Titel:

Vorrichtung und Verfahren zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode, elektrisches Antriebssystem

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode welche parallel zu einem Halbleiterschaltelement in einer Halbbrücke eines elektrischen Stromrichters angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Vorrichtung zur Detektion des Stromflusses durch eine Diode.

Hintergrund

Elektrische Antriebssysteme finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung. So werden solche elektrischen Antriebssysteme beispielsweise auch in ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dabei kann mittels eines Stromrichters elektrische Energie von einer Energiequelle, beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, in eine elektrische Spannung konvertiert werden, welche dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern. Darüber hinaus können in dem Stromrichter auch sogenannte sichere Betriebszustände eingestellt werden, beispielsweise ein aktiver Kurzschluss, bei welchem die Schaltelemente derart angesteuert werden, dass die Anschlüsse der elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Ferner kann ein sogenannter Freilauf vorgesehen sein, bei welchem alle Schaltelemente in den Halbbrücken des Stromrichters geöffnet sind.

Die Druckschrift DE 10 2014222 256 Al beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Umschalten eines Betriebszustandes einer elektrischen Maschine von einem Freilauf in einen aktiven Kurzschluss. Hierbei wird vorgeschlagen, bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine die einzelnen Phasen nacheinander in die entsprechenden Schaltzustände versetzen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode sowie ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Vorrichtung zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode, wobei die Diode parallel zu einem Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke angeordnet ist. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Halbbrücke in einem elektrischen Stromrichter handeln. Die Vorrichtung umfasst eine Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung und eine Detektionseinrichtung. Die Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung des Halbleiterschaltelements ist dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung über dem Halbleiterschaltelement zu erfassen. Somit erfasst diese Schaltungsanordnung ebenfalls die elektrische Spannung über der parallel zu dem Halbleiterschaltelement angeordneten Diode. Weiterhin ist die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, ein zu der erfassten Spannung korrespondierendes Ausgangsignal bereitzustellen. Die Detektionseinrichtung ist dazu ausgelegt, unter Verwendung des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung zu Sättigungsüberwachung einen elektrischen Strom durch die Diode zu detektieren. Insbesondere kann die Detektionseinrichtung einen elektrischen Strom durch die Diode gemäß dem Ausgangssignal detektieren, wenn das parallel zu der Diode angeordnete Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geöffnet ist.

Weiterhin ist vorgesehen: Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einem Stromrichter. Der Stromrichter ist mit der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelt. Insbesondere umfasst der Stromrichter mindestens eine Halbbrücke. Vorzugsweise kann der Stromrichter für jede Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrücke umfassen. Jede der Halbbrücken umfasst jeweils zwei Halbleiterschaltelemente mit einer parallel zu dem jeweiligen Halbleiterschaltelement angeordneten Diode. Der Stromrichter ist dazu ausgelegt, unter Verwendung einer an dem Stromrichter bereitgestellten Gleichspannung die elektrische Maschine anzusteuern. Ferner umfasst der Stromrichter für jedes Halbleiterschaltelement eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode. Die Diode ist hierbei parallel zu einem Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke angeordnet. Alternativ kann es sich bei der Diode um eine intrinsische Bodydiode des Halbleiterschaltelements in einer Halbbrücke handeln. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen einer elektrischen Spannung über dem Halbleiterschaltelement und der parallel dazu angeordneten Diode mittels einer Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung des Halbleiterschaltelements und zum Bereitstellen eines zu der erfassten Spannung korrespondierenden Ausgangsignals. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Detektieren eines elektrischen Stromflusses durch die Diode unter Verwendung des bereitgestellten Ausgangssignals, wenn das parallel zu der Diode angeordnete Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geöffnet ist.

Vorteile der Erfindung

In elektrischen Antriebssystemen, bei welchen elektrische Maschinen mittels eines Stromrichter angesteuert wird, kann als sogenannter sicherer Betriebszustand ein Freilauf eingestellt werden, bei welchem die Schaltelemente in den Halbbrücken des Stromrichters alle geöffnet sind. Befindet sich die angeschlossene elektrische Maschine in Bewegung, so kann in der elektrischen Maschine eine elektrische Spannung induziert werden, welche an den Phasenanschlüssen und somit auch an dem Stromrichter anliegt. Überschreitet diese induzierte Spannung einen gewissen Wert, so kann es durch die in den Schaltelementen integrierten Bodydioden oder durch zusätzliche parallel zu den Schaltelementen vorgesehenen Dioden zu einem Stromfluss von der elektrischen Maschine in Richtung der Spannungsversorgung des Stromrichters kommen. In diesem Fall kann es erforderlich sein, in dem Stromrichter anstelle des Freilaufs einen aktiven Kurzschluss einzustellen. Hierzu ist es erforderlich, den Stromfluss durch die Dioden parallel zu den Schaltelementen zu erkennen, um daraufhin gegebenenfalls die erforderlichen Schaltmaßnahmen einzuleiten.

Zur Detektion eines Stromflusses durch eine Diode parallel zu einem Schaltelement in der Halbbrücke eines Stromrichters macht es sich die vorliegende Erfindung zunutze, dass in dem Stromrichter für jedes Halbleiterschaltelement eine Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung des Halbleiterschaltelement, insbesondere zur Überwachung einer Entsättigung, vorgesehen sein kann. Auch wenn in der vorliegenden Beschreibung in der Regel der Begriff Sättigungsüberwachung verwendet wird, so versteht es sich, dass hierbei auch, je nach verwendeter Halbleitertechnologie, die Überwachung einer Entsättigung mit umschlossen ist. Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise als Desat-Schaltung (engl. desat detection oder desaturation detection) bekannt. In konventionellen Stromrichtern wird diese Schaltungsanordnung vorzugsweise dazu eingesetzt, während der Ansteuerung eines Halbleiterschaltelement eine über dem Halbleiterschaltelement anliegende elektrische Spannung nachzubilden. Diese kann beispielsweise dazu genutzt werden, um bei dem angesteuerten Halbleiterschaltelement einen übermäßigen Spannungsabfall zu detektieren und hieraus gegebenenfalls auf eine Alterung oder eine Fehlfunktion des Halbleiterschaltelements oder der Halbbrücke zu schließen. Das von einer solchen Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung bereitgestellte Signal wird somit insbesondere in Zeitintervallen ausgewertet, bei welchen das Halbleiterschaltelement angesteuert, d. h. geschlossen ist.

Es ist nun eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine solche bereits in dem Stromrichter vorgesehene Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung eines Halbleiterschaltelement auch für einen weiteren Zweck einzusetzen. Insbesondere kann das Signal von einer solchen Sättigungsüberwachung in Zeiträumen, in welchen das Halbleiterschaltelement geöffnet ist, um beispielsweise einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen, dazu genutzt werden, um einen elektrischen Strom zu detektieren, welcher durch die parallel zu dem geöffneten Halbleiterschaltelement angeordneten Diode fließt, falls von einer angeschlossenen elektrischen Maschine eine ausreichend hohe elektrische Spannung eingespeist wird. In dem genannten Fall wird die Diode über dem geöffneten Schalter leitend und die Spannung über dem geöffneten Schalter sinkt ins Negative bis zum Betrag der Flussspannung der Diode. Das von der Schaltungsanordnung bereitgestellte Ausgangssignal sinkt somit ebenfalls ab und unterschreitet eine vorbestimmte Schwelle. Die kann als Indiz für einen Stromfluss durch die Diode gewertet werden. Somit wird dieselbe Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung in unterschiedlichen Zeitintervallen bzw. Schaltzuständen für mehrere Aufgaben genutzt.

Auf diese Weise ist es möglich, mit nur sehr geringem Aufwand eine zuverlässige Erkennung eines Stromflusses durch eine parallel zu einem Schaltelement angeordnete Diode zu erkennen. Hierbei kann auf zusätzliche Stromsensoren oder Ähnliches verzichtet werden. Damit sinken der Hardwareaufwand und somit die Kosten.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinrichtung einen Komparator. Ein solcher Komparator kann beispielsweise mittels eines Operationsverstärker oder ähnlichem realisiert werden. Dieser Komparator ist dazu ausgelegt, das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung mit einer vorbestimmten Referenzspannung zu vergleichen. Insbesondere ist die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt einen elektrischen Strom durch die Diode zu detektieren, falls durch den Komparator festgestellt wird, dass das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung zu Sättigungsüberwachung die vorbestimmte Referenzspannung unterschreitet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung des Halbleiterschaltelements einen Analog-zu-Digital- Wandler. Dieser Analog-zu-Digital-Wandler ist dazu ausgelegt, einen digitalen Wert zu ermitteln, der zu einem Spannungswert des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung zu Sättigungsüberwachung korrespondiert. Ferner ist die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt unter Verwendung des ermittelten digitalen Werts einen elektrischen Strom durch die Diode zu detektieren. Diese Weise kann die Bearbeitung des Signals von der Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung in einem digitalen Schaltkreis ausgeführt werden. Beispielsweise kann hierzu ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis eingesetzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Detektion des Stromflusses ferner eine Überwachungseinrichtung. Diese Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Überwachung des Halbleiterschaltelements unter Verwendung des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung auszuführen, wenn das Halbleiterschaltelement in einem leitenden Zustand angesteuert ist. Beispielsweise kann durch eine solche Überwachungseinrichtung die ordnungsgemäße Funktion des Halbleiterschaltelements im geschlossenen Zustand überprüft werden. Fällt zum Beispiel über einem geschlossen Halbleiterschaltelement eine elektrische Spannung ab, deren Wert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, so kann dies ein Indiz auf ein fehlerhaftes bzw. gealtertes Halbleiterschaltelement sein oder einen Fehler in der Halbbrücke.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Detektionseinrichtung und die Überwachungseinrichtung in einer gemeinsamen integrierten Schaltung implementiert. Hierbei kann beispielsweise das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung der Detektionseinrichtung und der Überwachungseinrichtung parallel bereitgestellt werden. Je nach Betriebsmodus muss hierbei lediglich die Logik für die Detektion umgekehrt werden. Alternativ kann auch je nach Betriebsmodus das Ausgangssignal jeweils alternativ einer der beiden Einrichtungen bereitgestellt werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus einen elektrischen Strom durch die Diode zu detektieren, falls eine erste vorbestimmte Schwellspannung unterschritten wird. Ferner ist die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt, in einem zweiten Betriebsmodus eine Überwachung des Halbleiterschalters unter Verwendung des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung zu Sättigungsüberwachung auszuführen, falls das Halbleiterschaltelement in einem leitenden Zustand angesteuert ist und eine vorbestimmte zweite Schwellspannung überschritten wird. Mit anderen Worten, sowohl die Überwachung des Halbleiterschaltelement im geöffneten Zustand zur Detektion eines Stromflusses durch die parallele Diode, als auch die Überwachung des Halbleiterschaltelement im geschlossenen Zustand erfolgen durch dieselben Komponenten bzw. dieselbe Baugruppe. Hierbei wird lediglich die Logik der Detektion invertiert. Ferner kann ein dritter Betriebsmodus vorgesehen sein, in welchem die Fehlerreaktion eingeleitet wird, falls bei der Überwachung ein Stromfluss durch die Diode detektiert worden ist. Eine solche Fehlerreaktion kann zum Beispiel das Einleiten eines aktiven Kurzschlusses umfassen.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Schwellspannung für die Diodenflussdetektion und die zweite Schwellspannung für die Sättigungsdetektion gleich. Hierdurch kann der erforderliche Bauteilaufwand reduziert werden. Ebenso wird in diesem Fall die Diodenflussdetektion noch vor dem Entstehen eines Diodenflusses ausgelöst und ermöglicht so eine schnellere Detektion.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die die erste Schwellspannung für die Diodenflussdetektion und die zweite Schwellspannung für die Sättigungsdetektion verschieden sein. Dies ermöglicht jeweils eine Optimierung auf das Sättigungsverhalten, bzw. die Diodenflussspannung. Durch diese Optimierung kann eine Minimierung der falsch positiven Auslösungen erreicht werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Halbbrücke mit den Schaltelementen und den Dioden eine Halbbrücke in einem elektrischen Stromrichter. Hierbei kann die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt sein, einen elektrischen Strom durch die Diode zu detektieren, falls in dem Stromrichter mit der Halbbrücke ein Betriebszustand eingestellt ist, in dem beide Schaltelemente der Halbbrücke dauerhaft geöffnet sind. Insbesondere kann es sich bei diesem Betriebszustand um den Betriebszustand eines sogenannten Freilaufs handeln, bei welchem die Schaltelemente aller Halbbrücken eines Stromrichters geöffnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems ist der Stromrichter des Antriebssystems dazu ausgelegt, von einem Schaltzustand des Freilaufs in einen aktiven Kurzschluss zu wechseln, falls in einer der Vorrichtungen zur Detektion eines elektrischen Stromflusses ein Stromfluss durch eine Diode detektiert worden ist. Hierdurch kann beispielsweise ein übermäßig starkes Bremsmoment der elektrischen Maschine vermieden werden, welches eintreten könnte, falls elektrische Energie von der elektrischen Maschine durch die Dioden zu einer am Eingang Stromrichter angeschlossenen Batterie fließen würde.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Stromrichter;

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Halbbrücke eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Schaltbilds zur

Detektion eines Stroms durch eine Diode gemäß einer Ausführungsform; und Fig. 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Detektion eines Stroms durch eine Diode gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung der Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für ein elektrisches Antriebssystem, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Das Antriebssystem umfasst einen elektrischen Stromrichter 1 und eine elektrische Maschine 2. Die Phasenanschlüsse elektrischen Maschine 2 sind mit einem Wechselspannungsanschluss des Stromrichter 1 elektrischen gekoppelt. An einem Gleichspannungsanschluss des Stromrichters 1 kann eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs angeschlossen werden. Der Stromrichter 1 kann somit gemäß Sollwertvorgaben aus der eingangsseitig bereitgestellten Gleichspannung eine Wechselspannung generieren, welche dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 2 anzusteuern. Darüber hinaus ist auch möglich, dass die elektrische Maschine 2 in einem Generatorbetrieb eine elektrische Wechselspannung an dem Stromrichter 1 bereitstellt, wobei die Wechselspannung durch den Stromrichter 1 in eine Gleichspannung konvertiert werden kann, welche dazu geeignet ist, eine am Gleichspannungsanschluss angeschlossene Batterie aufzuladen. Das in Figur 1 dargestellte Beispiel mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2 dient dabei lediglich als Beispiel und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar.

Der Stromrichter 1 umfasst für jede Phase der elektrischen Maschine 2 eine Halbbrücke mit zwei Schaltelementen S1 bis S6. Hierbei wird jede Halbbrücke aus einem oberen Schaltelement Sl, S3, S5 sowie einem unteren Schaltelement S2, S4, S6 gebildet. Die Schaltelement Sl bis S6 können dabei mittels einer Ansteuerschaltung 10 angesteuert werden.

Neben einem Betriebsmodus, in welchem die Schaltelemente Sl bis S6 mittels der Ansteuerschaltung 10 derart angesteuert werden, dass elektrische Energie zwischen dem Gleichspannungsanschluss und der elektrischen Maschine ausgetauscht wird, sind darüber hinaus auch sogenannte sichere Betriebszustände möglich. Ein solcher sichere Betriebszustand ist beispielsweise der Freilauf. Hierbei sind alle Schaltelemente S1 bis S6 geöffnet. Entsprechend wird durch den Stromrichter 1 an der elektrische Maschine 2 keine Leistung bereitgestellt. Befindet sich die elektrische Maschine 2 jedoch in Bewegung, so kann in einem Generatorbetrieb eine elektrische Spannung in der elektrischen Maschine 2 induziert werden, welche somit auch an den entsprechenden Anschlüssen des Stromrichters 1 anliegt. Ferner ist ein sogenannter aktiver Kurzschluss möglich. Hierbei werden entweder die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5 oder alternativ die unteren Schaltelemente S2, S4, S6 geschlossen. Dadurch sind die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2 kurzgeschlossen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltelements einer Halbbrücke, wie sie beispielsweise in dem oben beschriebenen Stromrichter 1 implementiert sein kann. Sind in einem Stromrichter 1 mehrere solcher Halbbrücken vorgesehen, so können diese analog aufgebaut sein. Im Folgenden wird die Ansteuerung eines Schaltelements Sl bis S6 sowie auch die Detektion eines elektrischen Stroms durch eine Diode D auf Grundlage eines unteren Schaltelements S2 beschrieben. Diese Ausführungen gelten jedoch analog auch für die weiteren unteren Schaltelement S4 und S6 sowie auch für die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5.

Bei den Schaltelementen Sl bis S6 kann es sich beispielsweise um bipolaren Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder MOSFET handeln. Hierbei kann insbesondere bei IGBT parallel zu jedem Halbleiterschalter eine Diode D angeordnet sein. Bei MOSFET, insbesondere bei SiC-MOSFET kann diese Diode D auch durch eine intrinsische Bodydiode realisiert werden.

Zum Ansteuern des Schaltelement S2 (und analog auch zum Ansteuern der anderen Schaltelemente Sl, S3-S6) kann von einer Treiberschaltung 11 ein Ansteuersignal erzeugt und an einem Steueranschluss des Schaltelements S2 bereitgestellt werden. Diese Treiberschaltung 11 kann beispielsweise in der Steuereinrichtung 10 implementiert sein.

Zur Überwachung des Schaltverhaltens des Schaltelements S2 kann eine

Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung/Entsättigungsüberwachung vorgesehen sein. Solche Schaltungsanordnungen 21 sind beispielsweise auch als Desat-Schaltung oder Desaturation-Schaltung bekannt. Eine solche Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung bildet dabei die aktuell über dem Schaltelement S2 anliegende Spannung am Eingang des Gatetreibers nach. Die nachgebildete Spannung wird hierbei auf einen Betrag einer Versorgungsspannung limitiert und steigt somit nicht auf die volle Spannung über dem Schaltelement S2 an. Mit einer solchen Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung kann beispielsweise der Spannungsabfall über dem Schaltelement S2 bei einem geschlossenen Schaltelement S2 überwacht werden. Insbesondere wenn bei einem angesteuerten Schaltelement S2 ein zu hoher Spannungsabfall detektiert wird, d. h. ein Spannungsabfall, der über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, so kann dies auf eine eingeschränkte Leitfähigkeit des Schaltelement S2 oder einen zu hohen Strom durch das Halbleiterelement hinweisen. Diese Weise kann beispielsweise ein fehlerhaftes Verhalten der Halbbrücke detektiert werden.

Diese Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungs- bzw. Entsättigungsüberwachung kann erfindungsgemäß auch zur Erkennung eines elektrischen Stroms durch die parallel zu dem Schaltelement S2 angeordnete Diode D verwendet werden, wenn das Schaltelement S2 geöffnet ist. Insbesondere kann somit auch ein elektrischer Strom durch die Diode D detektiert werden, wenn in dem Stromrichter 1 ein Freilauf eingestellt ist, bei welchem alle Schaltelemente S1 bis S6 geöffnet sind. Ein solcher elektrischer Strom durch die Diode D im Freilauf kann beispielsweise durch eine in der elektrischen Maschine 2 induzierte Spannung hervorgerufen werden, wenn die in der elektrischen Maschine 2 induzierte Spannung so hoch ist, dass elektrische Energie von der elektrischen Maschine 2 durch die Diode D zum Gleichspannungsanschluss des Stromrichters 1 fließt.

Zur Detektion des oben genannten Stromflusses durch die Diode D wird das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung einer Detektionseinrichtung 22 bereitgestellt. Diese Detektionseinrichtung 22 kann das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 21 beispielsweise mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleichen. Unterschreitet die elektrische Spannung des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung 21 diesen Referenzwert, so kann dies als Indiz für einen elektrischen Strom durch die Diode D gewertet werden.

Beispielsweise kann in der Detektionseinrichtung 22 ein Komparator vorgesehen sein, welcher das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 21 mit einem vorgegebenen Referenzwert, insbesondere einer Referenzspannung vergleicht. Diese Referenzspannung kann auf beliebige Weise, beispielsweise mittels eines Widerstandsteilers oder ähnlichem bereitgestellt werden.

Alternativ ist es auch möglich, das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 21 mittels eines Analog-zu-Digital-Wandlers in ein digitales Signal zu konvertieren und daraufhin dieses digitale Signal weiter zu verarbeiten. Hierzu kann beispielsweise ein Mikrocontrollersystem, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis o. ä. genutzt werden.

Wie oben beschrieben findet die Detektion des Stromflusses durch die Diode D bei einem geöffneten Schaltelement S2, insbesondere bei einem Freilaufzustand statt. Hierbei kann bei einer Detektion des Stromflusses durch die Diode D bei Bedarf eine entsprechende Maßnahme eingeleitet werden, um diesen Stromfluss durch die Diode D zu verhindern oder zumindest zu beschränken. Beispielsweise kann hierzu in dem Stromrichter 1 anstelle des Freilaufs ein aktiver Kurzschluss eingestellt werden.

Durch die oben beschriebene Verwendung der Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung kann somit ein Stromfluss durch die Diode D ohne zusätzliche Sensorik, wie beispielsweise ein Stromsensor o. ä., realisiert werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds zur Überwachung eines Stromrichters 1 mit einer Vorrichtung zur Detektion eines Stromflusses durch eine Diode D gemäß einer Ausführungsform. Hierbei gelten, soweit anwendbar, sämtliche bereits zuvor in Zusammenhang mit Figur 2 gemachten Ausführungsformen.

Wie in Figur 3 zu erkennen ist, kann die Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung beispielsweise durch einen Kondensator CI, eine Diode Dl, sowie die beiden Widerstände RI und R2 realisiert werden. Hierbei ist beispielsweise ein erster Widerstand RI zwischen einer Versorgungsspannung V und einem Knotenpunkt E angeordnet. Der Kondensator CI ist zwischen dem Knotenpunkt E und einem Bezugspotenzial angeordnet. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt E und einer elektrischen Verbindung zum Phasenanschluss des zu überwachenden Halbleiterschaltelement S2 eine Serienschaltung aus dem zweiten Widerstand R2 und einer Diode Dl vorgesehen.

Diese dargestellte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 21 zur Sättigungsüberwachung dient jedoch lediglich zur Veranschaulichung des Grundprinzips einer solchen Schaltungsanordnung. Es versteht sich, dass je nach konkretem Anwendungsfall auch weitere Anpassungen, Ergänzungen oder Modifikationen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung 21 auch durch eine Widerstandskette realisiert werden, wobei der Kondensator CI und die Diode Dl durch geeignete elektrische Widerstände ersetzt werden.

An dem Knotenpunkt E liegt somit ein Ausgangssignal bereit, welches zur Überwachung des Schaltverhaltens und des Spannungsabfalls über dem Schaltelement S2 bei geschlossenem Schaltelement S2 aufgrund konventionelle Weise genutzt werden kann. Darüber hinaus kann das am Knotenpunkt E anliegende Ausgangssignal auch zur Detektion eines Stromflusses durch die Diode D, welche parallel zu dem Schaltelement S2 angeordnet ist, genutzt werden. Hierzu kann das an dem Knotenpunkt E anliegende Ausgangssignal bei geöffnetem Schaltelement S2, insbesondere beispielsweise in einem Freilaufzustand durch die Detektionseinrichtung 22 ausgewertet werden.

Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 21 am Knotenpunkt E kann zum Beispiel einer Baugruppe, insbesondere einem integrierten Schaltkreis, zur Verfügung gestellt werden, in welchem eine Treiberstufe für das Schaltelement S2 vorgesehen ist. Diese Baugruppe kann einerseits beim Ansteuern des Schaltelement S2 das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 21 nutzen, um einen übermäßigen Spannungsabfalls über dem Schaltelement S2 bei einem geschlossenen Schaltelement S2 zu detektieren. Darüber hinaus kann bei geöffnetem Schaltelement S2 durch diese Baugruppe ein Stromfluss durch die Diode D detektiert werden.

Hierzu können in der oben genannten Baugruppe, beispielsweise einem Treiber- IC, zwei separate Einheiten vorgesehen sein, wobei eine Einheit die Detektionseinrichtung 22 zur Detektion des Stromflusses bei geöffnetem Schaltelement S2 bildet, und eine weitere Einheit eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung des Spannungsabfalls über dem Schaltelement S2 bei geschlossenem Schaltelement S2. Dabei kann vorzugsweise für die Detektion des Diodenflusses eine betragsmäßig niedrigere Auslöseschwelle eingestellt werden. Hierdurch wird eine zu frühe Detektion, welche mit der Auslöseschwelle der Überwachungseinrichtung zur Überwachung des Spannungsabfalls bei geschlossenem Schaltelement einher geht, vermieden.

Alternativ ist es auch möglich, die Überwachung des Spannungsabfalls bei geschlossenem Schaltelement S2 und die Detektion des Diodenflusses durch eine gemeinsame Einheit zu realisieren. Beispielsweise kann hierzu eine Logik vorgesehen sein, welche je nach Anwendungsfall zwischen den beiden oben beschriebenen Detektionsmodi umschaltet. So kann beispielsweise während eines normalen Betriebs zur Ansteuerung elektrischen Maschine 2 die konventionelle Überwachung des Spannungsabfalls über einem geschlossenen Schaltelement S2 ausgeführt werden. Wird in dem Stromrichter 1 ein Freilauf eingestellt, so kann entsprechend auf einen Betriebsmodus gewechselt wird, in welchem ein Diodenfluss durch die Diode D detektiert wird. Dabei kann auch die Auslöseschwelle, welche für eine positive Detektion unterschritten werden muss, verändert werden, um die Schwelle näher an der tatsächlichen Flussspannung der Diode zu wählen.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Detektion eines elektrischen Stromflusses durch eine Diode D gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann insbesondere für Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer parallelen Diode in Halbbrücken von Stromrichtern eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das Verfahren beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit den Figuren 1-3 beschrieben worden sind. Analog können auch die oben beschriebenen Vorrichtungen beliebige Komponenten umfassen, die zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind.

In einem Schritt 100 wird eine elektrische Spannung über einem Halbleiterschaltelement S1 bis S6 sowie einer parallel dazu angeordneten Diode D erfasst. Ferner wird ein zu dieser erfassten Spannung korrespondierendes Ausgangssignal bereitgestellt.

Daraufhin wird in einem Schritt 200 ein elektrischer Strom durch die Diode D detektiert. Die Detektion dieses Stroms erfolgt unter Verwendung des in Schritt 100 bereitgestellten Ausgangssignal und dem Vergleich mit einem Grenzwert. Dabei erfolgt die Detektion des Stroms durch die Diode D nur, wenn das parallel zu der Diode D angeordnete Schaltelement S1 bis S6 geöffnet ist, beispielsweise in einem Freilauf-Modus. Außerhalb diesen Zeitraums wird entweder der Ausgangswert der Schaltungsanordnung 21 oder der Ausgangswert der Detektionsschaltung 22 ignoriert oder überschrieben (Blanking).

Wird in Schritt 200 ein Stromfluss durch die Diode D detektiert, so kann in einem weiteren Schritt eine geeignete Reaktion eingeleitet werden. Dies kann z.B. das zuvor beschriebene Stellen eines aktiven Kurzschlusses sein. Werden hierzu die entsprechenden Schaltelemente geschlossen, so wird die Überwachung des Diodenflusses beendet und startet erneut, sobald der aktive Kurzschluss beendet wird und die Schaltelemente wieder geöffnet sind.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Detektion eines elektrischen Stroms durch eine Diode, welche parallel zu einem Halbleiterschaltelement angeordnet ist. Hierzu wird ein Ausgangssignal einer Schaltungsanordnung zur Sättigungsüberwachung (Desat-Schaltung) genutzt. Das Ausgangssignal wird er hierbei zu Zeiträumen ausgewertet, in welchen das Halbleiterschaltelement geöffnet ist.