Elektromotor-Kommutator und Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Elektromotor-Kommutator und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Kommutators.

Ein elektronischer Kommutator dient der Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl und des Drehmomennts eines bürstenlosen Elektromotors. Jeder Elektromotor weist mindesteins eine Stator- und/ oder Rotorspule auf, die durch den Kommutator bestromt wird. Hierzu weist der Kommutator eine Schaltbrücke mit einem sogenannten Lowside-Halbleiter und einem Highside-Halbleiter auf. Die Schaltbrücke wird durch einen Pulsweiten-Modulator angesteuert. Der Pulsweiten-Modulator generiert ein pulsweiten-moduliertes periodisches Signal, mit dem eine der beiden Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke angesteuert wird. Die Modulationsfrequenz ist so hoch, dass aufgrund der elektrischen Zeitkonstante des Motors und der gespeicherten Energie in den Stranginduktivitäten der von dem Pulsweiten-Modulator periodisch in die Motorspulen eingeleitete Strom zu einem mittleren Strom in der betreffenden Motorspule geglättet wird. Durch Variation des Tastverhältnisses kann auf diese Weise eine beliebige Spannung zwischen Null Volt und der Versorgungsspannung eingestellt werden.

Aus DE 101 56 939 B4 ist ein elektronischer Elektromotor-Kommutator nach dem Stand der Technik bekannt.

Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird entweder der Lowside- Halbleiter oder der Highside-Halbleiter der Schaltbrücke durch den Pulsweiten- Modulator angesteuert, wobei der komplementäre Schalt-Halbleiter während der gesamten Modulationsphase geschlossen, also durchleitend ist. über den dauerhaft geschlossenen komplementären Schalt-Halbleiter bildet sich in den Bestromungspausen zwischen zwei Pulsen des pulsweiten-modulierten Signals ein Freilauf. Unabhängig davon, ob es sich bei der Schaltbrücke um eine Halbbrücke oder um eine Vollbrücke handelt, und unabhängig davon, ob die Schaltbrücke ein, zwei, drei oder mehr Motorspulen treibt, werden der jeweilige

Lowside- und Highside-Halbleiter verschieden stark belastet. Nur bei einem Pulsweiten-Verhältnis von 100 %, d. h. bei einem Verhältnis der Pulslänge zur Taktlänge von 1,0, liegt die elektrische und die thermische Belastung des Lowside- und des Highside-Halbleiters auf einem gleichen Niveau von ungefähr 50 % der gesamten Verlustleistung.

Insbesondere bei hochdynamischen Elektromotoren bzw. Anwendungen, die für Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind, kommt es beispielsweise während des Starts zu deutlich unsymmetrischen Belastungen der beiden zueinander komplementären Halbleiter. Sowohl der Lowside-Halbleiter als auch der Highside-Halbleiter sind in der Praxis aus Symmetriegründen identisch und daher alle auf 100 % der gesamten auftretenden Leistung bzw. Verlustleistung ausgelegt.

Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein Elektromotor-Kommutator bzw. ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators zu schaffen, bei dem die Leistungs-Halbleiter der Schaltbrücke symmetrisch belastet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 9.

Gemäß dem Vorrichtungsanspruch 1 ist der Pulsweiten-Modulator sowohl an den Lowside-Halbleiter als auch an den Highside-Halbleiter angeschlossen. Es ist ein Betriebsart-Umschalter vorgesehen, der den Pulsweiten-Modulator alternierend an den Highside- bzw. den Lowside-Halbleiter durchschaltet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 9 wird beim Betrieb des Kommutators zum Betrieb des Elektromotors alternierend und unterhalb der Modulationsfrequenz f _M zwischen einer Highside- und einer Lowside-Betriebsart umgeschaltet, in der das Pulsweiten-Modulator-Signal alternierend auf den Highside- und den Lowside- Schalt-Halbleiter geschaltet wird, wobei der jeweils komplementäre Halbleiter jeweils durchgeschaltet, also geschlossen wird.

Gemäß den unabhängigen Patentansprüchen ist also vorgesehen, regelmäßig und unterhalb der Modulationsfrequenz f _M zwischen der Highside- und der

Lowside-Betriebsart hin- und herzuschalten. Hierdurch wird die Verlustleistung auch bei einem Modulationsverhältnis von weniger als 100 % annähernd gleich auf den Lowside- und den Highside-Halbleiter verteilt. Die Umschaltfrequenz f _H ι_, mit der der Betriebsart-Umschalter zwischen der Lowside- und der Highside- Betriebsart hin- und herschaltet, ist in Abhängigkeit von der thermischen Trägheit der beiden betroffenen Halbleiter zu wählen. Die Betriebsart- Umschaltfrequenz f _H ι_ muss so hoch sein, dass bei Pulsweiten zwischen 0 % und 100 % eine unsymmetrische Erwärmung einer der beiden miteinander korrespondierenden Schalt-Halbleiter gegenüber dem anderen korrespondierenden Schalt-Halbleiter ausgeschlossen ist. Hierdurch wird die in den beiden korrespondierenden Halbleitern auftretende Verlustleistung so symmetriert und schnell verteilt, dass eine symmetrische und weitgehend gleichförmige peakfreie Erwärmung aller Halbleiter sichergestellt ist. Betriebsart- Umschaltung kann bei verschiedenen Schaltbrücken-Topologien eingesetzt werden, also bei IH-, 3H-, M6-, B6-, etc.-Topologien.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass die Maximaltemperatur der Schaltbrücken- Halbleiter um 15 - 20 K und mehr reduziert werden kann. Die betreffenden Halbleiter können daher entsprechend kleiner dimensioniert sein, wodurch sich wiederum Kostenvorteile ergeben. Gegebenenfalls sind an wärmeabführende Mittel geringere Anforderungen zu stellen. Ferner steigen durch die vermeidbaren Temperaturpeaks auch die Sicherheit gegenüber Zerstörung und die Zuverlässigkeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz f _H ι_ unterhalb Modulationsfrequenz f _M des Pulsweiten-Modulators. Besonders bevorzugt liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz f _HL mindestens 60 % unterhalb der Modulationsfrequenz f _M . Die Betriebsart-Umschaltfrequenz f _HL ist jedoch stets so hoch zu wählen, dass eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur des einen Halbleiters gegenüber der des anderen korrespondierenden Halbleiters über die Dauer einer Betriebsart bis zum Umschalten praktisch ausgeschlossen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz f _HL unter 5 kHz.

Vorzugsweise ist der Betriebsart-Umschalter zeitgesteuert. Unabhängig von der Drehzahl bzw. Drehfrequenz des Elektromotors wird die Umschaltung der Betriebsart mit einer konstanten Frequenz betrieben. Hierdurch kann zuverlässig eine zu geringe Umschaltfrequenz, die zu einer unerwünschten Erwärmung einer der korrespondierenden Halbleiter führen könnte, ausgeschlossen werden.

Alternativ ist jedoch auch eine lagegesteuerte Umschaltung der Betriebsart realisierbar. Dies stellt technisch die einfachere Lösung dar, da Rotor- Lagenformationen bei elektrisch kommutierten Elektromotoren ohnehin vorliegen. Beispielsweise kann die Betriebsart alle 15°, 30° oder 60° einer Rotor- Vollumdrehung umgeschaltet werden. Bei der lagegesteuerten Betriebsart- Umschaltung ist sicherzustellen, dass eine Mindest-Betriebsart-Umschaltfrequenz nicht unterschritten wird, um eine unerwünschte Erhitzung einer der beiden korrespondierenden Halbleiter zu vermeiden.

Grundsätzlich kann die Schaltbrücke des Kommutators als Halbbrücke ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaltbrücke jedoch als Vollbrücke ausgestaltet. Hierdurch kann die bzw. können die Motor- Spulen bzw. -Stränge in beiden Richtungen bestromt werden. Dies eröffnet u. a. die Möglichkeit den Motor in beiden Drehrichtungen zu betreiben.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kommutator derart ausgebildet, dass ein aktiver Freilauf während der Taktpause realisiert werden kann bzw. realisiert wird. Hierdurch wird die Verlustleistung insgesamt reduziert, da der Freilauf-Strom nicht mehr über eine Freilauf-Diode, sondern über einen geschlossenen Schalt-Halbleiter läuft.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 schematisch einen Elektromotor mit Elektromotor-

Kommutator einschließlich einer reduziert dargestellten

Schaltbrücke und Schaltbrückenansteuerung mit einem Pulsweiten-Modulator,

Fig. 2 die Verläufe des Stromes durch die Motorspule, der

Ansteuersignale für die Schalt-Halbleiter und des Stromes durch die Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke der Fig. 1 bei passivem Freilauf, und

Fig. 3 die Verläufe des Stromes durch die Motorspule, der

Ansteuersignale für die Schalt-Halbleiter und des Stromes durch die Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke der Fig. 1 bei aktivem Freilauf.

In der Fig. 1 ist eine vereinfachte und reduzierte dargestellte Motor-Anordnung 10 gezeigt, die im Wesentlichen gebildet wird von einem Kommutator 12 und einem Elektromotor 14. Der Elektromotor 14 ist ein bürstenloser elektronisch kommutierter Elektromotor mit einem permanentmagnetischen Motorrotor 16 und drei statorseitigen Motorspulen L, L', L". Die drei Motorspulen L, L', L" werden durch den Kommutator 12 mit Strom versorgt.

In der Fig. 1 ist der übersichtlichkeit halber der Kommutator 12 stark reduziert dargestellt, um exemplarisch und übersichtlich zwei verschiedene Betriebszustände in Bezug auf eine Halbbrücke, die von den Halbleitern Ti und T ₃ gebildet wird, zu erläutern. Der Kommutator 12 weist eine als Vollbrücke ausgebildete Schaltbrücke 20 auf, deren Schalt-Halbleiter Ti, T ₂ , T ₃ , T ₄ durch eine Schaltbrücken-Ansteuerung 22 angesteuert werden. Die Schalt-Halbleiter Ti, T ₂ , T ₃ , T ₄ sind MOSFET-Halbleiter, können jedoch auch aus anderen schaltbaren Leistungshalbleitern gebildet werden. Den Halbleitern Ti - T ₄ parallel sind Freilauf-Dioden Di - D ₄ zugeordnet, die in den Schaltpausen einen Stromfluss erlauben.

Die Schaltbrücken-Ansteuerung 22 weist u. a. einen Mikrocomputer 24, einen Pulsweiten-Modulator 26 und einen Betriebsart-Umschalter 28 auf. Tatsächlich ist die Ansteuerung 22 komplexer, da vorliegend nur zwei Betriebsarten in einer Bestromungsrichtung in Bezug auf eine Halbbrücke exemplarisch erläutert

werden und hierzu u. a. auf eine Darstellung der Ansteuerung der Halbleiter T ₂ und T ₄ VOlNg verzichtet wurde. Tatsächlich werden alle drei Motorspulen L, L', L" bestromt und zwar mit alternierenden Stromrichtungen. Das Prinzip der Ansteuerung 22 soll exemplarisch an einer der drei H-Brücken erklärt werden.

Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird das von dem pulsweiten- Modulator generierte Signal entweder auf einen Highside-Halbleiter Ti, T ₂ oder auf einen Lowside-Halbleiter T ₃ , T ₄ geleitet. Der ebenfalls im Brückenzweig liegende komplementäre Schalt-Halbleiter T ₃ , T ₄ , bzw. Ti, T ₂ kann zum aktivem Freilauf angesteuert werden.

Wenn die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung im sogenannten Highside-Modus betrieben wird, ist bei Anordnungen nach dem Stand der Technik der Pulsweiten- Modulator ausschließlich auf dem betreffenden Highside-Halbleiter Ti geschaltet. Der korrespondierende Lowside-Halbleiter T ₄ ist dann dauerhaft geschlossen. Während der Taktpause des pulsweiten-modulierten Signales ist der Highside- Halbleiter Ti geöffnet, d. h. es fällt dort während der Taktpause keine Verlustleistung und damit keine weitere Erwärmung an. Der korrespondierende Halbleiter T ₄ bleibt jedoch geschlossen, damit sich in der unteren Hälfte der Schaltbrücke 20 ein Freilauf einstellen kann, der im Uhrzeigersinn durch die Motorspule L, den Lowside-Halbleiter T ₄ sowie die Freilaufdiode D4 bzw. gegebenenfalls den geschlossenen Halbleiter T ₃ im Kreis läuft. Nur bei einem Tastverhältnis von 100 % ist die Verlustleistung in dem Highside-Halbleiter Ti und dem korrespondierenden Lowside-Halbleiter T ₄ identisch.

Wird die Motorspule L in beiden Bestromungsrichtungen betrieben, was in aller Regel der Fall ist, wird der betrachtete Lowside-Halbleiter T ₄ auch während der aktiven Freilaufphasen beansprucht, wenn der die Bestromung der Motorspule L in Gegenrichtung modulierende Highside-Halbleiter T ₂ geöffnet ist.

Da ein Pulsweiten-Verhältnis von 100 % im Betrieb die Ausnahme darstellt und gegebenenfalls prinzipbedingt technisch nicht möglich ist, wird ein Teil der Brücke (Low- oder Highside Halbleiter), je nach Taktungsart, in aller Regel erheblich mehr beansprucht als die korrespondierenden Halbleiter. Dies hat zur

Folge, dass sich die Verlustleistung und damit die Erwärmung unterschiedlich auf die Halbleiter verteilt.

Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Kommutator 12 ist daher ein Betriebsart-Umschalter 28 vorgesehen, der den Pulsweiten-Modulator 26 abwechselnd auf den bzw. die Highside-Halbleiter Ti, T ₂ und auf die Lowside- Halbleiter T ₄ , T ₃ aufschalten kann. Es kann ständig zwischen einer Highside- Betriebsart und einer Lowside-Betriebsart hin- und hergeschaltet werden. Hierdurch wird auch die Verlustleistungs-Unsymmetrie zwischen den Highside- Halbleitern Ti, T ₂ und den Lowside-Halbleitern T ₃ und T ₄ mit der Frequenz der Betriebsart-Umschaltung stets umgedreht, d. h. die ggf. höhere Verlustleistung abwechselnd auf die Highside-Halbleiter Ti, T ₂ einerseits und die Lowside- Halbleiter T ₃ , T ₄ andererseits geschaltet.

Der zeitliche Verlauf der Ansteuersignale sowie der zeitliche Verlauf der Ströme durch die Halbleiter Ti - T ₄ sei anhand der Fig. 1 bis 3 erklärt:

Ein Rotorumlauf von 360° ist in sechs Phasen A - F, von je 60° aufgeteilt. Die neun Zeitdiagramme der Fig. 2 und 3 zeigen die zeitlichen Verläufe des Spulenstroms I _L (1), die Schaltzustände der Halbleiter Ti, T ₃ , T ₂ und T ₄ (2 bis 5) und die entsprechenden Halbleiter-Ströme I _T i, Iτ3, I _T2 und I _T4 durch die Halbleiter Ti bis T ₄ , und zwar in Fig. 2 mit passivem und in Fig. 3 mit aktivem Freilauf. Die Highside- und Lowside- Phasen sind in den Diagrammen mit "h" bzw. "I" gekennzeichnet.

In der Phase A (0° - 60°) ist das pulsweiten-modulierte Signal des Pulsweiten- Modulators 26 auf den Highside-Halbleiter Ti geschaltet, so dass sich ein entsprechender Stromverlauf I _T i durch den Halbleiter Ti ergibt. Der korrespondierende Lowside-Halbleiter T ₄ ist in der Phase A dauerhaft geschlossen. Während des High-Signals des Pulsweiten-Modulators 26 wird der Highside-Halbleiter Ti durchgesteuert und es fließt ein Strom vom Pulspol über den Halbleiter Ti, die Motorspule, den Halbleiter T ₄ zum Minuspol. Während des Low-Signals des Modulators 26 wird der Stromfluss durch die Spule L über die Diode D ₃ oder den Halbleiter T3 und den Lowside-Halbleter T ₄ aufrechterhalten, was den sogenannten Freilauf darstellt. Auf diese Weise ergibt sich während der

Phase A durch den korrespondierenden Lowside-Halbleiter T ₄ ein praktisch dauerhafter relativ konstanter Stromfluss. Der andere Highside-Halbleiter T ₂ ist in der Phase A geöffnet. Der Lowside-Halbleiter T ₃ ist bei passivem Freilauf geöffnet (siehe Fig.2). Der Stromfluß wird dabei über die Diode D3 aufrecht gehalten. Beim aktiven Freilauf wird der Lowside-Halbleiter T ₃ komplementär zu dem Highside-Halbleiter Ti geschaltet bzw. getaktet (siehe Fig. 3).

In der folgenden Phase B (60° - 120°) wird von der Highside-Betriebsart auf die Lowside-Betriebart umgeschaltet, so dass das pulweiten-modulierte Signal des Pulsweiten-Modulators 26 nunmehr auf den zu dem Highside-Halbleiter Ti korrespondierenden Lowside-Halbleiter T ₄ geschaltet wird. Der korrespondierende Highside-Halbleiter Ti wird während der gesamten Phase B geschlossen, also durchgeschaltet. Der Highside-Halbleiter Ti leitet während der Pulse des pulsweiten-modulierten Signals und ebenfalls während der Puls-Pausen im Freilauf den Strom durch, so dass während der Phase B in Ti kontinuierlich eine entsprechende Verlustleistung anfällt.

Die folgende Phase C (120° - 180°) dient ebenso wie die Phase F (300° - 360°) der Umkommutierung. Während der Phasen C und F sind alle Halbleiter Ti - T ₄ geöffnet, so dass keine Ströme durch die Halbleiter Ti - T ₄ bzw. durch die Spule L fließen.

In den folgenden Phasen D und E erfolgt die Bestromung der Spule L in umgekehrter Richtung, so dass die Halbleiter T ₂ und T ₃ , die miteinander korrespondierenden Halbleiter bilden. In der Phase D gilt die Lowside-Betriebsart, so dass das pulsweiten-modulierte Signal auf den ersten Lowside-Halbleiter T ₃ geleitet wird. Der korrespondierende zweite Highside-Halbleiter T ₂ ist während der Phase D demnach vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.

In der Phase E wird das pulsweiten-modulierte Signal auf den zweiten Highside- Halbleiter T ₂ geschaltet. Dementsprechend wird der korrespondierende erste Lowside-Halbleiter T ₃ vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.

Wie aus den zeitlichen Stromverläufen der vier Halbleiter Ti - T ₄ in Fig. 2 unschwer zu erkennen ist, ist das Integral der jeweiligen Stromverläufe durch

alle vier Halbleiter Ti - T ₄ gleich, so dass auch die Verlustleistung an allen vier Halbleitern Ti - T ₄ gleich, also symmetrisch ist. Dies gilt unabhängig von dem Tastverhältnis des pulsweiten-modulierten Signals, also für ein Tastverhältnis von 0 % - 100 %. Hierdurch können, gegenüber unsymmetrischer Belastung bei Betrieb ohne Betriebsart-Umschaltung, die maximale an einem Halbleiter auftretende Verlustleistung und damit die maximale Erwärmung reduziert und die Halbleiter sowie die Kühlmaßnahmen entsprechend kleiner dimensioniert werden.