DE102016206818A1

DE102016206818A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals für einen Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE102016206818A1
Application number: DE102016206818.0A
Authority: DE
Inventors: Magdi Dimas Zekri
Original assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Current assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals (S) für einen elektronischen Halbleiterschalter (16) mittels einer Treiberschaltung (20), bei welchem in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur (T) des Halbleiterschalters (16) ein Spannungspotential einer Versorgungsspannung (UO, UU) der Treiberschaltung (20) geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals für einen Halbleiterschalter mittels einer Treiberschaltung.
Elektromotorisch betriebene Antriebsmaschinen weisen typischerweise einen gesteuerten Elektromotor auf. Hierfür werden Elektromotoren eingesetzt, bei denen ein gegenüber einem Stator drehbar gelagerter Rotor durch ein magnetisches Drehfeld angetrieben wird. Dabei werden Phasenwicklungen des Stators (Statorwicklung) mit einem entsprechenden elektrischen Dreh- oder Motorstrom beaufschlagt, welcher mittels einer (Motor-)Elektronik gesteuert und/oder geregelt wird. Die Motorelektronik weist hierbei allgemein eine Leistungselektronik zur Erzeugung des Drehstroms sowie eine Auswerteelektronik zur Steuerung beziehungsweise Regelung auf.
Zur Erzeugung des Drehstroms weist die Leistungselektronik eine Brückenschaltung auf, welche im Zuge eines (Motor-)Stromrichters (Wechselrichter) eine Gleichspannung eines angeschlossenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreises in einen mehrphasigen Drehstrom zum Antrieb des beispielsweise mit Permanentmagneten versehenen Rotors wandelt. Die Brückenschaltung ist hierbei beispielsweise aus einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von (IGBT-)Brückenmodulen aufgebaut. Die Leistungselektronik beziehungsweise die Brückenmodule werden durch einen Controller als (Motor-)Steuereinheit seitens der Auswerteelektronik geregelt, sodass ein möglichst sicherer und zuverlässiger Betrieb des Elektromotors gewährleistet ist.
Zur Ansteuerung der (Leistungs-)Halbleiterschalter der Brückenmodule sind Treiberschaltungen vorgesehen, welche in Abhängigkeit von Signalen des Controllers pulsweitenmodulierte Steuersignale an einen jeweiligen Steuereingang der Halbleiterschalter senden. Im Betrieb werden die Halbleiterschalter durch die Steuersignale getaktet umgeschaltet, wodurch in der Folge der Drehstrom für den Antrieb des Rotors erzeugt wird. Bei einem solchen Umschalten treten Wärmeverluste der Halbleiterschalter auf, welche zumindest teilweise mittels eines Kühlkörpers oder anderen Kühlvorrichtungen entwärmt werden.
Diese Umschaltverluste sind abhängig von der Schaltgeschwindigkeit, das bedeutet von der Steilheit oder Steigung der Schalt- oder Pulsflanken des impulsförmigen Steuersignals, wobei höhere Schaltgeschwindigkeiten geringere Wärmeverluste erzeugen. Erhöhte Schaltgeschwindigkeiten bewirken jedoch während des getakteten Umschaltens eine hochfrequente Abstrahlung (Störstrahlung) der Halbleiterschalter, welche bezüglich der Anforderungen und Richtlinien im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) als kritisch anzusehen ist. Zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung der Abstrahlung werden daher beispielsweise lediglich vergleichsweise geringe Schaltgeschwindigkeiten realisiert, und/oder es werden zusätzliche kostenintensive (Strahlungs-)Abschirmungen im Bereich der Brückenschaltung angeordnet.
Ebenso möglich ist eine externe Ansteuerung der Halbleiterschalter beziehungsweise der Treiberschaltungen zur Reduzierung der Abstrahlung sowie zum Schutz vor Überspannungen. Eine derartige Ansteuerung ist beispielsweise aus der DE 10 2011 077 387 A1 bekannt, bei welcher die Schaltflanken beziehungsweise die Schaltgeschwindigkeit des Steuersignals anhand eines Betriebszustands der Halbleiterschalter variiert wird. Hierzu erzeugt eine Stelleinrichtung (Controller) des Elektromotors ein vom Betriebszustand abhängiges Stellsignal mit welchem die Schaltgeschwindigkeit der durch die Treiberschaltung erzeugten Steuersignale eingestellt wird. Derartige externe Ansteuerungen weisen jedoch einen vergleichsweise hohen Verschaltungs- und Steuerungsaufwand auf und sind daher mit vergleichsweise hohen Betriebskosten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals für einen elektronischen Halbleiterschalter mittels einer Treiberschaltung anzugeben. Des Weiteren sollen eine hierzu geeignete Schaltungsanordnung und ein Elektromotor mit einer solchen Schaltungsanordnung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Schaltungsanordnung wird die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und hinsichtlich eines die Schaltungsanordnung aufweisenden Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Erzeugung eines insbesondere impulsförmigen Steuersignals für einen elektronischen Halbleiterschalter mittels einer Treiberschaltung. Verfahrensgemäß ist hierbei vorgesehen, dass in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur des Halbleiterschalters ein Spannungspotential beziehungsweise eine Amplitude einer Versorgungsspannung der Treiberschaltung geregelt wird. Insbesondere wird durch die Variation der Versorgungsspannung die Amplitude des Steuersignals (Ansteueramplitude) beeinflusst.
Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters von der Ansteueramplitude abhängig ist. Insbesondere bewirkt eine höhere Ansteueramplitude eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit beziehungsweise steilere Schaltflanken während des Umschaltens des Halbleiterschalters. Mit anderen Worten bewirkt eine reduzierte Ansteueramplitude eine verringerte Schaltgeschwindigkeit beim Umschalten des Halbleiterschalters. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Erzeugung des Steuersignals möglich. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters somit nicht durch eine Variation der Schaltgeschwindigkeit des Steuersignals, sondern durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Ansteueramplitude des Steuersignals geregelt.
Die Treiberschaltung ist geeigneterweise mit einem externen Controller (Steuereinheit) zur Steuerung und Regelung des Tastgrads des Steuersignals gekoppelt. Hierzu sendet der Controller entsprechende Controllersignale an die Treiberschaltung, wobei die Controllersignale jedoch vorzugsweise nicht von der Betriebstemperatur und/oder der Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters abhängig sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Schaltgeschwindigkeit somit nicht durch den Controller gesteuert und/oder geregelt. Vielmehr ist vorzugsweise eine von dem Controller unabhängige Regelung der Versorgungsspannung der Treiberschaltung vorgesehen.
Der Controller ist zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Steuerung und/oder Regelung des Halbleiterschalters beziehungsweise der Treiberschaltung in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass der Halbleiterschalter im Montagezustand – gegebenenfalls in Interaktion mit einem Benutzer – bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch betrieben wird.
Der Controller ist in einer möglichen Ausführungsform im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch programmierbare elektronische Bauteile, zum Beispiel einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung der Steuerung und/oder Regelung mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
Unter der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters sind in diesem Zusammenhang insbesondere dessen im Betrieb auftretende Wärmeverluste zu verstehen. Dies bedeutet, dass die Ansteueramplitude des Steuersignals und somit die Schaltgeschwindigkeit im Wesentlichen anhand der auftretenden Wärmeverluste des Halbleiterschalters geändert wird.
Dadurch wird auf vorteilhafte Weise der Umstand genutzt, dass bei geringen Stromstärken des durch den Halbleiterschalter zu schaltenden (Dreh-)Stroms, das bedeutet insbesondere bei einem Leerlauf oder im Falle einer Schwachlast, bei einer gegebenen Ansteueramplitude schneller umgeschaltet wird als während einer Volllast. Dies bedeutet, dass geringere Schaltgeschwindigkeiten nötig sind, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen. Aufgrund der geringeren Wärmeverluste bei Schwachlast oder Leerlauf ist dies vorteilhaft und einfach durch eine Reduzierung der Ansteueramplitude realisierbar. In der Folge schaltet der Halbleiterschalter bei geringen Auslastungen langsamer, wodurch die EMV-kritische Abstrahlung reduziert wird.
Im Volllastbetrieb treten aufgrund der größeren Auslastung höhere Wärmeverluste auf. Bei einer derartigen Erhöhung der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters wird in der Folge das Spannungspotential der Versorgungsspannung vorzugsweise erhöht, wodurch die Ansteueramplitude des Steuersignals zunimmt. Dadurch wird die Schaltgeschwindigkeit erhöht und somit die Wärmeverluste reduziert. Die Abstrahlung im Volllastbetrieb ist hierbei jedoch aufgrund des höheren zu schaltenden Stroms geringer, als die Abstrahlung im Schwachlastfall bei einer Ansteuerung mit einer hohen Ansteueramplitude. Dadurch wird die Abstrahlung im Volllastbetrieb vorteilhaft reduziert. Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzliche Abschirmung zur Reduzierung der Abstrahlung für den Halbleiterschalter benötigt.
In einer geeigneten Weiterbildung ist der Halbleiterschalter mit einem Kühlkörper gekoppelt, dessen (Kühlkörper-)Temperatur als Maß für die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters überwacht wird. Im Schwachlastfall oder bei Leerlauf sind die auftretenden Wärmeverluste des Halbleiterschalters durch den Kühlkörper entwärmbar, ohne dass sich dieser signifikant erwärmt. Im Gegensatz hierzu erwärmt sich der Kühlkörper jedoch während des Volllastbetriebs, sodass durch eine Überwachung des Kühlkörpers auf einfache Art und Weise die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters erfasst wird. Zur Überwachung der Kühlkörpertemperatur sind beispielsweise resistive Sensorelemente, wie NTC-(negative thermal coefficient) oder PTC-(positive thermal coefficient)Sensoren, vorgesehen. Alternativ ist es aber beispielsweise ebenso denkbar, dass ein Temperatursensor im Halbleiterschalter selbst integriert ist, um dessen Betriebstemperatur direkt zu überwachen.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters beziehungsweise die Temperatur des damit gekoppelten Kühlkörpers mit einer Referenztemperatur beispielsweise als Temperaturschwellwert zur Erhöhung und/oder Reduzierung der Ansteueramplitude verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichs beziehungsweise mit dem Vergleichsergebnis wird eine von der Treiberschaltung galvanisch getrennte Spannungsquelle angesteuert. Die Spannungsquelle wird hierbei zur Erzeugung der Versorgungsspannung verwendet. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine betriebstemperaturabhängige Regelung der Ansteueramplitude realisiert.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Vergleich insbesondere eine Differenzbildung. Dies das bedeutet, dass ein Maß für die Differenz zwischen der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters und der Referenztemperatur bestimmt und vorzugsweise als Regel- und/oder Steuergröße verwendet wird. Dieses Maß wird anschließend als Vergleichs- beziehungsweise Differenzergebnis der Spannungsquelle zu deren Ansteuerung zugeführt.
In einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist die Spannungsquelle an einen Oszillator gekoppelt. Mittels des Oszillators wird das Vergleichsergebnis galvanisch getrennt an einen die Treiberschaltung enthaltenden Steuerschaltkreis übertragen. Dadurch ist eine besonders sichere Übertragung des Vergleichsergebnisses ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist zur Durchführung des Verfahrens ein mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters gekoppelten Optokoppler der Treiberschaltung auf, welcher durch die Versorgungsspannung betrieben wird. Der Optokoppler ist hierbei vorzugsweise mit einer Push-Pull-Endstufe ausgestaltet, wobei eine Änderung der Versorgungsspannung eine entsprechende Änderung der Ansteueramplitude des Steuersignals bewirkt.
Durch den Optokoppler ist ein die Treiberschaltung und den Controller aufweisender Schaltkreis sicher von einem durch den Halbleiterschalter geschalteten Schaltkreis getrennt. In einer möglichen Anwendung weist der Schaltkreis des Halbleiterschalters hierbei ein vergleichsweise hohes Spannungspotential auf, wobei der Schaltkreis der Steuerelektronik (Treiberschaltung, Controller) ein vergleichsweise niedriges Spannungspotential zum Betrieb aufweist. Durch die galvanische Trennung dieser Schaltkreise sind der Controller sowie die Treiberschaltung anwenderseitig berührungssicher, insbesondere zum Schutz gegen eine hohe Zwischenkreisspannung.
In einer bevorzugten Ausbildung ist zur Erfassung der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters ein Temperaturschaltkreis vorgesehen, welcher galvanisch von einem Steuerschaltkreis der Treiberschaltung getrennt ist. Dadurch sind der Temperaturschaltkreis und der Steuerschaltkreis voneinander potentialfrei gehalten, sodass eine möglichst exakte Erfassung der Betriebstemperatur möglich ist. Der Steuerschaltkreis ist vorzugsweise galvanisch von dem Schaltkreis des Controllers getrennt. Dies bedeutet, dass der Steuerschaltkreis vorzugsweise lediglich für die Erzeugung der Versorgungsspannung verwendet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zur signaltechnischen Kopplung zwischen dem Temperaturschaltkreis und dem Steuerschaltkreis ein Transformator vorgesehen. Dadurch ist das Vergleichsergebnis auf einfache Art und Weise von dem Temperaturschaltkreis an den Steuerschaltkreis übermittelbar.
In einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist der Steuerschaltkreis einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter zur Erzeugung der Versorgungsspannung auf. Vorzugsweise wird das Vergleichsergebnis zur Ansteuerung der im Temperaturschaltkreis angeordneten Spannungsquelle verwendet, wobei die Spannungsquelle die Amplitude des vom Oszillator erzeugten Signals beeinflusst. Dadurch wird das Vergleichsergebnis in der Amplitude einer Wechselspannung zur Übertragung mittels des Transformators kodiert. Im Steuerschaltkreis wird die übertragene Wechselspannung mittels des Gleichrichters in eine für den Betrieb der Treiberschaltung, insbesondere für den Betrieb des Optokopplers, geeignete Gleichspannung als Versorgungsspannung gewandelt. Das Spannungspotential beziehungsweise die Amplitude der Versorgungsspannung ist somit abhängig von der Amplitude der Wechselspannung beziehungsweise vom Vergleichsergebnis.
Ein weiterer oder zusätzlicher Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Halbleiterschalter in einem Brückenmodul eines Elektromotors verschaltet ist. Das Brückenmodul ist hierbei vorzugsweise als ein IGBT-Modul (insulated gate bipolar transistor) ausgeführt, wobei der Halbleiterschalter als ein Leistungstransistor, insbesondere als ein IGBT, ausgestaltet ist.
In einer bevorzugten Anwendung wird die Schaltungsanordnung als Teil einer Motorelektronik in einem Elektromotor eingesetzt. Der Elektromotor weist hierbei einen in einem Stator drehbar gelagerten Rotor auf, der mittels einer Bestromung von auf den Stator aufgebrachten Statorwicklungen durch ein dadurch generiertes magnetisches Drehfeld in Rotation versetzt wird. Der Elektromotor ist zur Erzeugung des entsprechenden Drehstroms mittels eines Stromrichters (Wechselrichter) an einen Zwischenkreis angeschlossen.
Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung mit einer der Anzahl der Motorphasen entsprechenden Anzahl von Brückenmodulen auf. Jedes Modul weist hierbei mindestens einen, insbesondere zwei, Halbleiterschalter mit jeweils einer zugeordneten Treiberschaltung sowie die Schaltungsanordnung auf. Mittels der Halbleiterschalter wird die Gleichspannung des an die Brückenschaltung angeschlossenen Zwischenkreises in den Drehstrom zum Antrieb des Rotors gewandelt. Hierzu steuert und regelt ein Controller einer zugeordneten Motorelektronik die Treiberschaltungen, welche jeweils ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal für die Halbleiterschalter generieren.
Die Halbleiterschalter der Brückenmodule sind vorzugsweise mit einem gemeinsamen Kühlkörper gekoppelt, wobei die Versorgungsspannung der Treiberschaltungen insbesondere in Abhängigkeit der gemeinsamen Kühlkörpertemperatur geregelt wird. Dadurch ist ein hinsichtlich der EMV-Anforderungen besonders geeigneter Elektromotor bereitgestellt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung einen Elektromotor mit einem an einem Zwischenkreis angeschlossenen Stromrichter mit drei Brückenmodulen,
2 eines der Brückenmodule mit zwei Halbleiterschaltern mit jeweils einer an einen Steuerschaltkreis gekoppelten Treiberschaltung, und
3 einen mit dem Steuerschaltkreis gekoppelten Temperaturschaltkreis zur Regelung einer die Treiberschaltung betreibenden Versorgungsspannung in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur der Halbleiterschalter.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Elektromotor 2 dargestellt, der mittels eines als Wechselrichter ausgestalteten Stromrichters 4 an einen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 6 angeschlossen ist. Der Stromrichter 4 weist eine Brückenschaltung 8 mit drei Brückenmodulen 10 auf, mit welcher eine Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreises 6 in eine dreiphasige Motorspannung mit den Phasen u, v, w für den Betrieb des Elektromotors 2 gewandelt wird. Die Brückenmodule 10 sind hierbei vorzugsweise als gesteuerte IGBT-Module ausgestaltet.
Die Phasen u, v, w sind von der Brückenschaltung 8 an entsprechende Phasen- oder Wicklungsenden einer Statorwicklung 12 eines nicht näher dargestellten Stators des Elektromotors 2 geführt. Im Betrieb werden die Brückenmodule 10 von einem Controller 14 einer Motorsteuerung gesteuert und geregelt. Zur Generierung des Drehstroms beziehungsweise der Phasen u, v, w weist jedes Brückenmodul 10 zwei als IGBTs ausgeführte Halbleiterschalter 16 auf. Die Halbleiterschalter 16 sind – wie in 2 erkenntlich – mittels eines Steuereingangs 18 an jeweils eine Treiberschaltung 20 gekoppelt.
Im Betrieb des Elektromotors 2 erzeugen die Treiberschaltungen 20 ein impulsförmiges Steuersignal S für den jeweils zugeordneten Halbleiterschalter 16. Das Steuersignal S ist insbesondere ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Spannungssignal, mit welchem der jeweilige Halbleiterschalter 16 getaktet zwischen einem elektrisch leitfähigen und einem sperrenden Zustand umgeschaltet wird. Zur Steuerung und Regelung des Tastgrads der Steuersignale S versendet der Controller 14 im Betrieb entsprechende Controllersignale C an die sechs Treiberschaltungen 20 der Brückenschaltung 8. Die Treiberschaltungen 20 erzeugen anhand der Controllersignale C jeweils das gepulste Steuersignal S. Die Controllersignale C werden hierbei vorzugsweise an jede der sechs Treiberschaltungen 20 versendet, wobei in der 1 lediglich drei Controllersignale C beispielhaft für die drei Brückenmodule 10 dargestellt sind.
Der Controller 14 und die damit signaltechnisch gekoppelten Treiberschaltungen 20 sind durch Optokoppler 22 der Treiberschaltungen 20 galvanisch von den Steuereingängen 18 der Halbleiterschalter 16 getrennt. Mit anderen Worten sind die Treiberschaltungen 20 und der Controller 14 in einem galvanisch vom Zwischenkreis 6 getrennten Schaltkreis verschaltet. Dadurch werden die Treiberschaltung 20 und insbesondere der anwenderseitige Controller 14 berührungssicher vor dem vergleichsweise hohen Spannungspotential der Zwischenkreisspannung U_ZK geschützt. Mittels des Optokopplers 22 wird das Steuersignal S der Treiberschaltung 20 als ein entsprechendes Steuersignal S für den jeweiligen Steuereingang 18 des zugeordneten Halbleiterschalters 16 übermittelt.
Im Betrieb treten aufgrund der durch die Steuersignale S ausgelösten Schaltprozesse Wärmeverluste der Halbleiterschalter 16 beim Umschalten der Zwischenkreisspannung U_ZK auf. Zur Entwärmung sind die Halbleiterschalter 16 der Brückenschaltung 8 hierbei an einen gemeinsamen Kühlkörper 24 (3) gekoppelt. Diese Wärmeverluste beziehungsweise die hiermit korrespondierende Betriebstemperatur T der Halbleiterschalter 16 wird bei höheren Schaltgeschwindigkeiten, das bedeutet bei steileren beziehungsweise schnelleren Schalt- oder Pulsflanken der Steuersignale S, reduziert. Die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterschalter 16 ist hierbei abhängig von der (Ansteuer-)Amplitude der Steuersignale S.
Zur Regelung der Ansteueramplitude, das bedeutet zur Regelung des Spannungspotentials der an die Steuereingänge 18 angelegten Steuersignale S, ist ein galvanisch vom Zwischenkreis 6 getrennter Temperaturschaltkreis 26 vorgesehen. Der Temperaturschaltkreis 26 ist im Nachfolgenden anhand der schematischen Blockdarstellung der 3 näher erläutert.
Der Temperaturschaltkreis 26 umfasst einen die Temperatur θ_KK des Kühlkörpers 24 überwachenden Temperatursensor 28. Der beispielsweise als NTC-Sensor ausgeführte Temperatursensor 28 erzeugt im Betrieb ein der Kühlkörpertemperatur θ_KK entsprechendes Temperaursignal, welches mittels eines Wandlers 30 in ein hierzu proportionales Spannungssignal U_θ gewandelt wird.
Der Temperatursensor 28 ist beispielsweise auf den Kühlkörper 24 aufgeschraubt und somit mittels einer Masse M geerdet sowie vom Zwischenkreis 6 getrennt. In einer möglichen Alternativausführung ist der Temperatursensor 28 beispielsweise in die jeweiligen Halbleiterschalter 16 integriert und somit mit der Zwischenkreisspannung U_ZK verbunden. In einer derartigen Ausführungsform weist der Wandler 30 vorzugsweise integrierte schaltungstechnische Mittel zur Potentialtrennung des Zwischenkreises 6 und des Temperaturschaltkreises 26 auf.
Das Spannungssignal U_θ wird anschließend an einen Eingang eines Differenzverstärkers 32 geführt. Ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers 32 ist hierbei an eine Gleichspannungsquelle 34 angeschlossen, welche eine Referenzspannung U_ref als Temperaturschwellwert (Referenztemperatur) erzeugt.
Der Differenzverstärkers 32 erzeugt durch einen Vergleich beziehungsweise eine Differenzbildung des Spannungssignals U_θ mit der Referenzspannung U_ref ein Ausgangssignal beziehungsweise ein Differenz- oder Vergleichsergebnis V. Das Vergleichsergebnis V wird an einen Steuereingang einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 36 geführt. Durch das Vergleichsergebnis V wird das Spannungspotential am Ausgang der Gleichspannungsquelle 36 variiert. Die dadurch erzeugte Ausgangsspannung U_V ist somit proportional zum Vergleichsergebnis V.
Die Ausgangsspannung U_V wird mittels eines Oszillators 38 anschließend in eine Wechselspannung U_W gewandelt, die einer Primärspule 40 eines Transformators 42 zugeführt wird. Mittels des Transformators 42 wird die dem Vergleichsergebnis V entsprechende Wechselspannung U_W über eine galvanische Potentialbarriere 44 an einen sekundärseitigen Steuerschaltkreis 46 übertragen. Der Steuerschaltkreis 46 weist hierbei zwei voneinander getrennte Teilschaltkreises 46a und 46b auf.
Der Teilschaltkreis 46a dient hierbei insbesondere zur spannungstechnischen Versorgung der Optokoppler 22 der oberen Treiberschaltungen 20 der Brückenschaltung 8 und somit zum Betrieb derjenigen Optokoppler 22, welche die Halbleiterschalter 16 zur Generierung der oberen Schwingungshalbwellen der Phasen u, v, w ansteuert. Entsprechend ist der Teilschaltkreis 46b zur spannungstechnischen Versorgung der Optokoppler 22 der unteren Treiberschaltungen 20 der Brückenschaltung 8 und somit zur Versorgung und zum Betrieb derjenigen Optokoppler 22 vorgesehen, welche die Halbleiterschalter 16 zur Generierung der unteren Schwingungshalbwellen der Phasen u, v, w ansteuern.
Die Teilschaltkreise 46a und 46b weisen zu diesem Zwecke jeweils eine Sekundärspule 48 des Transformators 42 auf. Durch die Sekundärspulen 48 wird die Wechselspannung U_W als Sekundärspannung U_W‘ in die Teilschaltkreise 46a beziehungsweise 46b eingespeist. Die Sekundärspulen 48 weisen jeweils einen Anschluss zur Kontaktierung an einen Ground G_O beziehungsweise G_U auf. Den Sekundärspulen 48 sind jeweils Gleichrichterdioden 50 nachgeschaltet. Durch die Gleichrichter 50 wird die Wechselspannung der Sekundärspannung U_W‘ in eine Gleichspannung gewandelt. Diese Gleichspannung wird anschließend mittels nachgeschalteten Ladekondensatoren 52 geglättet. Die geglättete Gleichspannung wird als eine Versorgungsspannung U_O beziehungsweise U_U zwischen den jeweiligen Pluspfad P_O beziehungsweise P_U und dem jeweiligen Minuspfad M_O beziehungsweise M_U der (Gleichspannungs-)Teilschaltkreise 46a und 46b zur Versorgung und zum Betrieb der Optokoppler 22 der oberen (O) und unteren (U) Treiberschaltungen 20 abgegriffen.
Durch das Zusammenwirken des Temperaturschaltkreises 26 und des Steuerschaltkreises 46 ist eine Schaltungsanordnung 52 zur betriebstemperaturabhängigen Regelung der Schaltgeschwindigkeiten der Halbleiterschalter 16 realisiert.
Das Steuersignal S selbst wird anhand des Controllersignals C in den Treiberschaltungen 20 generiert und mit den Optokopplern 22 an die Steuereingänge 18 der Halbleiterschalter 16 übertragen. Aus dem Signal U_W‘ des Transformators 42 werden lediglich die Versorgungsspannungen U_O und U_U zum Betrieb der Optokoppler 22 erzeugt. Der Tastgrad und die Schaltgeschwindigkeit des Steuersignals S werden bei der Übertragung durch den Optokoppler 22 im Wesentlichen nicht beeinflusst. Eine Variation des Spannungsniveaus der Versorgungsspannung U_O beziehungsweise U_U bewirkt lediglich eine Änderung des Spannungsniveaus beziehungsweise der Ansteueramplitude des übertragenen Steuersignals S. Die Höhe der Ansteueramplitude des Steuersignals S wiederum wirkt sich auf die Schaltgeschwindigkeit bei einem Umschalten der Halbleiterschalter 16 aus.
Bei einem Leerlauf oder einer Schwachlast des Elektromotors 2 sind die auftretenden Wärmeverluste der Halbleiterschalter 16 mittels des Kühlkörpers 24 entwärmbar, ohne dass sich dieser signifikant erwärmt. Dadurch ist die Referenzspannung U_ref höher als das Spannungssignal U_θ der Kühlkörpertemperatur θ_KK. In der Folge wird die dem Vergleichsergebnis V entsprechende Wechselspannung U_W an den Steuerschaltkreis 46 übertragen. Die aus der entsprechenden Sekundärspannung U_W‘ erzeugten Versorgungsspannungen U_O und U_U weisen ein vergleichsweise niedriges Spannungsniveau oder Amplitude auf. Dadurch weisen die Steuersignale S am Ausgang der Optokoppler 22 eine vergleichsweise geringe Ansteueramplitude auf. Diese reduzierte Ansteueramplitude bewirkt ein vergleichsweise langsames Umschalten der Halbleiterschalter 16 oder eine Reduzierung der (aktuellen) Schaltgeschwindigkeit.
Im Gegensatz hierzu erwärmt sich der Kühlkörper 24 während eines Vollastbetriebs des Elektromotors 2. Dadurch überschreitet das Spannungssignal U_θ der Kühlkörpertemperatur θ_KK den Wert der Referenzspannung U_ref. Hierdurch erzeugt das Differenz- beziehungsweise Vergleichsergebnis V eine höhere Ausgangsspannung U_V der steuerbaren Gleichspannungsquelle 36. In der Folge wird eine Wechselspannung U_W mit einer höheren Spannungsamplitude an die Sekundärseite des Transformators 42 übermittelt. Dadurch weisen die aus der Sekundärspannung U_W‘ erzeugten Versorgungsspannungen U_O und U_U ein erhöhtes Spannungsniveau auf. In der Folge werden die Optokoppler 22 mit einer höheren Spannung betrieben, wodurch die Amplitude der übertragenen Steuersignale S ansteigt. Durch die somit erhöhte Ansteueramplitude des Steuersignals S wird die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterschalter 16 im Vollastbetrieb erhöht. Dadurch werden EMV-kritische Abstrahlungen der Halbleiterschalter 16 im Vollastbetrieb reduziert.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So weist der Transformator 42 bevorzugt eine Primärspule 40 sowie zwei die Teilschaltkreise 46a und 46b versorgende Sekundärspulen 48 auf, wobei vorzugsweise je Brückenmodul 10 ein zugeordneter Transformator 42 vorgesehen ist. Ebenso denkbar ist jedoch auch eine Ausführungsform, bei welcher beispielsweise je Brückenmodul 10 zwei Transformatoren 42 vorgesehen sind, welche jeweils eine Primärspule 40 und eine Sekundärspule 48 aufweisen. Dies bedeutet, dass die Teilschaltkreise 46a und 46b durch jeweils einen Transformator 42 an den Temperaturschaltkreis 26 gekoppelt sind, beziehungsweise, dass jedem Halbleiterschalter 16 ein Transformator 42 zugeordnet ist. Auch kann für die drei Brückenmodule 10 ein gemeinsamer Transformator 42 vorgesehen sein, welcher dann insbesondere sechs Sekundärspulen 48 zur Versorgung der sechs Teilschaltkreise 46a und 46b aufweist.
Bezugszeichenliste

2: Elektromotor
4: Stromrichter
6: Elektromotor
8: Brückenschaltung
10: Brückenmodul
12: Statorwicklung
14: Controller
16: Halbleiterschalter
18: Steuereingang
20: Treiberschaltung
22: Optokoppler
24: Kühlkörper
26: Temperaturschaltkreis
28: Temperatursensor
30: Wandler
32: Differenzverstärker
34: Gleichspannungsquelle
36: Gleichspannungsquelle
38: Oszillator
40: Primärspule
42: Transformator
44: Potentialbarriere
46: Steuerschaltkreis
46a, 46b: Teilschaltkreis
48: Sekundärspule
50: Diode/Gleichrichter
52: Schaltungsanordnung
u, v, w: Phase
U_ZK: Zwischenkreisspannung
S: Steuersignal
C: Controllersignal
T: Betriebstemperatur
θ_KK: Kühlkörpertemperatur
U_θ: Spannungssignal
U_ref: Referenzspannung/Referenztemperatur
V: Vergleichsergebnis
U_V: Ausgangsspannung
U_W: Wechselspannung
U_W‘: Sekundärspannung
G_O, GU: Ground
U_O, UU: Versorgungsspannung
P_O, PU: Pluspfad
M_O, MU: Minuspfad
M: Masse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011077387 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals (S) für einen elektronischen Halbleiterschalter (16) mittels einer Treiberschaltung (20), bei welchem in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur (T) des Halbleiterschalters (16) ein Spannungspotential einer Versorgungsspannung (U_O, U_U) der Treiberschaltung (20) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (16) mit einem Kühlkörper (24) gekoppelt ist, dessen Temperatur (θ_KK) als Maß für die Betriebstemperatur (T) des Halbleiterschalters (16) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur (T) des Halbleiterschalters (16) mit einer Referenztemperatur (U_ref) verglichen wird, wobei das Ergebnis (V) des Vergleichs zur Ansteuerung einer von der Treiberschaltung (20) galvanisch getrennten Spannungsquelle (36) zur Erzeugung der Versorgungsspannung (U_U, U_O) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (36) an einen Oszillator (38) gekoppelt ist, mit welchem das Vergleichsergebnis (V) galvanisch getrennt an einen die Treiberschaltung (20) enthaltenden Steuerschaltkreis (46) übertragen wird.
Schaltungsanordnung (52) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereingang (18) des Halbleiterschalters (16) an einen durch die Versorgungsspannung (U_O, U_U) betriebenen Optokoppler (22) der Treiberschaltung (20) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (52) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Betriebstemperatur (T) des Halbleiterschalters (16) ein Temperaturschaltkreis (26) vorgesehen ist, welcher galvanisch von einem Steuerschaltkreis (46) der Treiberschaltung (20) getrennt ist.
Schaltungsanordnung (52) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur signaltechnischen Kopplung zwischen dem Temperaturschaltkreis (26) und dem Steuerschaltkreis (46) ein Transformator (42) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung (52) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (46) einen den Transformator (42) nachgeschalteten Gleichrichter (50) zur Erzeugung der Versorgungsspannung (U_O, U_U) aufweist.
Schaltungsanordnung (52) nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (16) in einem Brückenmodul (10) eines Elektromotors (2) verschaltet ist.
Elektromotor (2) mit einem Stromrichter (4) zur Erzeugung eines Drehfeldes mit einer Anzahl von Brückenmodulen (10), wobei jedem Modul (10) mindestens ein Halbleiterschalter (16) mit jeweils einer Treiberschaltung (20) und mit einer Schaltungsanordnung (52) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zugeordnet ist.