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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Motor-Steuergerät
mit Fehlerschutzschaltung auf eine Weichabschalt-Schaltung, die
auf einen Überstromzustand
(wie zum Beispiel einem Kurzschluß) in dem Motor-Steuergerät anspricht,
und auf eine Entsättigungs-Kurzschlußschutzschaltung
für das
Motor-Steuergerät.
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In 1 ist
eine bekannte impulsbreitenmodulierte Motor-Steuergeräte-Inverterschaltung 2 gezeigt.
Die Motor-Steuergeräte-Schaltung 2 ist
eine Dreiphasen-Motor-Steuergerätebrücke, die
sechs IGBT- oder FET-Schalterbauteile 4,6,8,10,12 und 14 einschließt. Die
Schalterbauteile werden durch eine geeignete impulsbreitenmodulierte
(PWM-)Schwingungsform geschaltet, die von einer Gate-Treiberschaltung
erzeugt wird, die in dem Steuerblock 16 enthalten ist.
Jedes Schalterpaar (U: 4 und 6, V: 8 und 10, W: 12 und 14) schließt einen
spannungsseitigen Schalter (4,8,12) bzw.
einen erdseitigen Schalter (6,10,14)
ein. Die Schalter werden typischerweise derart gesteuert, daß wenn der
spannungsseitige Schalter eingeschaltet ist, der erdseitige Schalter
abgeschaltet ist und umgekehrt.
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Eine typische Schwingungsform für die Inverterschaltung 2 ist
in dem Zustandsdiagramm nach 2 gezeigt.
Der Hochpegel-Zustand der U-, V- und W-Signale zeigt an, daß der spannungsseitige Schalter
eingeschaltet ist, während
der erdseitige Schalter in dem entsprechenden Zweig abgeschaltet ist,
während
der Niedrigpegel-Zustand jedes Zweig-Signals anzeigt, daß der spannungsseitige Schalter
des entsprechenden Zweiges abgeschaltet ist, während der erdseitige Schalter
dieses Zweiges eingeschaltet ist.
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3 ist
ein vereinfachtes Funktionsschaltbild der bekannten Inverterschaltung 2,
das den Zustand der Schalter 4, 6, 8, 10, 12 und 14 zum
Zeitpunkt eines Überstrom-Zustandes
zeigt, der in 2 mit
OC bezeichnet ist. Typischerweise werden bei der Schaltung nach
dem Stand der Technik bei Feststellung eines Überstromzustandes lediglich
die geschlossenen oder leitenden Schalterbauteile (4,10 und 14)
durch Verringern des Pegels der Gate-Source-Spannung weich abgeschaltet,
während
die anderen Schalter (6,8 und 12) aktiv
bleiben und den ankommenden impulsbreitenmodulierten Gate-Eingangssignalen
folgen.
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Wenn entsprechend der Zweig für die Phase V
nach dem OC-Zustand gemäß 2 einen Übergang von einem niedrigen
zu einem hohen Pegel ausführt,
so führt
das Spannungspotential an dem Punkt zwischen den Schaltern 8 und 10 als
Ergebnis des Einschaltens des Schalters 8 einen schnellen Übergang
von DCBUS(–)
auf DCBUS(+) aus. Dieses schnelle Einschalten des Schalters 8 kann
ein induziertes Einschalten des Schalters 10 hervorrufen, was
einen neuen Durchschlag-Kurzschlußzustand hervorruft,
und zwar aufgrund der Miller-Kapazität kombiniert mit der sich beim
weichen Abschalten ergebenden hohen Impedanz an der Gate-Elektrode des Schalters 10.
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Ein weiteres Problem, das bei einer
typischen Motor-Steuergerät-Inverterschaltung,
wie der in 1 gezeigten
Schaltung, auftritt, besteht darin, daß ein Erdfehler als Ergebnis
eines Isolationsfehlers auftreten kann. Hierdurch kann ein Kurzschluß durch einen
Kontakt mit dem Gehäuse
oder Rahmen hervorgerufen werden. Während eines Erdfehler-Zustandes
fließt
der Kurzschlußstrom
nicht in die negative Gleichstrom-(DC-)Versorgungsleitung, so daß lediglich
die spannungsseitigen Schalter einen Schutz gegen einen Erdfehler
benötigen.
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In 4 ist
eine bekannte Äquivalenz-Schaltung 17 der
Erdfehler-Kurzschluß-Schaltung gezeigt. Während des
Erdfehlers hängt
die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes von der Induktivität L des Strompfades
zwischen der Spannungsquelle 18 und dem Leistungstransistor 19 ab.
Die Induktivität
L des Strompfades kann von dem Konstrukteur der Schaltung jedoch
nicht vorhergesagt werden, weil sie von der tatsächlichen Position des Isolationsfehlers
abhängt.
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Gemäß 5 besteht eine übliche Lösung der Erdfehler-Erkennung
in einem Meßwiderstand 20,
der auf der positiven Gleichspannungs-Versorgungsleitung angeordnet
ist. Ein Optokoppler 22 ergibt eine spannungs-/erdseitige
Isolation und überträgt die Fehlerinformation
auf die Erdseite. Der Inverter wird abgeschaltet, wenn der Strom
der positiven Gleichstrom-Versorgungsleitung einen Auslösepegel
der Fehlererkennungs-Schaltung übersteigt. Der
Auslösepegel
sollte auf einen Pegel eingestellt werden, der genau das Auftreten
eines Fehlerzustandes definiert. Die gerätemäßige Ausführung ist relativ einfach.
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Ein Problem mit dem bekannten Erdfehler-Erkennungsschema
nach 5 besteht darin, daß die große Induktivität die Anstiegsgeschwindigkeit
des Stromes verlangsamt, so daß es
dann zu lange dauert, bis der Anstieg auf den Auslösepegel erfolgt.
Siehe 6. Als Ergebnis
fließt
ein hoher Strom durch den IGBT-Transistorschalter,
was zu einer übermäßigen Verlustleistung
führen
und die Temperatur über
die Grenzwerte des Siliziums hinaus vergrößern kann. Somit kann der IGBT
beschädigt werden,
bevor die Fehlererkennung erfolgt.
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Aus der
DE 39 36 544 A1 ist eine
Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET bekannt, bei
der der Leistungs-MOSFET zwischen Erde und einer Last eingeschaltet
ist, die mit ihrem anderen Anschluß mit der Betriebsspannung verbunden
ist. Eine Meßschaltung
mißt die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET und
steuert einen steuerbaren Schalter an, der einerseits die GATE-Source-Kapazität des Leistungs-MOSFET
entlädt
und andererseits den Widerstand eines in der GATE-Leitung liegenden
steuerbaren Widerstands erhöht,
so daß zusätzlich der
Ladestrom für
die GATE-Source-Kapazität verringert
wird.
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Aus der
US 5 173 848 ist ein Motor-Steuergerät mit bipolaren
Leistungstransistoren mit isoliertem GATE bekannt, bei dem bei Auftreten
einer Entsättigung
der Leistungstransistoren ein in die GATE-Steuerleitung eingeschalteter
steuerbarer Widerstand in Richtung auf einen höheren Widerstand angesteuert
wird, um die GATE-Source-Steuerspannung zu verringern.
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Aus der
US 5 687 049 A ist weiterhin
ein Motor-Steuergerät
bekannt, bei dem in jeder Phase jeweils zwei Transistoren in Reihe
geschaltet sind, an deren gemeinsamen Verbindungspunkt die Speisespannung
für eine
jeweilige Motorwicklung abgenommen wird. Hierbei werden die mit
der Betriebsspannung verbundenen oder spannungsseitigen Leistungstransistoren über eine
Entsättigungs-Schutzschaltung
angesteuert, die bei Feststellung von Fehlerzuständen eine Verringerung der
Ansteuerung der Leistungs-Halbleiterbauteile
bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Motor-Steuergeräte-Schaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine schnelle und zuverlässige Abschaltung
bei Fehlerzuständen
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Motor-Steuergeräte-Schaltung
der vorliegenden Erfindung beseitigt die Probleme beim Stand der
Technik, wie sie weiter oben erwähnt
wurden, dadurch, daß ein
weiches Abschalten aller sechs Schalterbauteile einer Motor-Steuergeräte-Schaltung beim Auftreten
eines Fehlerzustandes ausgeführt
wird, wodurch alle Schaltvorgänge
beendet werden. Daher ergibt sich kein mögliches fehlerhaftes Einschaltproblem
aufgrund eines zusätzlichen Schattens
und des damit verbundenen Miller-Effektes. Zusätzlich ergibt die vorliegende
Erfindung Schaltungen für
einen Kurzschlußschutz,
der den Wert von VCE eines Leistungstransistor-Schalterbauteils
unter Verwendung einer Entsättigungs-(DESAT-)Schaltung
in einer integrierten Gate-Treiberschaltung mißt. Bei Auftreten eines Kurzschlusses wird
der Einschaltzustand des Leistungstransistor-Schalters beendet und
seine Ausgangsspannung steigt an. Die DESAT-Funktion ist für jeden
spannungsseitigen IGBT vorgesehen, sie wird jedoch lediglich dann
wirksam gemacht, wenn der IGBT eingeschaltet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den der folgenden Beschreibung
der Erfindung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
typische bekannte impulsbreitenmodulierte Dreiphasen-Wechselstrommotor-Steuergeräte-Inverterschaltung,
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2 eine
Schwingungsform-Darstellung für eine
Motor-Steuergeräte-Schaltung,
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3 den
Zustand der Schalter in der Schaltung nach 1, zum Zeitpunkt eines Überstrom-Zustandes,
der in 2 mit "OC" bezeichnet ist,
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4 eine Äquivalenz-Schaltung
eines Erdfehler-Kurzschlusses in dem Motor-Steuergerät nach 1,
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5 eine
schematische Darstellung einer üblichen
Erdfehler-Erkennungslösung
unter Verwendung eines Meßwiderstandes
auf der spannungsseitigen Versorgungsleitung und eines Optokopplers,
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6 das
Ergebnis einer großen
Induktivität in
dem Kurzschlußpfad,
wodurch die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes in nachteiliger
Weise verlangsamt wird,
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7 ein
Blockschaltbild einer Treiber-Ausgangsschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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8 ein
Schaltbild, das eine Entsättigungs-Kurzschlußschutz-Lösung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In 7 ist
ein Blockschaltbild einer Gate-Treiber-Ausgangsschaltung 30 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Schaltung 30 schließt einen
Treiberschaltungsblock 32 ein, der mit dem IGBT-Schalter 36 verbunden
ist. Der Treiberschaltungsblock 32 liefert eine impulsbreitenmodulierte
Schwingungsform, die einen spannungsseitigen Treiberausgang 38 und
einen erdseitigen Treiberausgang 40 in Abhängigkeit
von Signalen liefert, die von der integrierten Gate-Treiberschaltung
erzeugt und über
einen Vor-Treiber 41 zugeführt werden.
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Wenn ein Überstromzustand auftritt, wie
zum Beispiel ein Kurzschlußzustand
von Leitung zu Leitung zwischen der Phase "U" und
der Phase "V" (1 und 2),
so wird zunächst
ein Erkennungssignal einer DESAT-(Entsättigungs-)Fehlerlogikschaltung 42 zugeführt. Der Überstromzustand
kann entweder durch die Sättigungsspannung
längs des Schalters 36,
die Spannung längs
des Meßwiderstandes 44,
oder durch beide, festgestellt werden. Weil die Fehlerlogikschaltung
den Überstromzustand erkennt,
leitet sie einen "weichen" Abschaltvorgang des
Schalters 36 ein.
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Der Schalter wird dadurch weich abgeschaltet,
daß ein
eine hohe Impedanz aufweisender Serien-Widerstand 48 in
die Gate-Treiberschaltung eingeschaltet wird. Der Gate-Eingang jedes
Schalterbauteils wird auf einen niedrigen Pegel gebracht, und dieser
Zustand bleibt erhalten, bis ein Fehlerrücksetzsignal der Fehlerlogikschaltung
zugeführt
wird. Daher tritt kein zusätzlicher
Schaltvorgang in der Abschaltbetriebsweise auf, selbst bei Vorliegen
aktivierter und anhängiger
PWM-Signaleingänge,
wie dies in 2 mit gestrichelten
Linien gezeigt ist.
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Entsprechend entsteht kein mögliches
fehlerhaftes Einschaltproblem aufgrund des zusätzlichen Schattens und des
zugehörigen
Miller-Effektes. Entsprechend werden bei Auftreten eines Kurzschlusses
die Einschaltspannung und der Durchlaßwiderstand des IGBT 36 vergrößert. Eine
Austastzeit von 2 μs
(48, 7) ermöglicht es
dem IGBT, vollständig
einzuschalten.
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Eine DESAT-Funktion ist für jeden
spannungsseitigen IGBT vorgesehen, doch wird diese lediglich dann
wirksam gemacht, wenn der IGBT eingeschaltet ist.
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Ein Meßwiderstand 44 ist
wahlweise in die Schaltung außerhalb
der integrierten Gate-Treiberschaltung eingefügt. Der Widerstand 44 ergibt
zwei Vorteile gegenüber
einer Schaltung ohne einen Meßwiderstand 44:
- 1. ein schnelleres Abschalten, insbesondere wenn
der Stromanstieg relativ langsam ist.
- 2. Die DESAT-Anschlußstift-Spannung
umfaßt nicht
nur die IGBT-Sättigungsspannung,
sondern auch die Kurzschlußstrom-Information.
Die Größe des Kurzschlußstroms
kann durch den Meßwiderstand 44 und
das Widerstandsteilernetzwerk am DESAT-Anschlußstift zusätzlich zu der VCE(SAT)-Spannung bestimmt
werden.
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Der Erkennungspegel der Schaltung
muß über den
maximalen Wert von VCE(ON) des IGBT eingestellt
werden, wenn der IGBT entsättigt
wird.
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8 zeigt
eine integrierte Gate-Treiberschaltung 46, die die Treiber-Ausgangsschaltung nach 7 verwendet, wie sie gerätemäßig in der
integrierten Dreiphasen-Brücken-Treiberschaltung vom
Typ IR2137 ausgeführt
ist, die von der Firma International Rectifier, El Segundo, Kalifornien
hergestellt wird.
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Als Beispiel der vorliegenden Erfindung
hat im Normalfall die Spannung VSENSE längs des
Widerstandes 44 einen Wert von 1,0 V, und VCE(SAT)
= 1,8 V. Wenn ein Erdfehler (ein absoluter Kurzschluß) auftritt,
so beträgt
VSENSE ungefähr 3,0 V und VCE(SAT) beträgt ungefähr 5,0 V.
Eine Spannung von 8,0 V an dem DESAT-Anschlußstift bewirkt ein Auslösen der Gate-Abschaltschaltung,
wodurch die Gate-Ansteuerung
abgeschaltet wird. Das weiche Abschalten wird in der vorstehend
beschriebenen Weise eingeleitet, wobei ein eine hohe Impedanz aufweisender
Widerstand in die Gate-Treiberschaltung für jeden der Leistungstransistoren
eingefügt
wird, der durch die Gate-Treiberschaltung gesteuert wird. In der
Konfiguration für
ein Paar derartiger Leistungstransistoren, wie dies in 8 gezeigt ist, bewirkt das
Weichabschalt-Signal, daß die
Gate-Ansteuerschaltung
einen eine hohe Impedanz aufweisenden Widerstand 52 am
Gate des spannungsseitigen Schalters 54 und einen eine
hohe Impedanz aufweisenden Widerstand 56 am Gate des erdseitigen
Schalters 58 einfügt.