Beschreibung

Messfühler zum Einsatz bei einer Leistungselektronik

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messfühler, insbesondere einen Temperaturfühler, zum Einsatz in oder bei einer Leistungselektronik.

Im Rahmen einer Leistungselektronik ist häufig ein Tempera- turfühler vorgesehen, der die Temperatur der Leistungselektronik misst. Das von dem Temperaturfühler erfasste Messsignal wird in einer nachgeschalteten Signalelektronik mit dem Ziel ausgewertet, eine überhitzung der Leistungselektronik zu vermeiden. Insbesondere in der Automobiltechnik werden häufig Leistungselektronikmodule, z.B. in einem elektrischen Umrichter für einen Hybridantrieb, mit integriertem Temperaturfühler eingesetzt.

Bei einem Lichtbogenfehler in der Leistungselektronik, z.B. beim Ausfall eines Leistungsschalters, besteht eine gewisse Gefahr, dass der Lichtbogen auf den der Leistungselektronik zugeordneten Temperaturfühler überspringt. In diesem Fall kann eine gefährliche elektrische Spannung zur Signalelektronik gelangen. Hierdurch kann es einerseits zu einer Beschädi- gung oder Zerstörung der Signalelektronik kommen. Andererseits ist eine solche Signalelektronik - da sie im Normalbetrieb lediglich mit ungefährlicher Niederspannung arbeitet, nicht oder nur schwach elektrisch isoliert, so dass bei einem Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf die Sig- nalelektronik unter Umständen eine Gefahr für Personen besteht .

Eine ähnliche Problematik besteht grundsätzlich auch für Messfühler zur Erfassung weiterer Messgrößen, sofern diese in oder bei einer Leistungselektronik oder einer sonstigen Umgebung, in der hohe elektrische Spannungen auftreten, eingesetzt werden.

Um einen Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf die Signalelektronik auszuschließen, wird bisweilen dem Messfühler und der Signalelektronik eine galvanische Trennstrecke zwischengeschaltet, über welche das von dem Messfühler er- fasste Messsignal auf nicht-elektrischem Wege, beispielsweise durch optische oder magnetische übertragungsmechanismen übertragen wird. Die Realisierung einer galvanischen Trennstrecke ist aber vergleichsweise aufwändig. Alternativ hierzu kann der Messfühler von der Leistungselektronik auch durch eine hinreichende elektrische Isolationsschicht abgekapselt, insbesondere außerhalb eines Leistungselektronikmoduls angeordnet sein. Eine solche Isolationsschicht behindert regelmäßig aber auch den Wärmefluss zwischen der Leistungselektronik und dem Temperaturfühler, so dass ein elektrisch abgekapselter Temperaturfühler die tatsächliche Temperatur der Leistungselektronik nur vergleichsweise unpräzise erfassen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messfühler anzugeben, der mit einfachen Mitteln realisierbar ist und der ohne Gefährdung von Personen oder einer nachgeschalteten Signalelektronik vorteilhaft im Bereich einer Leistungselektronik einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Messfühler ein Sensorelement zur Erfassung eines Messsignals, das über mindestens eine elektrische Signalleitung mit einem Signalausgang verdrahtet ist, der an eine nachgeschaltete Signalelektronik anschließbar ist. Um im Falle eines Lichtbogenüberschlags auf das Sensorelement eine Gefährdung von Personen oder der nachgeschalteten Signalelektronik zu vermeiden, ist die Signalleitung über einen überspannungsbypass mit Masse verbunden. Der überspannungsbypass hat hierbei die Eigenschaft, dass er im Normalbetrieb des Messfühlers elektrisch sperrt, d.h. kei- nen Stromfluss zwischen der Signalleitung und Masse zulässt, aber im Falle einer überspannung in der Signalleitung öffnet, d.h. die Signalleitung mit Masse kurzschließt. In der Signalleitung ist weiterhin eine Sicherung, insbesondere eine

Schmelzsicherung, angeordnet, die dem Sensorelement und dem überspannungsbypass zwischengeschaltet ist.

Die Kombination des überspannungsbypasses mit der vorgeschal- teten Sicherung bewirkt, dass bei einem Spannungsüberschlag von der Leistungselektronik auf das Sensorelement das letztere durch den überspannungsbypass leitend mit Masse verbunden wird. Durch die öffnung des überspannungsbypasses wird somit einerseits die in der Signalleitung herrschende elekt- rische Spannung auf einen ungefährlichen Betrag limitiert.

Andererseits wird durch den im überschlagsfall in der Signalleitung und dem überspannungsbypass fließenden Kurzschlussstrom die Sicherung ausgelöst und somit das Sensorelement von dem Signalausgang - und damit auch von einer nachgeschalteten Signalelektronik - galvanisch getrennt. Der Aufbau einer gefährlichen Spannung in der Signalelektronik oder sonstigen, dem Sensorelement nachgeschalteten berührbaren Teilen ist somit ausgeschlossen.

Der durch die Kombination des überspannungsbypasses mit der vorgeschalteten Sicherung gebildete überspannungsschutz ist dabei - insbesondere im Vergleich zu einer galvanischen Trennstrecke - einfach und preisgünstig realisierbar. Er erlaubt es andererseits, das Sensorelement des Messfühlers ge- fahrlos in der unmittelbaren Umgebung der Leistungselektronik anzuordnen und ermöglicht somit eine präzise Messung der von dem Messfühler erhobenen Messgröße.

Bei dem Messfühler handelt es sich insbesondere um einen Tem- peraturfühler . In diesem Fall handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Temperatursensor, insbesondere in Form eines Thermoelements oder eines sonstigen temperaturempfindlichen elektrischen oder elektronischen Bauteils.

Optional, insbesondere im Falle eines passiven Sensorelements, umfasst der Messfühler zwei oder mehr mit dem Sensorelement verbundene Signalleitungen oder eine Signalleitung, die sich zwischen dem Sensorelement und dem Signalausgang

verzweigt. In diesem Fall ist in jeder Signalleitung bzw. jedem Zweig der Signalleitung ein überspannungsbypass sowie eine diesem vorgeschaltete Sicherung vorgesehen.

Der überspannungsbypass ist in einfacher und zweckmäßiger

Ausführung des Messfühlers insbesondere durch eine Zenerdiode gebildet, die der Signalleitung und Masse in Sperrrichtung zwischengeschaltet ist und die somit die in der Signalleitung anliegende Spannung auf den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode begrenzt.

In vorteilhafter Ausführung ist in der Signalleitung ein dem Sensorelement nachgeschalteter Messverstärker vorgesehen. In diesem Fall ist der überspannungsbypass dem Sensorelement und dem Messverstärker vorzugsweise zwischengeschaltet, um im

Falle eines Spannungsüberschlags eine Spannungsüberbelastung des Messverstärkers zu verhindern.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist der Mess- fühler als eigenständiges Bauteil konzipiert, das zunächst unabhängig von der Leistungselektronik hergestellt und bestimmungsgemäß erst in einem Endmontagezustand in oder an der letzteren angeordnet wird. In einer bevorzugten alternativen Ausführung ist der Messfühler ganz oder teilweise in die Leistungselektronik integriert. Diese Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik als gekapseltes, integriertes Elektronikmodul vorliegt. Bevorzugt sind insbesondere nur das Sensorelement oder nur das Sensorelement und die oder jede Sicherung in die Leistungselektro- nik integriert, während die restlichen Bestandteile des Messfühlers, insbesondere ein optional vorhandener Messverstärker, in einem separaten Aufsteckbauteil extern des Leistungselektronikmoduls angeordnet sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur ein Leistungselektronikmodul mit einem integrierten Temperaturfühler .

Das lediglich grob schematisch Leistungselektronikmodul um- fasst eine (in der Darstellung lediglich mit einem gestrichelten Kreis angedeutete) Leistungselektronik 2. Bei der Leistungselektronik 2 handelt es sich insbesondere um einen Teil eines elektrischen Umrichters, beispielsweise um einen oder mehrere Leistungsschalter mit jeweils einer parallel geschalteten Freilaufdiode (nicht näher dargestellt) . Das Leistungselektronikmodul 1 umfasst weiterhin beispielhaft eine elektrische Zuleitung 3 zur Zuleitung eines elektrischen Versorgungsstroms an die Leistungselektronik 2 sowie eine elektrische Ableitung 4 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem nachgeschalteten elektrischen oder elektronischen Bauteil, beispielsweise einem Elektromotor eines Kraftfahr- zeug-Hybridantriebs . Die Leistungselektronik 2 ist weiterhin mit einem Masseanschluss 5 versehen, der im Betrieb des Leistungselektronikmoduls 1 elektrisch mit Masse M kontaktiert ist .

Im Betrieb der Leistungselektronik 2 herrschen im Bereich derselben typischerweise elektrische Bedingungen, die eine erhebliche Gefährdung für den menschlichen Organismus darstellen. Im Rahmen des Leistungselektronikmoduls 1 ist die Leistungselektronik 2 daher in einem Isoliergehäuse 6 einge- schlössen und somit nach außen hin berührungssicher gekapselt.

Das Leistungselektronikmodul 1 umfasst weiterhin einen der Leistungselektronik 2 zugeordneten und in das Leistungselekt- ronikmodul 1 integrierten Temperaturfühler 10.

Der Temperaturfühler 10 umfasst ein Sensorelement 11 in Form eines Temperatursensors. Das Sensorelement 11 ist über eine Signalleitung 12 elektrisch mit einem in der Wand des Iso- liergehäuses 6 angeordneten Signalausgang 13 verdrahtet. Das Sensorelement 11 ist hierzu über zwei parallele Zweige 14a, 14b der Signalleitung 12 mit einem nachgeschalteten

Messverstärker 15 verschaltet. Der Messverstärker 15 ist wiederum ausgangsseitig mit dem Signalausgang 13 verschaltet.

Ausgehend von dem Sensorelement 11 ist in jedem Zweig 14a, 14b der Signalleitung 12 eine Schmelzsicherung 16a, 16b angeordnet. Dieser Schmelzsicherung 16a bzw. 16b nachgeschaltet zweigt von jedem Zweig 14a, 14b ein überspannungsbypass 17a, 17b ab, der den jeweiligen überspannungsbypass 17a, 17b über eine in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode 18a, 18b mit Masse M verbindet.

Im Montagezustand ist an den Signalausgang 13 des Leistungselektronikmoduls 1 bestimmungsgemäß eine Signalelektronik 19 angeschlossen, der ein von dem Sensorelement 11 erfasstes und im Messverstärker 15 verstärktes Temperatursignal T zugeführt wird. Die Signalelektronik 19 vergleicht hierbei den Wert des Temperatursignals T mit einem hinterlegten Schwellwert. Stellt die Signalelektronik 19 fest, dass der Wert das Temperatursignals T den Schwellwert überschreitet, so leitet sie vorgegebene Maßnahmen ein, um die Leistungselektronik 2 vor einer überhitzung zu schützen. Im Normalbetrieb trennen die Zenerdioden 18a, 18b die Signalleitung 12 von Masse.

Kommt es im Falle eines Lichtbogenfehlers in der Leistungs- elektronik 2 zu einem überschlag des Lichtbogens auf den Temperatursensor 11 so steigt die elektrische Spannung in mindestens einem, typischerweise aber in beiden Pfaden 14a, 14b der Signalleitung 12 auf einen Betrag an, der die Durchbruch- spannung der jeweils zugeordneten Zenerdiode 18a bzw. 18b ü- bersteigt. Hierdurch öffnet die jeweilige Zenerdiode 18a, 18b und leitet den in der Signalleitung 12 aufgrund des Lichtbogenüberschlags fließenden Kurzschlussstrom über den Massean- schluss 5 an Masse M ab. Infolge des Kurzschlussstroms in dem jeweiligen Zweig 14a, 14b brennt die zugeordnete Schmelzsiche- rung 16a bzw. 16b durch und trennt somit das Sensorelement 11 galvanisch von dem Messverstärker 1 und dem nachgeschalteten Signalausgang 13. Die Gefahr einer Beschädigung des Messver-

stärkers 15 und der nachgeschalteten Signalelektronik 19 oder eine Gefährdung von Personen wird hierdurch ausgeschlossen.