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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei die Treiberschaltung eine Anzahl von Treibertransistoren für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors aufweist.
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Typische Treiberschaltungen weisen pro Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors zwei Treibertransistoren auf, welche insbesondere zu einer Halbbrücke verschaltet sein können. Typische bürstenlose Gleichstrommotoren weisen beispielsweise drei Phasen auf. Dementsprechend weist eine typische, aus dem Stand der Technik bekannte Treiberschaltung beispielsweise sechs Treibertransistoren auf.
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Bei derartigen Treibertransistoren besteht grundsätzlich die Gefahr, dass ein solcher Treibertransistor durchbrennt und damit niederohmig wird. Das Ergebnis daraus ist typischerweise, dass ein weiterer Treibertransistor der entsprechenden Phase unmittelbar überbeansprucht wird und somit auch beschädigt werden kann, und zwar nach einer sehr kurzen Zeit. Außerdem können Phasenströme des Motors in einer kurzen Zeit zu übermäßig hohen Werten ansteigen, was zu einer Überbeanspruchung von weiteren Treibertransistoren, beispielsweise in weiteren Halbbrücken, führen kann. Währenddessen ist der Motor aktiv elektrisch blockiert.
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Eine schnelle Diagnosefunktion des Systems oder der Treiberschaltung ist möglich, um alle verbleibenden Transistoren unmittelbar ansprechend auf einen detektierten Fehler abzuschalten. Dadurch können weitere Schäden vermieden werden.
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Jedoch wird auch in diesem Fall, solange sich der Motor dreht, ein Halbwellen-Kurzschluss der Phasen verbleiben, welcher von Dioden der Transistoren resultieren kann und zu einem geschwindigkeitsabhängigen Bremsmoment führen kann.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung vorzusehen, welche im Vergleich zum Stand der Technik alternativ ausgeführt ist, beispielsweise eine Entkopplung der Phasen des Motors oder eines Sternpunkts ermöglicht, um ein Blockieren des Motors zu verhindern.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Treiberschaltung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei die Treiberschaltung eine Anzahl von Treibertransistoren für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Treiberschaltung eine Anzahl von Unterbrechungsschaltungen aufweist, wobei jeder der Treibertransistoren mit einer jeweiligen zugeordneten Unterbrechungsschaltung zum Deaktivieren des jeweiligen Treibertransistors verbunden ist.
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Durch die Unterbrechungsschaltungen können die Treibertransistoren selektiv deaktiviert werden. Damit kann unmittelbar auf einen niederohmigen Zustand eines solchen Treibertransistors reagiert werden.
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Unter einem Deaktivieren kann insbesondere verstanden werden, dass kein Strom mehr durch den jeweiligen Treibertransistor fließt, bei einem Feldeffekttransistor beispielsweise dass kein Strom mehr zwischen Source und Drain fließt.
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Bevorzugt ist jeder Treibertransistor mit seiner zugeordneten Unterbrechungsschaltung direkt verbunden. Dies ermöglicht eine unmittelbare Wirkung der Unterbrechungsschalter auf den Treibertransistor. Insbesondere kann der Treibertransistor mit seiner zugeordneten Unterbrechungsschaltung seriell verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführung sind die Unterbrechungsschaltungen als Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, ausgebildet. Dies ermöglicht ein Ansteuern der Unterbrechungsschaltungen zum Erzielen der gewünschten Wirkung.
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Jede Unterbrechungsschaltung kann dabei insbesondere jeweils zwischen dem Treibertransistor, welchem sie zugeordnet ist, und einem Pol einer Spannungsversorgung der Treiberschaltung geschaltet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt.
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Die Treiberschaltung kann ferner eine Fehlererkennungsschaltung aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, einen Fehlerzustand bei einem Treibertransistor zu erkennen und ansprechend darauf die jeweilige zugeordnete Unterbrechungsschaltung hochohmig zu schalten. Dadurch kann unmittelbar auf einen niederohmigen Zustand des Treibertransistors reagiert werden, wobei ein aktives und somit gesteuertes Eingreifen erfolgt. Die Fehlererkennungsschaltung kann beispielsweise elektrisch oder elektronisch, beispielsweise festverdrahtet oder programmierbar ausgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weisen die Unterbrechungsschaltungen eine höhere Stromtragfähigkeit als die Treibertransistoren, welchen sie zugeordnet sind, auf. Dadurch wird insbesondere in dem Fall, in welchem die Unterbrechungsschaltungen Transistoren sind, verhindert, dass bei einer etwaigen Fehlfunktion die Unterbrechungsschaltung vor dem entsprechenden Treibertransistor durchbrennt und somit ihre Funktion nicht mehr ausführen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführung sind die Unterbrechungsschaltungen als Sicherungen ausgebildet. Damit kann insbesondere eine automatische Reaktion ohne Zwischenschaltung einer Fehlererkennungsschaltung oder ähnlicher Einrichtungen erzielt werden.
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Die Sicherungen können insbesondere als Schmelzsicherungen ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt.
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Die Sicherungen können insbesondere in jeweiligen Zuleitungen zu den Treibertransistoren oder in Kontaktstellen an den Treibertransistoren ausgebildet sein. Beispielsweise können sie durch eine entsprechende Geometrie, insbesondere eine teilweise Verjüngung, von Zuleitungen ausgebildet sein. An den genannten Stellen können sie unmittelbar ihre Wirkung entfalten und eine eventuelle Niederohmigkeit der zugeordneten Treibertransistoren kompensieren.
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Besonders bevorzugt sind die Sicherungen am jeweiligen Source-Anschluss eines jeweiligen Treibertransistors angeordnet.
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Bevorzugt weisen die Treibertransistoren eine höhere Stromtragfähigkeit auf als die jeweils zugeordneten Sicherungen. Dadurch wird erreicht, dass die Sicherungen gegebenenfalls rechtzeitig durchbrennen und einen noch höheren Stromfluss verhindern, bevor Schäden an weiteren Treibertransistoren entstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Treiberschaltung drei Phasen auf. Dies ist besonders angebracht, wenn der Motor ebenfalls drei Phasen aufweist. Es sei jedoch verstanden, dass die Treiberschaltung auch jede andere beliebige Anzahl von Phasen aufweisen kann. Insbesondere kann sie gleich viele Phasen wie der Motor aufweisen.
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Bevorzugt weist die Treiberschaltung pro Phase zwei seriell zueinander geschaltete Treibertransistoren auf. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Treiberschaltung dazu ausgebildet, beim Ausfall einer Phase, insbesondere aufgrund eines defekten Treibertransistors, den bürstenlosen Gleichstrommotor mittels der verbleibenden Phasen anzusteuern. Damit kann eine Notfunktion erreicht werden, welche eine begrenzte Weiterführung der Funktionalität des bürstenlosen Gleichstrommotors ermöglicht, auch wenn ein Treibertransistor durchgebrannt ist. Beispielsweise kann auf diese Weise eine elektrische Servolenkung noch eine Weile weiterbetrieben werden, bis ein Fahrzeug zum Stehen gebracht wurde oder eine Werkstatt aufgesucht wurde.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Treibertransistoren Feldeffekttransistoren. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt. Es sei jedoch verstanden, dass auch andere Arten von Transistoren, insbesondere Bipolartransistoren, verwendet werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
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1: eine Treiberschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
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2: eine Treiberschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Treiberschaltung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese dient zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors 15.
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Die Treiberschaltung 10 weist insgesamt sechs Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 auf. Diese sind zu drei Halbbrücken verschaltet, wobei eine erste Halbbrücke die Treibertransistoren T1, T2 aufweist, eine zweite Halbbrücke die Treibertransistoren T3, T4 aufweist und eine dritte Halbbrücke die Treibertransistoren T5, T6 aufweist. Jede Halbbrücke dient dabei zum Ansteuern einer Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors 15.
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Jedem Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 ist dabei eine jeweilige Unterbrechungsschaltung zugeordnet. Die Unterbrechungsschaltungen sind vorliegend in Form von Transistoren S1, S2, S3, S4, S5, S6 ausgebildet. Dabei ist jeweils ein Transistor S1, S2, S3, S4, S5, S6, welcher als Unterbrechungsschaltung ausgebildet ist, demjenigen Treibertransistor mit gleicher Nummer zugeordnet. Wie in 1 zu sehen ist, sind die Unterbrechungsschaltungen dabei jeweils an den Drain-Anschlüssen der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 angeschlossen.
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Die Treiberschaltung 10 weist ferner eine Steuerungseinheit 20 auf. Die Steuerungseinheit 20 ist dazu ausgebildet, jeweilige Gate-Anschlüsse der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 anzusteuern. Damit kann sie den bürstenlosen Gleichstrommotor 15 in geeigneter Weise betreiben. Des Weiteren ist die Steuerungsvorrichtung 20 dazu ausgebildet, einen Fehlerzustand bei einem der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 zu erkennen, wobei ein solcher Fehlerzustand typischerweise in einer Niederohmigkeit besteht, welche durch ein Durchbrennen des jeweiligen Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6 entstehen kann.
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Die Transistoren S1, S2, S3, S4, S5, S6 werden normalerweise niederohmig geschaltet. Erkennt jedoch die Steuerungsvorrichtung 20, dass einer der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 durchgebrannt ist, so schaltet sie den jeweiligen zugeordneten Transistor S1, S2, S3, S4, S5, S6 hochohmig. Dies sorgt dafür, dass ein Stromfluss durch den jeweiligen durchgebrannten Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 unmittelbar unterbunden wird. Dadurch kann eine weitere Fehlfunktion, insbesondere ein Durchbrennen eines weiteren Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6, wirkungsvoll verhindert werden. Die Steuerungsvorrichtung 20 dient aufgrund der hier beschriebenen Funktionalität auch als Fehlererkennungsschaltung.
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Es sei verstanden, dass ein Transistor S1, S2, S3, S4, S5, S6, welcher als Unterbrechungsschaltung verwendet wird, ausgeschaltet werden kann, ohne dass das Problem auftritt, dass induktive Energie dissipiert, weil diese gleichgerichtet und in eine DC-Verbindung zurückgeführt wird.
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Es sei des Weiteren verstanden, dass zwar grundsätzlich die Transistoren S1, S2, S3, S4, S5, S6 gleich oder mit gleicher Stromtragfähigkeit ausgeführt werden können wie die Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6, dass jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass ein jeweiliger Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 und sein als Unterbrechungsschaltung dienender Transistor S1, S2, S3, S4, S5, S6 gleichzeitig durchbrennen dadurch deutlich gesenkt werden kann, dass der entsprechende Transistor S1, S2, S3, S4, S5, S6, welcher als Unterbrechungsschaltung fungiert, größer bzw. mit einer höheren Stromtragfähigkeit ausgelegt wird.
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Die Transistoren S1, S2, S3, S4, S5, S6 werden typischerweise nur mit Laststrom, nicht jedoch mit Schaltverlusten belastet.
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2 zeigt eine Treiberschaltung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind dabei nicht Transistoren S1, S2, S3, S4, S5, S6 als Unterbrechungsschaltungen vorhanden, sondern vielmehr Sicherungen F1, F2, F3, F4, F5, F6. Dabei ist jede Sicherung F1, F2, F3, F4, F5, F6 einem jeweiligen Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 mit gleicher Nummer zugeordnet. Die Sicherungen F1, F2, F3, F4, F5, F6 sind dabei jeweils an den Source-Anschlüssen der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 angeordnet.
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Tritt bei einem der Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 eine Fehlfunktion auf, insbesondere in Form eines Durchbrennens mit daraus resultierender Niederohmigkeit, so brennt die jeweilige Sicherung F1, F2, F3, F4, F5, F6 durch und verhindert einen weiteren Stromfluss durch den defekten Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6. Dies erfolgt ohne Eingreifen der Steuerungsvorrichtung 20.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung 20 den Motor 15 noch eine Zeit lang weiterbetreiben kann, wenn ein Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 und somit eine Phase ausgefallen ist, und zwar unter Verwendung der verbleibenden Phasen. Dadurch kann eine gewisse Notlauffunktion erreicht werden.
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Die Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 sind typischerweise so ausgelegt, dass sie einen Impuls eines Stroms einer durchbrennenden Sicherung F1, F2, F3, F4, F5, F6 aushalten, ohne dabei beschädigt zu werden. Es gibt auch eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Treibertransistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 auf der anderen Seite, insbesondere auf der anderen Seite einer Halbbrücke, als nächstes beschädigt wird, wenn der Phasenstrom des Motors einen induktiven Puls in Blockierrichtung einer Body-Diode eines jeweiligen Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6 nach dem Ausschalten erzeugt und der Energiebetrag die erlaubte Energie eines Lawinendurchbruchs übersteigt. Dann wird auch die Sicherung F1, F2, F3, F4, F5, F6 dieses Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6 typischerweise durchbrennen.
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Typischerweise wird die Stromtragfähigkeit eines Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6 größer ausgelegt sein als diejenige der Sicherungen F1, F2, F3, F4, F5, F6, um sicherzustellen, dass die Sicherungen F1, F2, F3, F4, F5, F6 die schwächsten Glieder in der Kette sind und nicht die Treibertransistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6. Als positiver Nebeneffekt eines entsprechend dimensionierten Treibertransistors T1, T2, T3, T4, T5, T6 erhöht sich auch die Robustheit der Treiberschaltung 10 gegen limitierende Beanspruchung.
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Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
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Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
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Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.