WO2022012943A1 - Verfahren und vorrichtung zur überstromdetektion an leistungsschaltern - Google Patents

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WO2022012943A1
WO2022012943A1 PCT/EP2021/068138 EP2021068138W WO2022012943A1 WO 2022012943 A1 WO2022012943 A1 WO 2022012943A1 EP 2021068138 W EP2021068138 W EP 2021068138W WO 2022012943 A1 WO2022012943 A1 WO 2022012943A1
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switch
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PCT/EP2021/068138
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Inventor
Deepa MATHAI
Falko Friese
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
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    • H03K2217/0027—Measuring means of, e.g. currents through or voltages across the switch

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for overcurrent detection.
  • Power electronic circuits generally have power semiconductors that are operated as switches. These switches are mostly MOSFETs or IGBTs (depending on device type, power, voltage range, application, etc.). For the vast majority of applications, these MOSFETs and IGBTs are silicon based.
  • the power semiconductors In many applications, especially in the case of higher power and series circuits of power semiconductor switches (e.g. as half-bridges), the power semiconductors must be protected against overcurrents that can occur, for example, in the event of a short circuit, in particular against half-bridge short circuits.
  • the load current of the switch can be measured directly or indirectly, and if the permissible operating range is exceeded, the switch can be opened independently of its regular control signal in order to interrupt the overcurrent.
  • the overcurrent detection must be comparatively quick, since power semiconductor switches generally only have limited short-circuit or overcurrent resistance due to their low thermal mass.
  • the short-circuit strength is usually specified as the permissible short-circuit duration. For example, this can be about 10 ps for industrial applications and example, be about 3 ps.
  • the turn-off process of a short-circuit current usually takes about 1 to 2 ps. This results in a time of around 1 to 2 ps available for overcurrent detection, particularly in the case of vehicle traction inverters.
  • the overcurrent can be detected by indirectly measuring the voltage drop across the load path of the power semiconductor (IGBT: collector-emitter voltage, MOSFET: drain-source voltage).
  • IGBT collector-emitter voltage
  • MOSFET drain-source voltage
  • the voltage drop across the power semiconductor should be as small as possible in regular operation in order to minimize conduction losses.
  • the usual voltage drops in -500 V applications are around 1 to 3 V.
  • Short-circuit currents are usually a multiple of the regular operating current and therefore lead to significantly higher voltage drops across the power semiconductor switch.
  • the power semiconductor switch itself often limits the overcurrent, since the regular operating range in the conducting state (e.g. MOSFET: ohmic range) is left. In this case, an IGBT desaturates and a MOSFET saturates.
  • a short-circuit detection method based on this is therefore referred to as the Desat method.
  • the voltage drop across a power semiconductor switch is significantly higher in the blocked state than in the conducting state (e.g. 500V to 1.5V), the voltage drop can be measured indirectly, for example with the help of decoupling diodes.
  • a (small auxiliary) current can be fed into the power path of the power semiconductor via the decoupling diode.
  • This auxiliary current can be fed from the positive gate driver supply voltage, for example by means of a pull-up resistor or a current source circuit.
  • the voltage drop at the anode of the decoupling diode (measuring signal) corresponds to the voltage drop across the power semiconductor plus the forward voltage of the decoupling diode.
  • the measurement signal can be filtered and evaluated using a comparator circuit. If the voltage drop determined in this way across the power semiconductor exceeds a previously defined threshold value, an overcurrent can be detected and a corresponding switch-off process can be initiated.
  • a clamping transistor can be activated to ground when the device is switched off.
  • overcurrent detection is the most common short-circuit detection method and is already integrated in many gate driver ICs available on the market, so that only a decoupling diode and an analog (RC) filter are required as external circuitry.
  • RC analog
  • the invention relates to overcurrent detection which, like the Desat method explained at the outset, is based on measuring the voltage drop across the power semiconductor.
  • the voltage is not measured indirectly using decoupling diodes, but directly using a voltage divider, in particular a frequency-compensated one, which divides the falling voltage down to a measuring voltage according to its voltage divider ratio.
  • the main advantage of the invention over the sat method is that the trigger threshold for overcurrent detection ("short circuit detection”) can be selected independently of the gate driver supply.
  • the voltage drop across the power semiconductor can only be measured up to a voltage that does not exceed the gate driver supply voltage minus the forward voltage of the decoupling diodein) because the decoupling diode must be polarized in the forward direction for the measurement. Due to the largely free choice of the voltage divider ratio, this restriction does not apply if the present invention is used for overcurrent detection, with the measurement voltage being compared to the threshold value. This enables the voltage drop to be measured directly and the available measuring range is expanded in comparison to conventional methods.
  • the voltage divider has a resistive or ohmic part and a capacitive part, thus forming an ohmic-capacitive voltage divider.
  • This can be designed in such a way that the frequency response of the divider ratio is essentially constant.
  • the voltage divider preferably includes a shield and a compensation device, the shield being set up to decouple the voltage divider from signals and/or potentials in the area surrounding the voltage divider, and the compensation device being set up to be located between the shield and the voltage divider to compensate training capacities.
  • the shielding can be in the form of a ground plane which extends in a region beyond the spatial extent of the voltage divider.
  • the voltage divider itself can comprise a chain of high-impedance resistors (ohmic part), which are designed to be as voltage-resistant and low-loss as possible.
  • the compensation device can, for example, comprise a network of capacitors connected in parallel with the high-impedance resistors, which compensate for the parasitic capacitances of the voltage divider with the ground plane.
  • the compensation device can in particular be part of the capacitive part of a frequency-compensated voltage divider.
  • the method advantageously also includes deactivating the comparison during a switch-on process of the circuit breaker, the switch-on process in particular not exceeding a duration of 1 ps, 0.5 ps or 0.1 ps and/or while the circuit breaker is switched off. This can prevent false positive results of the overcurrent detection, since a voltage drop when the circuit breaker is open is usually above the tripping threshold and the voltage divider can be disturbed during the switch-on process due to the rapid change in current and voltage.
  • the deactivation includes short-circuiting the measurement voltage tap on the voltage divider to ground. In terms of circuitry and control technology, this is associated with particularly little effort.
  • a MOSFET or an IGBT is provided as a power switch. This makes the procedure compatible with the most important circuit breakers.
  • the circuit breaker is preferably used to supply current to a consumer in a vehicle, in particular in what is known as a traction converter, i.e. a converter for supplying current to an electrical drive such as an electric motor.
  • a traction converter i.e. a converter for supplying current to an electrical drive such as an electric motor.
  • a clamp circuit is preferably provided, which short-circuits the measurement voltage output of the voltage divider to ground during a switch-on process of the circuit breaker and/or while the circuit breaker is switched off.
  • This clamp circuit can have a transistor, for example, which is connected between the measurement voltage tap and ground.
  • the clamping circuit can also have two protective diodes for clamping against impermissible overvoltages or undervoltages, one of which is in the reverse direction between a supply voltage and the measuring voltage tap and the other in the reverse direction between the measuring voltage tap and ground se is switched.
  • the voltage at the measuring voltage tap of the voltage divider can essentially be limited to the range between the supply voltage and ground potential, and the comparator can thus be protected from overvoltage and undervoltage.
  • the reference voltage can preferably be set in order to set a triggering threshold for the overcurrent detection.
  • the device is designed at least partially as an integrated circuit.
  • the comparator and the clamp circuit are suitable for integration, so that in this case only the voltage divider would be necessary as a separate component. If the voltage divider is provided separately, this also enables the device to be designed flexibly for different triggering thresholds, since the division ratio of the voltage divider represents a further influencing variable for the triggering threshold in addition to the reference voltage. For example, the working range of the device can be roughly defined via the division ratio, while the setting of the reference voltage allows fine adjustment.
  • the voltage divider advantageously has a total electrical resistance in the range from 0.2 MW to 5 MW, preferably in the range from 0.5 MW to 2.5 MW, in particular in the range from 1 MW to 2 MW. This ensures low power loss and high dielectric strength.
  • FIG. 1 schematically shows an advantageous embodiment of a device according to the invention in the form of a greatly simplified circuit diagram.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention in the form of a greatly simplified flowchart.
  • FIG. 1 An advantageous embodiment of a device according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the device 100 comprises a voltage divider 110, a comparator 120 and a clamp circuit 130.
  • the voltage divider 110 is connected on an input side to an output of a power switch, which has an output voltage U, and is connected to ground GND on an output side.
  • the voltage divider 110 has a resistive or ohmic part and a capacitive part and forms a so-called frequency-compensated voltage divider overall.
  • the voltage divider 110 has a plurality of resistors 112, 116 which are connected in series with the zueinan.
  • a capacitor 114 is connected in parallel with each of the resistors 112 .
  • a measuring voltage tap is located in front of the resistor 116, so that the voltage divider ratio results from the ratio of the resistor 116 to the total resistance.
  • the measurement voltage tap is also connected to the clamping circuit 130 .
  • the ohmic voltage divider ratio of the voltage divider 110 can thus be specified via the dimensioning of the resistor 116 .
  • the voltage divider 110 is shielded from its surroundings by means of a ground plane (not shown in the drawing).
  • the ground plane forms with the resistors 112 of the voltage divider 110 in operating parasitic capacitances. These are compensated for by the capacitors 114, which are connected in parallel with the resistors 112, so that the parasitic capacitances do not affect the potential of the measuring voltage tap of the voltage divider 110.
  • a capacitor 118 is connected between the measurement voltage tap of the voltage divider 110 and ground GND or in parallel with the resistor 116 .
  • This capacitor 118 is part of the capacitive voltage divider and is used to set the capacitive divider ratio of the voltage divider.
  • the resistors 112 of the voltage divider 110 each have high electrical resistance values.
  • each of the resistors 112, of which 2 to 20 examples are connected in series have a resistance of between 10 k ⁇ and 2.5 MW, in particular between 100 k ⁇ and 1 MW, for example approximately 200 kW.
  • Each of the resistors 112 preferably has the same electrical resistance, but different electrical resistances can also be used.
  • the capacitors 114 are dimensioned correspondingly small.
  • the capacitors 114 each have a capacitance of 1 pF to 200 pF, in particular between 5 pF and 100 pF, for example about 10 pF.
  • the comparator 120 has one input connected to the measuring voltage tap of the voltage divider 110 . Another input of the comparator is connected to a reference voltage source that provides a reference voltage U ref . During operation, the comparator 120 compares the voltage present at the measuring voltage tap of the voltage divider 110 with the reference voltage U ref and initiates a measure if the voltage of the measuring voltage tap of the voltage divider 110 exceeds the reference voltage U ref . For example, the comparator 120 outputs a signal as the measure, or it controls a circuit for turning off the circuit breaker whose output voltage U the device 100 monitors.
  • the clamping circuit 130 has a switch, for example a transistor whose source connection is connected to the measuring voltage tap of the voltage voltage divider 110 is connected, and whose drain terminal is connected to a ground GND. If the circuit breaker, whose output voltage is monitored by device 100, is open or is in an actuation phase during which it is closed, clamp circuit 130 is used, in particular via the gate connection of the transistor, to close the connection between the measuring voltage tap of the Voltage divider 110 and ground GND ge controls. If, on the other hand, the circuit breaker is closed, the connection between ground GND and the measuring voltage tap of voltage divider 110 is interrupted via clamp circuit 130, so that comparator 120 can detect the actual output voltage at its input connected to the measuring voltage tap of voltage divider 110.
  • a switch for example a transistor whose source connection is connected to the measuring voltage tap of the voltage voltage divider 110 is connected, and whose drain terminal is connected to a ground GND.
  • the clamp circuit 130 also includes a diode that is reverse-biased between the measurement voltage tap of the voltage divider and ground GND, and a diode that is reverse-biased between a supply voltage and measurement voltage tap of the voltage divider 110 . These two diodes are used to limit the voltage of the measuring voltage tap of the voltage divider 110 to the range between the supply voltage and ground potential GND in order to prevent the comparator 120 from being damaged.
  • FIG. 1 An advantageous embodiment of a method according to the invention is shown in FIG.
  • the method 200 includes a comparison of two voltages, a reference voltage U ref and a measurement voltage of the voltage divider 110, which are each present at an input of the comparator 120.
  • a step 220 based on the result of the comparison step 210, the further course of the method 200 is determined. If the measurement voltage of the voltage divider 110 is less than or equal to the reference voltage U ref , the method returns to step 210 .
  • step 230 in which a measure is carried out.
  • the comparator outputs a signal which in particular causes the circuit breaker whose throughput voltage is monitored using the method 200 to be switched off or opened (high-impedance).
  • the method 200 shown in FIG. 2 is part of an advantageous embodiment of the method according to the invention, which also includes steps that serve to short-circuit the measuring voltage tap of the voltage divider to ground GND if no meaningful result of the comparison in step 210 is to be expected. i.e. in particular in periods when the monitored circuit breaker is open and a high voltage drop across its outputs is therefore to be expected, or in control phases of the circuit breaker in which, due to the strong temporal change in the voltage present on the input side of the voltage divider, there are disturbances in the voltage present at the measurement voltage tap of the voltage divider 110 is to be expected.
  • comparator 120 can only detect a voltage at its input connected to the measuring voltage tap of voltage divider 110 that essentially corresponds to ground and is therefore below reference voltage U ref must lie. Therefore, no overcurrent is then detected, although there is a voltage drop across the monitored circuit breaker that is higher than the voltage drop to be expected in normal operation without overcurrent and would therefore numerically justify an overcurrent detection. This protects the method 200 from false positive overcurrent detections so that no action 230 is taken when the circuit breaker is open or in the process of being closed.
  • steps 210 and 220 can essentially be carried out as a single step that continuously compares the voltages and triggers measure 230 as soon as the monitored measurement voltage of the voltage divider 110 exceeds the reference voltage U ref .
  • steps 210 and 220 can essentially be carried out as a single step that continuously compares the voltages and triggers measure 230 as soon as the monitored measurement voltage of the voltage divider 110 exceeds the reference voltage U ref .
  • this can be particularly advantageous.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zur Überstromdetektion an einem Leistungsschalter, umfassend ein Herunterteilen (210) des Spannungsabfalls über einem Leitpfad des Leistungsschalters unter Verwendung eines Spannungsteilers auf eine Messspannung, ein Vergleichen (220) der Messspannung mit einem Schwellwert, und ein Durchführen einer Maßnahme (230), insbesondere Ausgeben eines Signals und/oder Abschalten des Leistungsschalters, wenn die Messspannung den Schwellwert überschreitet. Außerdem wird eine Vorrichtung (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens (200) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Überstromdetektion an Leistungsschaltern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Über stromdetektion.
Stand der Technik
Leistungselektronische Schaltungen verfügen im Allgemeinen über Leistungs halbleiter, die als Schalter betrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich (abhängig von Gerätetyp, Leistung, Spannungsbereich, Anwendung, etc.) meist um MOSFETs oder IGBTs. Für die überwiegende Mehrheit der Anwen dungen basieren diese MOSFETs und IGBTs auf Silizium.
In vielen Anwendungen, insbesondere bei höheren Leistungen und Reihenschal tungen von Leistungshalbleiterschaltern (z.B. als Halbbrücken), müssen die Leis tungshalbleiter vor Überströmen, wie sie beispielsweise bei einem Kurzschluss auftreten können, insbesondere vor Halbbrückenkurzschlüssen, geschützt wer den. Dazu kann der Laststrom des Schalters direkt oder indirekt gemessen wer den und bei Überschreitung des zulässigen Betriebsbereichs kann der Schalter unabhängig von seinem regulären Ansteuersignal geöffnet werden, um den Überstrom zu unterbrechen.
Die Überstromerkennung muss vergleichsweise schnell erfolgen, da Leistungs halbleiterschalter aufgrund ihrer geringen thermischen Masse in der Regel nur über eine begrenzte Kurzschluss- bzw. Überstromfestigkeit verfügen. Die Kurz schlussfestigkeit wird üblicherweise als zulässige Kurzschlussdauer angegeben. Diese kann für Industrieanwendungen beispielsweise etwa 10 ps und für Fahr- zeugtraktionsinverter beispielsweise etwa 3 ps betragen. Der Abschaltvorgang eines Kurzschlussstroms dauert in der Regel etwa 1 bis 2 ps. Daraus ergibt sich eine für die Überstromerkennung verfügbare Zeit von etwa 1 bis 2 ps, insbeson dere bei Fahrzeugtraktionsinvertern.
Um eine aufwändige Messung des Laststroms des Leistungshalbleiters zu um gehen, kann die Überstrom-Erkennung über die indirekte Messung des Span nungsabfalls über dem Lastpfad des Leistungshalbleiters (IGBT: Kollektor- Emitter-Spannung, MOSFET: Drain-Source-Spannung) erfolgen.
Im eingeschalteten Zustand sollte im Regelbetrieb der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter möglichst klein sein, um Leitverluste zu minimieren. Üb liche Spannungsabfälle bei -500 V-Anwendungen betragen ca. 1 bis 3 V. Kurz schlussströme betragen meist ein Vielfaches des regulären Betriebsstroms und führen daher zu deutlich höheren Spannungsabfällen über dem Leistungshalb leiterschalter. Im Kurzschlussfall begrenzt der Leistungshalbleiterschalter oft selbst den Überstrom, da der reguläre Betriebsbereich im Leitzustand (Bsp. MOSFET: ohmscher Bereich) verlassen wird. Ein IGBT entsättigt in diesem Fall und ein MOSFET sättigt. Daher wird ein hierauf basierendes Kurzschlussdetekti onsverfahren als Desat-Verfahren bezeichnet.
Da der Spannungsabfall über einem Leistungshalbleiterschalter im gesperrten Zustand deutlich höher ist als im Leitzustand (z.B. 500V zu 1,5V), kann der Spannungsabfall indirekt, beispielsweise mit Hilfe von Entkopplungsdioden, ge messen werden.
Um den Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter im Leitzustand zu messen, kann über die Entkopplungsdiode ein (kleiner Hilfs-)Strom in den Leis tungspfad des Leistungshalbleiters eingespeist werden. Dieser Hilfsstrom kann beispielsweise mittels eines Pull-Up-Widerstands oder einer Stromquellenschal tung aus der positiven Gatetreiberversorgungsspannung gespeist werden. Der Spannungsabfall an der Anode der Entkopplungsdiode (Messsignal) entspricht in einer solchen Anordnung dem Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter zzgl. der Flussspannung der Entkopplungsdiode. Das Messsignal kann gefiltert und mittels einer Komparatorschaltung ausgewer tet werden. Übersteigt der so ermittelte Spannungsabfall über dem Leistungs halbleiter einen vorher definierten Schwellwert, können ein Überstrom erkannt und ein entsprechender Abschaltvorgang eingeleitet werden.
Im gesperrten Zustand fällt eine Spannung über dem Leistungshalbleiterschalter ab, die größer ist als die Gatetreiberversorgungsspannung. Daher sperrt die Ent kopplungsdiode. Eine Überstromüberwachung ist im Sperrzustand somit nicht möglich, aber auch nicht erforderlich.
Um eine Aufladung des Eingangsfilters durch den Pull-Up-Widerstand zu verhin dern, kann im ausgeschalteten Zustand ein Klammer-Transistor gegen Masse aktiviert werden.
Diese Form der Überstromerkennung stellt die häufigste Kurzschlusserken nungsmethode dar und ist in vielen am Markt erhältlichen Gatetreiber-ICs bereits integriert, sodass als externe Beschaltung nur eine Entkopplungsdiode und ein analoges (RC-)Filter notwendig sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überstromde tektion mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft eine Überstromdetektion, die ähnlich wie die eingangs er läuterte Desat-Methode auf der Messung des Spannungsabfalls über dem Leis tungshalbleiter basiert. Im Gegensatz zur Desat-Methode wird die Spannung nicht indirekt mit Hilfe von Entkopplungsdioden, sondern direkt mit Hilfe eines, insbesondere frequenzkompensierten, Spannungsteilers gemessen, der die ab fallende Spannung gemäß seinem Spannungsteilerverhältnis auf eine Mess spannung herunterteilt. Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber der De- sat-Methode ist, dass die Auslöseschwelle der Überstromerkennung ("Kurz schlusserkennung") unabhängig von der Gatetreiberversorgung gewählt werden kann. Bei der Desat-Methode kann prinzipbedingt der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter nur bis zu einer Spannung gemessen werden, die die Gate treiberversorgungsspannung abzüglich der Vorwärtsspannung der Entkopp lungsdiodein) nicht übersteigt, da die Entkopplungsdiode zur Messung in Vor wärtsrichtung gepolt sein muss. Durch die weitgehend freie Wahl des Span nungsteilerverhältnisses entfällt diese Beschränkung, wenn die vorliegende Er findung als Überstromerkennung verwendet wird, wobei die Messspannung mit dem Schwellwert verglichen wird. Dadurch ist eine direkte Messung des Span nungsabfalls möglich und der verfügbare Messbereich wird im Vergleich zu her kömmlichen Verfahren erweitert.
Vorteilhafterweise weist der Spannungsteiler einen resistiven bzw. ohmschen Teil und einen kapazitiven Teil auf, bildet also einen ohmsch-kapazitiven Span nungsteiler. Dieser kann so ausgebildet werden, dass der Frequenzgang des Teilerverhältnisses im Wesentlichen konstant ist.
Bevorzugt umfasst der Spannungsteiler eine Abschirmung und eine Kompensati onsvorrichtung, wobei die Abschirmung dazu eingerichtet ist, den Spannungstei ler von Signalen und/oder Potentialen in der Umgebung des Spannungsteilers zu entkoppeln, und die Kompensationsvorrichtung dazu eingerichtet ist, sich zwi schen der Abschirmung und dem Spannungsteiler ausbildende Kapazitäten zu kompensieren. Die Abschirmung kann dabei als Massefläche ausgebildet sein, die sich in einem Bereich über die räumliche Ausdehnung des Spannungsteilers hinweg erstreckt. Der Spannungsteiler selbst kann eine Kette aus hochohmigen Widerständen (ohmscher Teil) umfassen, die möglichst spannungsfest und ver lustarm ausgebildet sind. Die Kompensationsvorrichtung kann beispielsweise ein Netzwerk von parallel zu den hochohmigen Widerständen geschalteten Konden satoren umfassen, die die parasitären Kapazitäten des Spannungsteilers mit der Massefläche ausgleichen. Die Kompensationsvorrichtung kann insbesondere Teil der kapazitiven Teils eines frequenzkompensierten Spannungsteilers sein. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner ein Deaktivieren des Verglei- chens während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschalters, wobei der Ein schaltvorgang insbesondere eine Dauer von 1 ps, 0,5 ps oder 0,1 ps nicht über schreitet, und/oder während der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Dadurch können falsch positive Ergebnisse der Überstromdetektion verhindert werden, da ein Spannungsabfall bei geöffnetem Leistungsschalter in der Regel über der Aus- löseschwelle liegt und während des Einschaltvorgangs durch die rasche Ände rung von Strom und Spannung der Spannungsteiler gestört werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst dabei das Deaktivieren, den Messspannungsabgriff am Spannungsteiler nach Masse kurzzuschließen. Dies ist schaltungs- und steu erungstechnisch mit besonders geringem Aufwand verbunden.
Insbesondere wird als Leistungsschalter ein MOSFET oder ein IGBT bereitge stellt. Dadurch ist das Verfahren mit den wichtigsten Leistungsschaltern kompati bel.
Bevorzugt wird der Leistungsschalter zur Bestromung eines Verbrauchers in ei nem Fahrzeug genutzt, insbesondere in einem sog. Traktionsumrichter, d.h. ei nem Stromrichter zur Bestromung eines elektrischen Antriebs wie einem Elekt romotor. Dies ermöglicht, die bereits benannten Vorteile in einem wichtigen An wendungsfeld zu realisieren. Wie eingangs bereits erwähnt ist insbesondere in Fahrzeugtraktionsumrichtern eine besonders schnelle Überstromdetektion erfor derlich.
Bevorzugt ist eine Klammerschaltung vorgesehen, die den Messspannungsab griff des Spannungsteilers während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschal ters und/oder während der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, mit Masse kurz schließt. Diese Klammerschaltung kann beispielsweise einen Transistor aufwei sen, der zwischen Messspannungsabgriff und Masse geschaltet ist. Die Klam merschaltung kann zusätzlich auch zwei Schutzdioden zur Klammerung gegen unzulässige Über- oder Unterspannungen aufweisen, von denen eine in Sperr richtung zwischen einer Versorgungsspannung und dem Messspannungsabgriff und die andere in Sperrrichtung zwischen dem Messspannungsabgriff und Mas- se geschaltet ist. Dadurch kann die Spannung an dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers im Wesentlichen auf den Bereich zwischen der Versor gungsspannung und Massepotential begrenzt werden und somit der Komparator vor Überspannung und Unterspannung geschützt werden.
Bevorzugt ist die Referenzspannung einstellbar, um eine Auslöseschwelle der Überstromdetektion einzustellen.
Insbesondere ist die Vorrichtung zumindest teilweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und wenig störanfällige Bereitstellung der entsprechenden Funktionalität. Insbesondere eignen sich der Komparator und die Klammerschaltung für eine Integration, so dass in diesem Fall nur der Spannungsteiler als separates Bauteil nötig wäre. Wird der Span nungsteiler separat bereitgestellt, ermöglicht dies zudem eine flexible Auslegung der Vorrichtung für unterschiedliche Auslöseschwellen, da das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers neben der Referenzspannung eine weitere Einflussgröße für die Auslöseschwelle darstellt. So kann beispielsweise über das Teilungsver hältnis der Arbeitsbereich der Vorrichtung grob festgelegt werden, während die Einstellung der Referenzspannung eine Feineinstellung erlaubt.
Der Spannungsteiler weist vorteilhafterweise einen elektrischen Gesamt- Widerstand im Bereich von 0,2 MW bis 5 MW, bevorzugt im Bereich von 0,5 MW bis 2,5 MW, insbesondere im Bereich von 1 MW bis 2 MW, auf. Dies stellt eine niedrige Verlustleistung und eine hohe Spannungsfestigkeit sicher.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsge mäßen Vorrichtung in Form eines stark vereinfachten Schaltbildes.
Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfah rens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrich tung in Form eines stark vereinfachten Schaltbildes schematisch gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen Spannungsteiler 110, einen Komparator 120 und eine Klammerschaltung 130.
Der Spannungsteiler 110 ist an einer Eingangsseite mit einem Ausgang eines Leistungsschalters verbunden, der eine Ausgangsspannung U aufweist, und an einer Ausgangsseite mit Masse GND verbunden. Der Spannungsteiler 110 weist einen resitiven bzw. ohmschen und einen kapazitiven Teil auf und bildet insge samt einen sog. frequenzkompensierten Spannungsteiler.
Der Spannungsteiler 110 weist mehrere Widerstände 112, 116 auf, die zueinan der in Reihe geschaltet sind. Parallel zu jedem der Widerstände 112 ist jeweils ein Kondensator 114 geschaltet. Ein Messspannnungsabgriff befindet sich vor dem Widerstand 116, so dass sich das Spannungsteilerverhältnis aus dem Ver hältnis des Widerstands 116 zum Gesamtwiderstand ergibt. Der Messspan nungsabgriff ist ferner mit der Klammerschaltung 130 verbunden.
Über die Dimensionierung des Widerstands 116 kann somit das ohmsche Span nungsteilerverhältnis des Spannungsteilers 110 vorgegeben werden.
Der Spannungsteiler 110 ist in vorteilhaften Ausgestaltungen gegen seine Um gebung mittels einer Massefläche geschirmt (nicht in der Zeichnung dargestellt). Die Massefläche bildet mit den Widerständen 112 des Spannungsteilers 110 im Betrieb parasitäre Kapazitäten aus. Diese werden durch die Kondensatoren 114, die zu den Widerständen 112 parallel geschaltet sind, kompensiert, so dass die parasitären Kapazitäten das Potential des Messspannungsabgriffs des Span nungsteilers 110 nicht beeinflussen.
Ein Kondensator 118 ist zwischen den Messspannungsabgriff des Spannungstei lers 110 und Masse GND bzw. parallel zum Widerstand 116 geschaltet. Dieser Kondensator 118 ist Teil des kapazitiven Spannungsteilers und dient dazu, das kapazitive Teilerverhältnis des Spannungsteilers einzustellen.
Die Widerstände 112 des Spannungsteilers 110 weisen jeweils hohe elektrische Widerstandswerte auf. Beispielsweise kann jeder der Widerstände 112, von de nen beispielsweise 2 bis 20 Exemplare in Reihe geschaltet sind, einen Wider stand zwischen 10 kQ und 2,5 MW, insbesondere zwischen 100 kQ und 1 MW, beispielsweise ca. 200 kW aufweisen. Jeder der Widerstände 112 weist dabei bevorzugt den gleichen elektrischen Widerstand auf, es können jedoch auch un terschiedliche elektrische Widerstände verwendet werden. Die Kondensatoren 114 werden entsprechend klein dimensioniert. Beispielsweise weisen die Kon densatoren 114 jeweils eine Kapazität von 1 pF bis 200 pF, insbesondere zwi schen 5 pF und 100 pF, beispielsweise etwa 10 pF, auf.
Der Komparator 120 ist, wie bereits erwähnt, mit einem Eingang mit dem Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers 110 verbunden. Ein weiterer Eingang des Komparators ist mit einer Referenz-Spannungsquelle verbunden, die eine Referenzspannung Uref bereitstellt. Im Betrieb vergleicht der Komparator 120 die an dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 anliegende Spannung mit der Referenzspannung Uref und leitet eine Maßnahme ein, wenn die Span nung des Messspannungsabgriffs des Spannungsteilers 110 die Referenzspan nung Uref übersteigt. Beispielsweise gibt der Komparator 120 ein Signal als die Maßnahme aus, oder er steuert eine Schaltung zum Abschalten des Leistungs schalters, dessen Ausgangsspannung U die Vorrichtung 100 überwacht.
Die Klammerschaltung 130 weist einen Schalter auf, beispielsweise einen Tran sistor, dessen Source-Anschluss mit dem Messspannungsabgriff des Span- nungsteilers 110 verbunden ist, und dessen Drain-Anschluss mit einer Masse GND verbunden ist. Ist der Leistungsschalter, dessen Ausgangsspannung die Vorrichtung 100 überwacht, geöffnet bzw. befindet er sich in einer Ansteuerpha se, während der er geschlossen wird, wird die Klammerschaltung 130, insbeson dere über den Gate-Anschluss des Transistors, zum Schließen der Verbindung zwischen Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 und Masse GND ge steuert. Ist der Leistungsschalter hingegen geschlossen, wird die Verbindung zwischen Masse GND und Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 über die Klammerschaltung 130 unterbrochen, so dass der Komparator 120 an seinem mit dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 verbundenen Eingang die tatsächliche Ausgangsspannung erfassen kann. Die Klammerschal tung 130 umfasst ferner eine Diode, die in Sperrrichtung zwischen den Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers und Masse GND geschaltet ist, sowie eine Diode, die in Sperrrichtung zwischen eine Versorgungsspannung und Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers 110 geschaltet ist. Diese beiden Dioden dienen dazu, die Spannung des Messspannungsabgriffs des Spannungsteilers 110 auf den Bereich zwischen der Versorgungsspannung und Massepotential GND zu begrenzen, um eine Schädigung des Komparators 120 zu verhindern.
In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfah rens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms dargestellt und insge samt mit 200 bezeichnet.
Das Verfahren 200 umfasst in einem ersten Schritt 210 ein Vergleichen zweier Spannungen, einer Referenzspannung Uref und einer Messspannung des Span nungsteilers 110, die jeweils an einem Eingang des Komparators 120 anliegen.
In einem Schritt 220 wird, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichsschritts 210, der weitere Verlauf des Verfahrens 200 festgelegt. Ist die Messspannung des Spannungsteilers 110 kleiner als oder gleich hoch wie die Referenzspan nung Uref, kehrt das Verfahren zu Schritt 210 zurück.
Wird jedoch festgestellt, dass die Messspannung die Referenzspannung Uref übersteigt, fährt das Verfahren mit einem Schritt 230 fort, in dem eine Maßnahme durchgeführt wird. Beispielsweise gibt der Komparator in einem solchen Fall ein Signal aus, das insbesondere veranlasst, dass der Leistungsschalter, dessen Durchgangsspannung mit dem Verfahren 200 überwacht wird, abgeschaltet bzw. geöffnet (hochohmig) wird.
Das in Figur 2 dargestellte Verfahren 200 ist Teil einer vorteilhaften Ausgestal tung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ferner Schritte umfasst, die dazu dienen, den Messspannungsabgriff des Spannungsteilers mit Masse GND kurz zuschließen, wenn kein sinnvolles Ergebnis des Vergleichs in Schritt 210 zu er warten ist, also insbesondere in Zeiträumen, in denen der überwachte Leistungs schalter geöffnet ist und somit ein hoher Spannungsabfall über seinen Ausgän gen zu erwarten ist, oder in Ansteuerphasen des Leistungsschalters, in denen aufgrund der starken zeitlichen Veränderung der an der Eingangsseite des Spannungsteilers anliegenden Spannung mit Störungen der an dem Messspan nungsabgriff des Spannungsteilers 110 anliegenden Spannung zu rechnen ist. Wenn in solchen Schritten der Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 über die Klammerschaltung 130 mit Masse GND kurzgeschlossen ist, kann der Komparator 120 an seinem mit dem Messspannungsabgriff des Spannungstei lers 110 verbundenen Eingang nur eine Spannung erfassen, die im Wesentlichen Masse entspricht und daher unterhalb der Referenzspannung Uref liegen muss. Daher wird dann kein Überstrom erkannt, obwohl ein Spannungsabfall über dem überwachten Leistungsschalter vorliegt, der höher ist, als der im Normalbetrieb ohne Überstrom zu erwartende Spannungsabfall und somit numerisch eine Überstromdetektion rechtfertigen würde. Dadurch wird das Verfahren 200 vor falsch positiven Überstromdetektionen geschützt, so dass keine Maßnahme 230 durchgeführt wird, wenn der Leistungsschalter geöffnet ist oder gerade geschlos sen wird.
Es versteht sich, dass Schritte des Verfahrens 200 auch zusammengefasst wer den können und daher die dargestellte Reihenfolge rein illustrativ zu verstehen ist. Beispielsweise können die Schritte 210 und 220 im Wesentlichen als ein ein ziger Schritt durchgeführt werden, der kontinuierlich die Spannungen vergleicht und die Maßnahme 230 auslöst, sobald die überwachte Messspannung des Spannungsteilers 110 die Referenzspannung Uref übersteigt. Je nach verwende- ten elektronischen Bauteilen, beispielsweise des Komparators 120, kann dies besonders vorteilhaft sein.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zur Überstromdetektion an einem Leistungsschalter, umfas send:
Herunterteilen (210) des Spannungsabfalls (U) über einem Leitpfad des Leistungsschalters unter Verwendung eines Spannungsteilers (110) auf eine Messspannung,
Vergleichen (220) der Messspannung mit einem Schwellwert (Uref), und
Durchführen einer Maßnahme (230), insbesondere Ausgeben eines Signals und/oder Abschalten des Leistungsschalters, wenn die Messspan nung den Schwellwert (Uref) überschreitet.
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Deaktivieren des Vergleichens während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschalters, wo bei der Einschaltvorgang insbesondere eine Dauer von 1 ps, 0,5 ps oder 0,1 ps nicht überschreitet, und/oder während der Leistungsschalter ausge schaltet ist.
3. Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei das Deaktivieren umfasst, einen Messspannungsabgriff des Spannungsteilers (110) nach Masse (GND) kurz zuschließen.
4. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leis tungsschalter zur Bestromung eines Verbrauchers in einem Fahrzeug ge nutzt wird.
5. Vorrichtung (100) zur Überstromdetektion an einem Leistungsschalter mit ei nem Spannungsteiler (110), der zum Herunterteilen (210) des Spannungsab falls (U) über einem Leitpfad des Leistungsschalters eingerichtet ist, und ei nem Komparator (120), der an einem Messspannungsabgriff des Span- nungsteilers (110) angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist, eine Mess spannung des Messspannungsabgriffs des Spannungsteilers mit einer Refe renzspannung (Uref) zu vergleichen und ein Durchführen einer Maßnahme (230), insbesondere ein Ausgeben eines Signals und/oder ein Abschalten des Leistungsschalters, zu veranlassen, wenn die Messspannung die Refe renzspannung (Uref) übersteigt.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Spannungsteiler (110) eine Abschirmung und eine Kompensationsvorrichtung umfasst, wobei die Ab schirmung dazu eingerichtet ist, den Spannungsteiler (110) von Signalen und/oder Potentialen in der Umgebung des Spannungsteilers (110) zu ent koppeln, und die Kompensationsvorrichtung dazu eingerichtet ist, sich zwi schen der Abschirmung und dem Spannungsteiler (110) ausbildende Kapa zitäten zu kompensieren.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6, mit einer Klammerschaltung (130), die den Messspannungsabgriff des Spannungsteilers (110) während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschalters, wobei der Einschaltvor gang insbesondere eine Dauer von 1 ps, 0,5 ps oder 0,1 ps nicht überschrei tet, und/oder während der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, mit Masse (GND) kurzschließt.
8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die zumindest teilweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Referenz spannung (Uref) einstellbar ist, um eine Auslöseschwelle der Überstromde tektion einzustellen.
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, die dazu eingerichtet ist, an einen Leistungsschalter in einem Fahrzeug angeschlossen zu wer den.
11. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der Leistungs schalter ein MOSFET oder ein IGBT ist.
12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei der Span- nungsteiler (110) einen elektrischen Gesamt-Widerstand im Bereich von
0,2 MW bis 5 MW, bevorzugt im Bereich von 0,5 MW bis 2,5 MW, insbesonde re im Bereich von 1 MW bis 2 MW, aufweist.
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