der Spannung zu machen. Folgend auf den Zusatzkondensator 32 ist dann eine Reihenschaltung 44 vorgesehen. Die- se weist in Reihe einen ersten Reihenkondensator 34, einen
Transformator 33, eine Reiheninduktivität 35 und einen zweiten Reihenkondensator 36 auf. Auf die Reihenschaltung 44 folgen eine erste und zweite Wechselspannungsquelle 37, 38, die parallel zueinander angebunden sind an die Reihenschaltung 44. Weiterhin sind mit dem Ende der Reihenschaltung 44 eine erste und eine zweite Messstelle 39, 40 verbunden.
Die Komponenten der Reihenschaltung 44 bilden zusammen mit dem Halbleiterschalter 31 eine frequenzabhängige Impedanz. Das Verhalten dieser Impedanz wird ausgewertet, um zu erkennen, ob der Schaltzustand des Halbleiterschalters 31 dem gewünschten Schaltzustand entspricht, der - je nach Art des Halbleiterschalters 31 - beispielsweise über die an sein Gate angelegte Spannung bestimmt wird.
Zur Erläuterung der Vorgehensweise wird auf die Figur 4 Bezug genommen. Figur 4 zeigt den Verlauf der Gesamtimpedanz von Reihenschaltung 44 und Halbleiterschalter 31 in Abhängigkeit von der Frequenz. Dabei entspricht ein erster Verlauf 45, der ein Impedanzminimum bei einer ersten Testfrequenz aufweist, dem Verhalten bei geschlossenem Halbleiterschalter 31. Ein zweiter Verlauf 46, der ein Impedanzminimum bei einer zweiten Testfrequenz aufweist, entspricht hingegen dem Verhalten bei geöffnetem Halbleiterschalter 31. Da bei geschlossenem Schalter dessen Ausgangskapazität kurzgeschlossen ist, ist die erste Testfrequenz niedriger als die zweite Testfrequenz.
Die erste Wechselspannungsquelle 37 wird nun so betrieben, dass sie eine Wechselspannung mit der ersten Testfrequenz als Frequenz erzeugt. Die zweite Wechselspannungsquelle 38 wird so betrieben, dass sie eine Wechselspannung mit der zweiten Testfrequenz als Frequenz erzeugt. Die Wechselspannungsquel- len 37, 38 können dabei gleichzeitig, abwechselnd, durchgehend, oder nur zu bestimmten Testzeiten betrieben werden.
Aus der frequenzabhängigen Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 ergibt sich in Zusammenhang mit der Schalterstellung des Halbleiterschalters 31 und den in den Wechselspannungsquellen 37, 38 integrierten Widerständen eine Stärke für jede der beiden Wechselspannungen, die in diesem Ausführungsbeispiel auf der Seite der Reihenschaltung 44 gemessen wird, die den Wechselspannungsquellen 37, 38 zu- gewandt ist.
Dazu weist die erste Messstelle 38 einen Tiefpassfilter 42 auf, der auf die verwendete erste Testfrequenz abgestimmt ist. Auf den Tiefpassfilter 42 folgen eine Diode und parallel zueinander ein Kondensator und ein Widerstand. An dem Widerstand ist ein Signal abgreifbar, das der Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 bei der ersten Testfrequenz entspricht. Wie Figur 4 entnehmbar ist, wird dieser Wert bei geöffnetem Schalter einen von konkreten Ei- genschaften der einzelnen Bauteile und der Spannung am Halbleiterschalter 31 abhängigen Wert aufweisen. Ist der Schalter jedoch geschlossen, wird der Wert praktisch Null werden.
Die zweite Messstelle 39 wiederum weist einen Hochpassfilter 43 auf, der auf die verwendete zweite Testfrequenz abgestimmt ist. Auf den Hochpassfilter 43 folgen wieder eine Diode und parallel zueinander ein Kondensator und ein Widerstand. An dem Widerstand ist ein Signal abgreifbar, das in diesem Fall der Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 bei der zweiten Testfrequenz entspricht. Wie Figur 4 entnehmbar ist, wird dieser Wert bei geschlossenem Schalter einen von konkreten Eigenschaften der einzelnen Bauteile und der Spannung am Halbleiterschalter 31 abhängigen Wert aufweisen. Der Wert wird hier praktisch Null sein, wenn der Schalter geöffnet ist.
Die beiden Messstellen 38, 39 bieten also eine deutlich Indi- kation dafür, ob der Schalter tatsächlich geschlossen agiert, d.h. leitet und somit die Spannung über den Halbleiterschalter 31 bis auf einen vom konkreten Halbleiterschalter 31 abhängigen Restwert verschwindet und die Eigenkapazität kurzgeschlossen ist. Ebenso wird ermittelbar, ob der Halbleiter- Schalter 31 tatsächlich ausgeschaltet agiert, d.h. sperrt. Je nach Betriebsart der Wechselspannungsquellen 37, 38 kann diese Prüfung kontinuierlich stattfinden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf bestimmte Arten von Halbleiterschalter 31, sondern kann für jedes Halbleiterschalter 31 wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs, aber auch für Dioden angewandt werden. Eine spezielle Anwendung wird im Folgenden anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figur 2 beschrieben.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein Elektroauto betrachtet. Das Antriebssystem weist einen Elektromotor 1 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine auf. Der Elektromotor 1 wird im Feldschwächebetrieb verwendet. Seine drei Phaseneingänge sind in bekannter Art verbunden mit den Ausgangsleitungen 9 eines Umrichters 2. Der Umrichter 2 weist in herkömmlicher Bauart ausgehend von jeder der drei Ausgangsleitungen 9 des Elektromotors 1 zwei Paare von je einer parallel geschalteten Diode und Halbleiterschalter auf, die dann in bekannter Form zu zwei Eingangsleitungen 8 zusammengeführt sind. Die beiden Eingangsleitungen 8 sind über einen Zwischenkreiskondensator 3 verbunden. Weiterhin führen die beiden Eingangsleitungen 8 zu den Anschlüssen einer DC-Batterie 4. Zwischen dem positiven An- schluss der Batterie 4 und dem Umrichter 2 ist eine Batterie- Schutzeinrichtung 6 vorgesehen. Die Batterieschutzeinrichtung 6 besteht aus einer Diode 5 und einem parallel zur Diode 5 geschalteten IGBT 7. Die Diode 5 ist dabei so eingesetzt, dass sie in Richtung von der Batterie 4 weg leitet und in Richtung vom Umrichter 2 zur Batterie 4 sperrt. Der IGBT 7 ist mit einer Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 weist weiterhin zwei elektrische Verbindungen zu einer Spannungsmessung auf. Damit kann die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung gemessen werden.
Der Betrieb des Antriebssystems wird im Folgenden anhand des AblaufSchemas, das in Figur 3 dargestellt ist, erläutert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass in einem Motorstart- Schritt 20 das hier betrachtete Elektrofahrzeug gestartet wird. Das muss bei Elektromotoren nicht unbedingt ein tat- sächliches Laufen der Motoren wie bei den Verbrennungsmotoren bedeuten, es soll lediglich den Ausgangspunkt bedeuten. Ist das Elektrofahrzeug fahrbereit, befindet es sich in einem Zwischenzustand, in dem keine Rückspeisung aus dem Motor stattfindet, aber auch kein Antrieb des Motors. Dieser Zu- stand, d.h. ein Leerlauf, tritt auch später immer wieder auf, soll aber nicht näher beschrieben werden.
In der Folge werden zwei Betriebszustände betrachtet, die sich gewöhnlich abwechseln und auch im Wechsel mit dem be- reits erwähnten Leerlauf auftreten. Nach dem Motorstart 20 wird üblicherweise zuerst der Motorbetrieb 22 auftreten. In diesem Schritt oder Betriebszustand wird der Elektromotor 1 aus der Batterie 4 gespeist, um das Elektrofahrzeug anzutreiben. Im Motorbetrieb 22 ist der IGBT 7 ausgeschaltet.
Soll das Elektrofahrzeug gebremst werden, so schaltet das Antriebssystem auf den Bremsbetrieb 23 um. Im Bremsbetrieb 23 findet dann eine Rückspeisung aus dem Elektromotor 1 in die Batterie 4 statt, um die Batterie 4 wieder aufzuladen und somit eine Energierückgewinnung durchzuführen. Der Umrichter 2 wird dann als Gleichrichter verwendet. Da in diesem Fall die Diode 5 blockierend wirkt, wird im Bremsbetrieb 23 der IGBT 7 eingeschaltet, um die Diode 5 zu überbrücken und die Rückspeisung zu ermöglichen.
Die Steuerung 10 führt die An- und Abschaltung des IGBTs 7 durch. Dabei misst sie die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung und bestimmt anhand eines vorab festgelegten Schwellwerts für die Spannung, ob der Umrichter 2 ordnungsgemäß arbeitet. Fällt der Umrichter 2 aus, so fehlt der feldschwächende Strom und die Magnete im Elektromotor 1 induzieren eine erhöhte Spannung in den Ausgangsleitungen 9. Wird diese Spannung über den Umrichter 2 weitergegeben in die Eingangsleitungen 8, so kann diese Spannung zu einer Schädigung der Batterie 4 führen. Die Steuerung 10 stellt jedoch anhand der Spannungsmessung fest, ob ein solcher Fehlerfall 21 vorliegt. Liegt der Fehlerfall 21 vor, so schaltet die Steuerung 10 den IGBT 7 ab. Dadurch wird die Stromleitung in Richtung auf die Batterie 4 zu wieder unterbunden, da die Diode 5 sperrt. Somit wird eine Beschädigung der Batterie 4 vermieden .
Für die Funktion der Batterie in einem Elektrofahrzeug ist es sehr vorteilhaft, wenn zu jeder Zeit gewährleistet ist, dass die Batterieschutzeinrichtung 6 durchlass- und sperrfähig ist. Um dies prüfen zu können, ist bei der Schaltung der Figur 2 eine PrüfSchaltung 11 für die Batterieschutzeinrichtung 6 hinzugefügt, die in Figur 2 nur vereinfacht angedeutet ist. Die PrüfSchaltung 11 erlaubt eine ständige oder auch periodische Prüfung des tatsächlichen Leitungszustands der Batterieschutzeinrichtung 6. Da gerade im Elektrofahrzeug im Bereich der Batterieschutzeinrichtung 6 Spannungen von mehr als 600 V auftreten können, ist es besonders vorteilhaft, dass die Prüfung hier bedingt durch den Transformator 33 potentialgetrennt erfolgen kann. Der Teil der PrüfSchaltung 11 jenseits des Transformators kann somit auf erdnahem Potential betrie- ben werden, insbesondere auch die Messstellen 39, 40 und eine damit ggfs. verbundener Auswerteprozessor, egal ob dieser nun extra für die PrüfSchaltung 11 vorgesehen ist oder ein anderer bereits vorhandener Mikroprozessor mitgenutzt wird.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist es für die Prüfung der Durchlassfähigkeit der Diode 5 notwendig, dass die Spannung der Batterie 4 höher ist als die Zwischenkreisspannung. Das ist im Motorbetrieb 22 der Fall. Für die Prüfung der Sperrfä- higkeit muss hingegen die Zwischenkreisspannung höher als die Spannung der Batterie 4 sein. Das ist im Bremsbetrieb 23, also bei Rückspeisung in die Batterie 4 der Fall. In diesem Fall kann sowohl die Sperrfähigkeit als auch die Leitfähigkeit des IGBT 7 geprüft werden, indem dieser ab- oder ange- schaltet wird.
Um auch während des Motorbetriebs 22 die Sperr- und Leitfähigkeit des IGBT 7 prüfen zu können, wird in diesem Ausführungsbeispiel für die Erfindung während des Motorbetriebs 22 kurzzeitig in den Bremsbetrieb 23 umgeschaltet. Hierbei wird zweckmäßig keinerlei mechanische Bremsung durchgeführt, sondern lediglich der Bremsbetrieb 23 kurzzeitig verwendet, um im Zwischenkreis eine Spannung zu erzeugen, die über der Spannung der Batterie 4 liegt. Dadurch wird während der kur- zen Umschaltzeit in den Bremsbetrieb 23 eine Prüfung des IGBT 7 ermöglicht. Die Dauer der Umschaltung in den Bremsbetrieb 23 ist dabei zweckmäßig so bemessen, dass zum Einen die Prüfung des IGBT 7 ermöglicht ist und zum anderen durch die Trägheit der mechanischen Komponenten des Elektrofahrzeugs gewährleistet ist, dass für den Fahrer des Fahrzeugs keinerlei merkliche Auswirkungen zu erwarten sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Funktionsprüfung für ein Bauelement (31, 5,
6, I)1 mit den Schritten: - Verbindung des Bauelements (31, 5, 6, 7) mit einer elektrischen PrüfSchaltung (11), die einen Transformator (33) um- fasst,
- Erzeugung wenigstens einer Wechselspannung in der Prüfschaltung (11) , - Ermittlung der vom Leitfähigkeitszustand des Bauelements (31, 5, 6, 7) abhängigen Impedanz von PrüfSchaltung (11) und Bauelement (31, 5, 6, 7) für die Wechselspannung,
- Ermittlung des Leitfähigkeitszustands aus der Impedanz.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 mit den weiteren Schritten:
- Auswahl eines zu prüfenden Leitfähigkeitszustands,
- Auswahl einer Frequenz für die Wechselspannung, die an den zu prüfenden Leitfähigkeitszustand angepasst ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Frequenz so ausgewählt wird, dass im zu prüfenden Leitfähigkeitszustand die Impedanz nahezu Null wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Schalter (31, 7) als Bauelement (31, 7) verwendet wird und zwei zu prüfende Leitfähigkeitszustände ausgewählt werden, wobei ein erster zu prüfender Leitfähigkeitszustand den eingeschalteten Schalter (31, 7) repräsentiert und ein zweiter zu prüfender Leitfähigkeitszustand den ausgeschalteten Schalter (31, 7) repräsentiert.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem zwei Wechselspannungen erzeugt werden.
6. PrüfSchaltung (11) zur Funktionsprüfung für ein Bauelement (31, 5, 6, I)1 aufweisend:
- einen Transformator (33) , - wenigstens eine Einspeiseschaltung (37, 38) zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer festlegbaren Frequenz,
- wenigstens eine Messschaltung (39, 40) zur Ermittlung der Impedanz von PrüfSchaltung (11) und Bauelement (31, 5, 6, 7) bei der Frequenz.
7. PrüfSchaltung (11) gemäß Anspruch 6, bei der die Einspeiseschaltung (37, 38) mit der Sekundärspule des Transformators (33) verbunden ist und seine Primärspule parallel zum Bauele- ment (31, 5, 6, 7) liegt.
8. PrüfSchaltung (11) gemäß Anspruch 6 oder 7 mit wenigstens einem Reihenkondensator (36) und wenigstens einer Reiheninduktivität (35) , die in Reihe zum Transformator (33) geschal- tet sind.
9. Elektrische Schaltung aus wenigstens einem Bauelement (31, 5, 6, 7) und einer PrüfSchaltung (11) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8.
10. Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 9, bei der das Bauelement (31, 5, 6, 7) ein Halbleiterbauelement (5, 7) oder eine Gruppe (6) aus mehreren Bauteilen ist.
11. Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz (6), aufweisend:
- einen Umrichter (2) zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung,
- eine Diode (5) , die auf der einphasigen Seite des Umrich- ters (2) vorgesehen ist, und
- einen parallel zur Diode (5) geschalteten Halbleiterschalter (7) .
- eine einphasigen Batterie (4), die mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist. - eine PrüfSchaltung (11) für die Diode (5) und den Halbleiterschalter (7) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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WO (1) WO2010086226A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8803540B2 (en) 2009-02-02 2014-08-12 Siemens Aktiengesellschaft Galvanically isolated functional test for components
CN108732480A (zh) * 2018-05-24 2018-11-02 江苏矽导集成科技有限公司 基于SiCMOSFET器件并联使用的自动化分拣电路及自动化分拣方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013211411A1 (de) * 2013-06-18 2014-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters
DE102013106739A1 (de) * 2013-06-27 2014-12-31 Pilz Gmbh & Co. Kg Sicherheitsschaltvorrichtung mit fehlersicheren Eingängen
CN106353675B (zh) * 2016-09-09 2023-04-28 深圳市振邦智能科技股份有限公司 一种利用电感耦合方式的无源隔离开关检测装置
DE102018114425A1 (de) * 2018-06-15 2019-12-19 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Schaltüberwachungsvorrichtung
CN109917280B (zh) * 2019-02-21 2021-06-08 东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司 一种电路状态检测系统及其检测方法和一种高压回路
EP4058816A1 (de) * 2019-11-13 2022-09-21 Phoenix Contact GmbH & Co. KG Kontaktüberwachungsvorrichtung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2013904A (en) * 1978-02-03 1979-08-15 Midland Ross Corp Fault monitoring and indicator system
DE3221176A1 (de) * 1981-06-09 1982-12-23 Schrack Elektronik-AG, 1121 Wien Schaltungsanordnung zur ueberwachung von unterbrechungsstellen elektrischer bauteile
FR2701176A1 (fr) * 1993-01-29 1994-08-05 Electricite De France Système de vérification de chargement des batteries d'un appareil électrique tel qu'un véhicule.
EP1083658A1 (de) * 1999-09-08 2001-03-14 Rolf Dr.-Ing. Melcher Schaltungsanordnung zur Überwachung eines zum Steuern einer Last vorgesehenen elektronischen Schalters
EP1214913A2 (de) * 2000-10-20 2002-06-19 Ethicon Endo-Surgery Detektionsschaltung für chirurgisches Handstücksystem
EP2177921A1 (de) * 2008-01-11 2010-04-21 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Vorrichtung zur diagnose des signalstatus für externe steuerungsmittel, die aktiviert werden, wenn sie mit elektrischer antriebsenergie durch ein über isoliermittel übertragenes an/aus-signal gespeist werden

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4113998A (en) * 1975-10-14 1978-09-12 Teradyne, Inc. Testing electrically conductive lines to determine electrical characteristics thereof
US4242631A (en) * 1978-06-01 1980-12-30 Genrad, Inc. Front-end circuit apparatus for impedance measurements and the like
US4535959A (en) * 1982-08-02 1985-08-20 American Standard Inc. Vital solid state relay for railroad alternating current track circuits
DE3812633A1 (de) 1988-04-15 1989-10-26 Daimler Benz Ag Verfahren zur kontaktlosen widerstandsmessung
DE19539064A1 (de) * 1995-10-20 1997-04-24 Bosch Gmbh Robert Anordnung zum Kontrollieren einer an einem Übertrager sekundärseitig angeschlossenen Last
JP3711360B2 (ja) * 1999-02-10 2005-11-02 ナストーア株式会社 ダイオード不良検出装置
US6855239B1 (en) * 2002-09-27 2005-02-15 Rahul Jairath Plating method and apparatus using contactless electrode
DE10245783A1 (de) * 2002-10-01 2004-04-15 Robert Bosch Gmbh Anordnung zum kontaktlosen Übertragen von einem Signal zwischen einem ersten und einem zweiten Fahrzeugteil
CN100530878C (zh) * 2004-04-09 2009-08-19 Smc电子产品有限公司 逆变器桥、包含其的系统以及布置其开关的方法
JP5230068B2 (ja) * 2006-01-13 2013-07-10 オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 インバータ装置
EP1816739B1 (de) * 2006-02-04 2008-04-09 Diehl AKO Stiftung & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines mehrphasigen, elektronisch kommutierten Motors
JP4957089B2 (ja) * 2006-06-13 2012-06-20 富士ゼロックス株式会社 センサ
CN100507590C (zh) * 2007-05-15 2009-07-01 北京索英电气技术有限公司 多输入通道模块化高频隔离单相电能回馈型电子负载
JP5375032B2 (ja) * 2008-11-04 2013-12-25 株式会社豊田自動織機 非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送装置の設計方法
DE102009006970A1 (de) 2009-02-02 2010-08-05 Siemens Aktiengesellschaft Potentialgetrennte Funktionsprüfung für Bauelemente
US8786977B2 (en) * 2011-10-14 2014-07-22 Seagate Technology Llc Induced transducer head vibration

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2013904A (en) * 1978-02-03 1979-08-15 Midland Ross Corp Fault monitoring and indicator system
DE3221176A1 (de) * 1981-06-09 1982-12-23 Schrack Elektronik-AG, 1121 Wien Schaltungsanordnung zur ueberwachung von unterbrechungsstellen elektrischer bauteile
FR2701176A1 (fr) * 1993-01-29 1994-08-05 Electricite De France Système de vérification de chargement des batteries d'un appareil électrique tel qu'un véhicule.
EP1083658A1 (de) * 1999-09-08 2001-03-14 Rolf Dr.-Ing. Melcher Schaltungsanordnung zur Überwachung eines zum Steuern einer Last vorgesehenen elektronischen Schalters
EP1214913A2 (de) * 2000-10-20 2002-06-19 Ethicon Endo-Surgery Detektionsschaltung für chirurgisches Handstücksystem
EP2177921A1 (de) * 2008-01-11 2010-04-21 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Vorrichtung zur diagnose des signalstatus für externe steuerungsmittel, die aktiviert werden, wenn sie mit elektrischer antriebsenergie durch ein über isoliermittel übertragenes an/aus-signal gespeist werden

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8803540B2 (en) 2009-02-02 2014-08-12 Siemens Aktiengesellschaft Galvanically isolated functional test for components
CN108732480A (zh) * 2018-05-24 2018-11-02 江苏矽导集成科技有限公司 基于SiCMOSFET器件并联使用的自动化分拣电路及自动化分拣方法
CN108732480B (zh) * 2018-05-24 2020-07-10 江苏矽导集成科技有限公司 基于SiC MOSFET器件并联使用的自动化分拣电路及自动化分拣方法

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