DE102007028929B3 - Sensor for use with power electronics - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Messfühler (10), insbesondere Temperaturfühler, zum Einsatz in oder bei einer Leistungselektronik (2) angegeben. Der Messfühler (10) umfasst ein Sensorelement (11), das über mindestens eine elektrische Signalleitung (12) mit einem Signalausgang (13) verdrahtet ist. Die Signalleitung (12) ist über einen im Normalbetrieb sperrenden, aber bei Überspannung öffnenden Überspannungsbypass (17a, 17b) mit Masse (M) verbunden. In der Signalleitung (12) ist eine Sicherung (16a, 16b) dem Sensorelement (11) und dem Überspannungsbypass (17a, 17b) zwischengeschaltet.A sensor (10), in particular temperature sensor, for use in or with power electronics (2) is specified. The measuring sensor (10) comprises a sensor element (11) which is wired via at least one electrical signal line (12) to a signal output (13). The signal line (12) is connected to ground (M) via a overvoltage bypass (17a, 17b) which blocks in normal operation but opens in the event of overvoltage. In the signal line (12), a fuse (16a, 16b) the sensor element (11) and the overvoltage bypass (17a, 17b) interposed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Messfühler, insbesondere einen Temperaturfühler, zum Einsatz in oder bei einer Leistungselektronik.The The invention relates to a measuring sensor, in particular a temperature sensor, for use in or at a power electronics.
Im Rahmen einer Leistungselektronik ist häufig ein Temperaturfühler vorgesehen, der die Temperatur der Leistungselektronik misst. Das von dem Temperaturfühler erfasste Messsignal wird in einer nachgeschalteten Signalelektronik mit dem Ziel ausgewertet, eine Überhitzung der Leistungselektronik zu vermeiden. Insbesondere in der Automobiltechnik werden häufig Leistungselektronikmodule, z. B. in einem elektrischen Umrichter für einen Hybridantrieb, mit integriertem Temperaturfühler eingesetzt.in the In the context of power electronics, a temperature sensor is often provided, which measures the temperature of the power electronics. The detected by the temperature sensor Measuring signal is in a downstream signal electronics with the Target evaluated, overheating to avoid the power electronics. Especially in the automotive industry become common Power electronics modules, eg. B. in an electrical inverter for one Hybrid drive, used with integrated temperature sensor.
Bei einem Lichtbogenfehler in der Leistungselektronik, z. B. beim Ausfall eines Leistungsschalters, besteht eine gewisse Gefahr, dass der Lichtbogen auf den der Leistungselektronik zugeordneten Temperaturfühler überspringt. In diesem Fall kann eine gefährliche elektrische Spannung zur Signalelektronik gelangen. Hierdurch kann es einerseits zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Signalelektronik kommen. Andererseits ist eine solche Signalelektronik – da sie im Normalbetrieb lediglich mit ungefährlicher Niederspannung arbeitet, nicht oder nur schwach elektrisch isoliert, so dass bei einem Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf die Signalelektronik unter Umständen eine Gefahr für Personen besteht.at an arc fault in the power electronics, z. B. in case of failure of a circuit breaker, there is a certain risk that the Arc on the power electronics associated temperature sensor skips. In this case, a dangerous electrical voltage to the signal electronics arrive. This can on the one hand to damage or destruction the signal electronics come. On the other hand, such a signal electronics - as they in normal operation works only with harmless low voltage, not or only weakly electrically isolated, so that at a voltage flashover from the power electronics to the signal electronics under some circumstances Danger to persons consists.
Eine ähnliche Problematik besteht grundsätzlich auch für Messfühler zur Erfassung weiterer Messgrößen, sofern diese in oder bei einer Leistungselektronik oder einer sonstigen Umgebung, in der hohe elektrische Spannungen auftreten, eingesetzt werden.A similar Problem exists in principle also for probe for recording further measured variables, provided this in or at a power electronics or other Environment in which high electrical voltages occur become.
Um einen Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf die Signalelektronik auszuschließen, wird bisweilen dem Messfühler und der Signalelektronik eine galvanische Trennstrecke zwischengeschaltet, über welche das von dem Messfühler erfasste Messsignal auf nicht-elektrischem Wege, beispielsweise durch optische oder magnetische Übertragungsmechanismen übertragen wird. Die Realisierung einer galvanischen Trennstrecke ist aber vergleichsweise aufwändig. Alternativ hierzu kann der Messfühler von der Leistungselektronik auch durch eine hinreichende elektrische Isolationsschicht abgekapselt, insbesondere außerhalb eines Leistungselektronikmoduls angeordnet sein. Eine solche Isolationsschicht behindert regelmäßig aber auch den Wärmefluss zwischen der Leistungselektronik und dem Temperaturfühler, so dass ein elektrisch abgekapselter Temperaturfühler die tatsächliche Temperatur der Leistungselektronik nur vergleichsweise unpräzise erfassen kann.Around a flashover from the power electronics to the signal electronics is excluded sometimes the sensor and the signal electronics interposed a galvanic isolation path, via which that from the probe detected measurement signal on non-electrical ways, for example transmitted by optical or magnetic transmission mechanisms becomes. The realization of a galvanic isolation path is but comparatively consuming. Alternatively, the sensor from the power electronics also by a sufficient electrical Insulating layer encapsulated, in particular outside of a power electronics module be arranged. Such an insulation layer hinders regularly but also the heat flow between the power electronics and the temperature sensor, so that an electrically encapsulated temperature sensor the actual Temperature of the power electronics detect only comparatively imprecise can.
Aus
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messfühler anzugeben, der mit einfachen Mitteln realisierbar ist und der ohne Gefährdung von Personen oder einer nachgeschalteten Signalelektronik vorteilhaft im Bereich einer Leistungselektronik einsetzbar ist.Of the Invention has for its object to provide a sensor, which can be realized with simple means and without endangering Persons or a downstream signal electronics advantageous can be used in the field of power electronics.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Messfühler ein Sensorelement zur Erfassung eines Messsignals, das über mindestens eine elektrische Signalleitung mit einem Signalausgang verdrahtet ist, der an eine nachgeschaltete Signalelektronik anschließbar ist. Um im Falle eines Lichtbogenüberschlags auf das Sensorelement eine Gefährdung von Personen oder der nachgeschalteten Signalelektronik zu vermeiden, ist die Signalleitung über einen Überspannungsbypass mit Masse verbunden. Der Überspannungsbypass hat hierbei die Eigenschaft, dass er im Normalbetrieb des Messfühlers elektrisch sperrt, d. h. keinen Stromfluss zwischen der Signalleitung und Masse zulässt, aber im Falle einer Überspannung in der Signalleitung öffnet, d. h. die Signalleitung mit Masse kurzschließt. In der Signalleitung ist weiterhin eine Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, angeordnet, die dem Sensorelement und dem Überspannungsbypass zwischengeschaltet ist.This object is achieved by the features of claim 1. Thereafter, the sensor comprises a sensor element for detecting a measurement signal, which is wired via at least one electrical signal line to a signal output, which is connectable to a downstream signal electronics. In the event of arcing on the sensor element a danger avoidance of persons or the downstream signal electronics, the signal line is connected to earth via an overvoltage bypass. The overvoltage bypass here has the property that it locks in normal operation of the probe electrically, ie no current flow between the signal line and ground permits, but in the case of an overvoltage in the signal line opens, ie the signal line shorted to ground. In the signal line, a fuse, in particular a fuse, is arranged, which is interposed between the sensor element and the overvoltage bypass.
Die Kombination des Überspannungsbypasses mit der vorgeschalteten Sicherung bewirkt, dass bei einem Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf das Sensorelement das letztere durch den Überspannungsbypass leitend mit Masse verbunden wird. Durch die Öffnung des Überspannungsbypasses wird somit einerseits die in der Signalleitung herrschende elektrische Spannung auf einen ungefährlichen Betrag limitiert. Andererseits wird durch den im Überschlagsfall in der Signalleitung und dem Überspannungsbypass fließenden Kurzschlussstrom die Sicherung ausgelöst und somit das Sensorelement von dem Signalausgang – und damit auch von einer nachgeschalteten Signalelektronik – galvanisch getrennt. Der Aufbau einer gefährlichen Spannung in der Signalelektronik oder sonstigen, dem Sensorelement nachgeschalteten berührbaren Teilen ist somit ausgeschlossen.The Combination of overvoltage bypass with the upstream fuse causes a voltage flashover from the power electronics to the sensor element the latter through the overvoltage bypass conductively connected to ground. Through the opening of the overvoltage bypass is thus on the one hand, the electrical voltage prevailing in the signal line on a harmless Amount limited. On the other hand, by the case of rollover in the signal line and the overvoltage bypass flowing Short circuit current triggered the fuse and thus the sensor element from the signal output - and thus also of a downstream signal electronics - galvanic separated. The construction of a dangerous Voltage in the signal electronics or other, the sensor element downstream touchable Sharing is thus excluded.
Der durch die Kombination des Überspannungsbypasses mit der vorgeschalteten Sicherung gebildete Überspannungsschutz ist dabei – insbesondere im Vergleich zu einer galvanischen Trennstrecke – einfach und preisgünstig realisierbar. Er erlaubt es andererseits, das Sensorelement des Messfühlers gefahrlos in der unmittelbaren Umgebung der Leistungselektronik anzuordnen und ermöglicht somit eine präzise Messung der von dem Messfühler erhobenen Messgröße.Of the through the combination of overvoltage bypass with the upstream fuse formed surge protection is - in particular Compared to a galvanic isolator - easy and inexpensive to implement. On the other hand, it allows the sensor element of the sensor to be safely operated to arrange in the immediate vicinity of the power electronics and allows thus a precise Measurement of the collected by the probe Measured variable.
Bei dem Messfühler handelt es sich insbesondere um einen Temperaturfühler. In diesem Fall handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Temperatursensor, insbesondere in Form eines Thermoelements oder eines sonstigen temperaturempfindlichen elektrischen oder elektronischen Bauteils.at the sensor it is in particular a temperature sensor. In In this case, the sensor element is a temperature sensor, in particular in the form of a thermocouple or other temperature-sensitive electrical or electronic component.
Optional, insbesondere im Falle eines passiven Sensorelements, umfasst der Messfühler zwei oder mehr mit dem Sensorelement verbundene Signalleitungen oder eine Signalleitung, die sich zwischen dem Sensorelement und dem Signalausgang verzweigt. In diesem Fall ist in jeder Signalleitung bzw. jedem Zweig der Signalleitung ein Überspannungsbypass sowie eine diesem vorgeschaltete Sicherung vorgesehen.optionally, in particular in the case of a passive sensor element, the probe two or more signal lines connected to the sensor element or a signal line extending between the sensor element and the signal output branches. In this case, in each signal line or Each branch of the signal line, an overvoltage bypass and a provided this upstream fuse.
Der Überspannungsbypass ist in einfacher und zweckmäßiger Ausführung des Messfühlers insbesondere durch eine Zenerdiode gebildet, die der Signalleitung und Masse in Sperrrichtung zwischengeschaltet ist und die somit die in der Signalleitung anliegende Spannung auf den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode begrenzt.The overvoltage bypass is in a simple and expedient execution of the probe in particular formed by a zener diode, the signal line and ground is interposed in the reverse direction and thus the voltage applied in the signal line to the value of the breakdown voltage limited to the zener diode.
In vorteilhafter Ausführung ist in der Signalleitung ein dem Sensorelement nachgeschalteter Messverstärker vorgesehen. In diesem Fall ist der Überspannungsbypass dem Sensorelement und dem Messverstärker vorzugsweise zwischengeschaltet, um im Falle eines Spannungsüberschlags eine Spannungsüberbelastung des Messverstärkers zu verhindern.In advantageous embodiment is provided in the signal line a sensor element downstream of the measuring amplifier. In this case, the overvoltage bypass preferably interposed between the sensor element and the measuring amplifier, in case of a flashover one Voltage overload of the measuring amplifier too prevent.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist der Messfühler als eigenständiges Bauteil konzipiert, das zunächst unabhängig von der Leistungselektronik hergestellt und bestimmungsgemäß erst in einem Endmontagezustand in oder an der letzteren angeordnet wird. In einer bevorzugten alternativen Ausführung ist der Messfühler ganz oder teilweise in die Leistungselektronik integriert. Diese Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik als gekapseltes, integriertes Elektronikmodul vorliegt. Bevorzugt sind insbesondere nur das Sensorelement oder nur das Sensorelement und die oder jede Sicherung in die Leistungselektronik integriert, während die restlichen Bestandteile des Messfühlers, insbesondere ein optional vorhandener Messverstärker, in einem separaten Aufsteckbauteil extern des Leistungselektronikmoduls angeordnet sind.In an expedient embodiment of Invention is the probe as an independent Component designed, the first independently produced by the power electronics and intended only in a final assembly state in or on the latter is arranged. In a preferred alternative embodiment, the probe is whole or partially integrated into the power electronics. This design is especially advantageous when the power electronics as encapsulated, integrated electronic module is present. Preferred are in particular only the sensor element or only the sensor element and the or each fuse integrated into the power electronics while the remaining components of the probe, in particular an optional existing measuring amplifier, arranged in a separate Aufsteckbauteil externally of the power electronics module are.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur ein Leistungselektronikmodul mit einem integrierten Temperaturfühler.following is an embodiment of Invention described in detail with reference to a drawing. It shows the only figure is a power electronics module with an integrated Temperature sensor.
Das
lediglich grob schematisch Leistungselektronikmodul umfasst eine
(in der Darstellung lediglich mit einem gestrichelten Kreis angedeutete)
Leistungselektronik
Im
Betrieb der Leistungselektronik
Das
Leistungselektronikmodul
Der
Temperaturfühler
Ausgehend
von dem Sensorelement
Im
Montagezustand ist an den Signalausgang
Kommt
es im Falle eines Lichtbogenfehlers in der Leistungselektronik
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