Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Überstromdetektion an Leistungsschaltern

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Über stromdetektion.

Stand der Technik

Leistungselektronische Schaltungen verfügen im Allgemeinen über Leistungs halbleiter, die als Schalter betrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich (abhängig von Gerätetyp, Leistung, Spannungsbereich, Anwendung, etc.) meist um MOSFETs oder IGBTs. Für die überwiegende Mehrheit der Anwen dungen basieren diese MOSFETs und IGBTs auf Silizium.

In vielen Anwendungen, insbesondere bei höheren Leistungen und Reihenschal tungen von Leistungshalbleiterschaltern (z.B. als Halbbrücken), müssen die Leis tungshalbleiter vor Überströmen, wie sie beispielsweise bei einem Kurzschluss auftreten können, insbesondere vor Halbbrückenkurzschlüssen, geschützt wer den. Dazu kann der Laststrom des Schalters direkt oder indirekt gemessen wer den und bei Überschreitung des zulässigen Betriebsbereichs kann der Schalter unabhängig von seinem regulären Ansteuersignal geöffnet werden, um den Überstrom zu unterbrechen.

Die Überstromerkennung muss vergleichsweise schnell erfolgen, da Leistungs halbleiterschalter aufgrund ihrer geringen thermischen Masse in der Regel nur über eine begrenzte Kurzschluss- bzw. Überstromfestigkeit verfügen. Die Kurz schlussfestigkeit wird üblicherweise als zulässige Kurzschlussdauer angegeben. Diese kann für Industrieanwendungen beispielsweise etwa 10 ps und für Fahr- zeugtraktionsinverter beispielsweise etwa 3 ps betragen. Der Abschaltvorgang eines Kurzschlussstroms dauert in der Regel etwa 1 bis 2 ps. Daraus ergibt sich eine für die Überstromerkennung verfügbare Zeit von etwa 1 bis 2 ps, insbeson dere bei Fahrzeugtraktionsinvertern.

Um eine aufwändige Messung des Laststroms des Leistungshalbleiters zu um gehen, kann die Überstrom-Erkennung über die indirekte Messung des Span nungsabfalls über dem Lastpfad des Leistungshalbleiters (IGBT: Kollektor- Emitter-Spannung, MOSFET: Drain-Source-Spannung) erfolgen.

Im eingeschalteten Zustand sollte im Regelbetrieb der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter möglichst klein sein, um Leitverluste zu minimieren. Üb liche Spannungsabfälle bei -500 V-Anwendungen betragen ca. 1 bis 3 V. Kurz schlussströme betragen meist ein Vielfaches des regulären Betriebsstroms und führen daher zu deutlich höheren Spannungsabfällen über dem Leistungshalb leiterschalter. Im Kurzschlussfall begrenzt der Leistungshalbleiterschalter oft selbst den Überstrom, da der reguläre Betriebsbereich im Leitzustand (Bsp. MOSFET: ohmscher Bereich) verlassen wird. Ein IGBT entsättigt in diesem Fall und ein MOSFET sättigt. Daher wird ein hierauf basierendes Kurzschlussdetekti onsverfahren als Desat-Verfahren bezeichnet.

Da der Spannungsabfall über einem Leistungshalbleiterschalter im gesperrten Zustand deutlich höher ist als im Leitzustand (z.B. 500V zu 1,5V), kann der Spannungsabfall indirekt, beispielsweise mit Hilfe von Entkopplungsdioden, ge messen werden.

Um den Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter im Leitzustand zu messen, kann über die Entkopplungsdiode ein (kleiner Hilfs-)Strom in den Leis tungspfad des Leistungshalbleiters eingespeist werden. Dieser Hilfsstrom kann beispielsweise mittels eines Pull-Up-Widerstands oder einer Stromquellenschal tung aus der positiven Gatetreiberversorgungsspannung gespeist werden. Der Spannungsabfall an der Anode der Entkopplungsdiode (Messsignal) entspricht in einer solchen Anordnung dem Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter zzgl. der Flussspannung der Entkopplungsdiode. Das Messsignal kann gefiltert und mittels einer Komparatorschaltung ausgewer tet werden. Übersteigt der so ermittelte Spannungsabfall über dem Leistungs halbleiter einen vorher definierten Schwellwert, können ein Überstrom erkannt und ein entsprechender Abschaltvorgang eingeleitet werden.

Im gesperrten Zustand fällt eine Spannung über dem Leistungshalbleiterschalter ab, die größer ist als die Gatetreiberversorgungsspannung. Daher sperrt die Ent kopplungsdiode. Eine Überstromüberwachung ist im Sperrzustand somit nicht möglich, aber auch nicht erforderlich.

Um eine Aufladung des Eingangsfilters durch den Pull-Up-Widerstand zu verhin dern, kann im ausgeschalteten Zustand ein Klammer-Transistor gegen Masse aktiviert werden.

Diese Form der Überstromerkennung stellt die häufigste Kurzschlusserken nungsmethode dar und ist in vielen am Markt erhältlichen Gatetreiber-ICs bereits integriert, sodass als externe Beschaltung nur eine Entkopplungsdiode und ein analoges (RC-)Filter notwendig sind.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überstromde tektion mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft eine Überstromdetektion, die ähnlich wie die eingangs er läuterte Desat-Methode auf der Messung des Spannungsabfalls über dem Leis tungshalbleiter basiert. Im Gegensatz zur Desat-Methode wird die Spannung nicht indirekt mit Hilfe von Entkopplungsdioden, sondern direkt mit Hilfe eines, insbesondere frequenzkompensierten, Spannungsteilers gemessen, der die ab fallende Spannung gemäß seinem Spannungsteilerverhältnis auf eine Mess spannung herunterteilt. Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber der De- sat-Methode ist, dass die Auslöseschwelle der Überstromerkennung ("Kurz schlusserkennung") unabhängig von der Gatetreiberversorgung gewählt werden kann. Bei der Desat-Methode kann prinzipbedingt der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter nur bis zu einer Spannung gemessen werden, die die Gate treiberversorgungsspannung abzüglich der Vorwärtsspannung der Entkopp lungsdiodein) nicht übersteigt, da die Entkopplungsdiode zur Messung in Vor wärtsrichtung gepolt sein muss. Durch die weitgehend freie Wahl des Span nungsteilerverhältnisses entfällt diese Beschränkung, wenn die vorliegende Er findung als Überstromerkennung verwendet wird, wobei die Messspannung mit dem Schwellwert verglichen wird. Dadurch ist eine direkte Messung des Span nungsabfalls möglich und der verfügbare Messbereich wird im Vergleich zu her kömmlichen Verfahren erweitert.

Vorteilhafterweise weist der Spannungsteiler einen resistiven bzw. ohmschen Teil und einen kapazitiven Teil auf, bildet also einen ohmsch-kapazitiven Span nungsteiler. Dieser kann so ausgebildet werden, dass der Frequenzgang des Teilerverhältnisses im Wesentlichen konstant ist.

Bevorzugt umfasst der Spannungsteiler eine Abschirmung und eine Kompensati onsvorrichtung, wobei die Abschirmung dazu eingerichtet ist, den Spannungstei ler von Signalen und/oder Potentialen in der Umgebung des Spannungsteilers zu entkoppeln, und die Kompensationsvorrichtung dazu eingerichtet ist, sich zwi schen der Abschirmung und dem Spannungsteiler ausbildende Kapazitäten zu kompensieren. Die Abschirmung kann dabei als Massefläche ausgebildet sein, die sich in einem Bereich über die räumliche Ausdehnung des Spannungsteilers hinweg erstreckt. Der Spannungsteiler selbst kann eine Kette aus hochohmigen Widerständen (ohmscher Teil) umfassen, die möglichst spannungsfest und ver lustarm ausgebildet sind. Die Kompensationsvorrichtung kann beispielsweise ein Netzwerk von parallel zu den hochohmigen Widerständen geschalteten Konden satoren umfassen, die die parasitären Kapazitäten des Spannungsteilers mit der Massefläche ausgleichen. Die Kompensationsvorrichtung kann insbesondere Teil der kapazitiven Teils eines frequenzkompensierten Spannungsteilers sein. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner ein Deaktivieren des Verglei- chens während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschalters, wobei der Ein schaltvorgang insbesondere eine Dauer von 1 ps, 0,5 ps oder 0,1 ps nicht über schreitet, und/oder während der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Dadurch können falsch positive Ergebnisse der Überstromdetektion verhindert werden, da ein Spannungsabfall bei geöffnetem Leistungsschalter in der Regel über der Aus- löseschwelle liegt und während des Einschaltvorgangs durch die rasche Ände rung von Strom und Spannung der Spannungsteiler gestört werden kann.

Vorteilhafterweise umfasst dabei das Deaktivieren, den Messspannungsabgriff am Spannungsteiler nach Masse kurzzuschließen. Dies ist schaltungs- und steu erungstechnisch mit besonders geringem Aufwand verbunden.

Insbesondere wird als Leistungsschalter ein MOSFET oder ein IGBT bereitge stellt. Dadurch ist das Verfahren mit den wichtigsten Leistungsschaltern kompati bel.

Bevorzugt wird der Leistungsschalter zur Bestromung eines Verbrauchers in ei nem Fahrzeug genutzt, insbesondere in einem sog. Traktionsumrichter, d.h. ei nem Stromrichter zur Bestromung eines elektrischen Antriebs wie einem Elekt romotor. Dies ermöglicht, die bereits benannten Vorteile in einem wichtigen An wendungsfeld zu realisieren. Wie eingangs bereits erwähnt ist insbesondere in Fahrzeugtraktionsumrichtern eine besonders schnelle Überstromdetektion erfor derlich.

Bevorzugt ist eine Klammerschaltung vorgesehen, die den Messspannungsab griff des Spannungsteilers während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschal ters und/oder während der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, mit Masse kurz schließt. Diese Klammerschaltung kann beispielsweise einen Transistor aufwei sen, der zwischen Messspannungsabgriff und Masse geschaltet ist. Die Klam merschaltung kann zusätzlich auch zwei Schutzdioden zur Klammerung gegen unzulässige Über- oder Unterspannungen aufweisen, von denen eine in Sperr richtung zwischen einer Versorgungsspannung und dem Messspannungsabgriff und die andere in Sperrrichtung zwischen dem Messspannungsabgriff und Mas- se geschaltet ist. Dadurch kann die Spannung an dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers im Wesentlichen auf den Bereich zwischen der Versor gungsspannung und Massepotential begrenzt werden und somit der Komparator vor Überspannung und Unterspannung geschützt werden.

Bevorzugt ist die Referenzspannung einstellbar, um eine Auslöseschwelle der Überstromdetektion einzustellen.

Insbesondere ist die Vorrichtung zumindest teilweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und wenig störanfällige Bereitstellung der entsprechenden Funktionalität. Insbesondere eignen sich der Komparator und die Klammerschaltung für eine Integration, so dass in diesem Fall nur der Spannungsteiler als separates Bauteil nötig wäre. Wird der Span nungsteiler separat bereitgestellt, ermöglicht dies zudem eine flexible Auslegung der Vorrichtung für unterschiedliche Auslöseschwellen, da das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers neben der Referenzspannung eine weitere Einflussgröße für die Auslöseschwelle darstellt. So kann beispielsweise über das Teilungsver hältnis der Arbeitsbereich der Vorrichtung grob festgelegt werden, während die Einstellung der Referenzspannung eine Feineinstellung erlaubt.

Der Spannungsteiler weist vorteilhafterweise einen elektrischen Gesamt- Widerstand im Bereich von 0,2 MW bis 5 MW, bevorzugt im Bereich von 0,5 MW bis 2,5 MW, insbesondere im Bereich von 1 MW bis 2 MW, auf. Dies stellt eine niedrige Verlustleistung und eine hohe Spannungsfestigkeit sicher.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsge mäßen Vorrichtung in Form eines stark vereinfachten Schaltbildes.

Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfah rens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrich tung in Form eines stark vereinfachten Schaltbildes schematisch gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet.

Die Vorrichtung 100 umfasst einen Spannungsteiler 110, einen Komparator 120 und eine Klammerschaltung 130.

Der Spannungsteiler 110 ist an einer Eingangsseite mit einem Ausgang eines Leistungsschalters verbunden, der eine Ausgangsspannung U aufweist, und an einer Ausgangsseite mit Masse GND verbunden. Der Spannungsteiler 110 weist einen resitiven bzw. ohmschen und einen kapazitiven Teil auf und bildet insge samt einen sog. frequenzkompensierten Spannungsteiler.

Der Spannungsteiler 110 weist mehrere Widerstände 112, 116 auf, die zueinan der in Reihe geschaltet sind. Parallel zu jedem der Widerstände 112 ist jeweils ein Kondensator 114 geschaltet. Ein Messspannnungsabgriff befindet sich vor dem Widerstand 116, so dass sich das Spannungsteilerverhältnis aus dem Ver hältnis des Widerstands 116 zum Gesamtwiderstand ergibt. Der Messspan nungsabgriff ist ferner mit der Klammerschaltung 130 verbunden.

Über die Dimensionierung des Widerstands 116 kann somit das ohmsche Span nungsteilerverhältnis des Spannungsteilers 110 vorgegeben werden.

Der Spannungsteiler 110 ist in vorteilhaften Ausgestaltungen gegen seine Um gebung mittels einer Massefläche geschirmt (nicht in der Zeichnung dargestellt). Die Massefläche bildet mit den Widerständen 112 des Spannungsteilers 110 im Betrieb parasitäre Kapazitäten aus. Diese werden durch die Kondensatoren 114, die zu den Widerständen 112 parallel geschaltet sind, kompensiert, so dass die parasitären Kapazitäten das Potential des Messspannungsabgriffs des Span nungsteilers 110 nicht beeinflussen.

Ein Kondensator 118 ist zwischen den Messspannungsabgriff des Spannungstei lers 110 und Masse GND bzw. parallel zum Widerstand 116 geschaltet. Dieser Kondensator 118 ist Teil des kapazitiven Spannungsteilers und dient dazu, das kapazitive Teilerverhältnis des Spannungsteilers einzustellen.

Die Widerstände 112 des Spannungsteilers 110 weisen jeweils hohe elektrische Widerstandswerte auf. Beispielsweise kann jeder der Widerstände 112, von de nen beispielsweise 2 bis 20 Exemplare in Reihe geschaltet sind, einen Wider stand zwischen 10 kQ und 2,5 MW, insbesondere zwischen 100 kQ und 1 MW, beispielsweise ca. 200 kW aufweisen. Jeder der Widerstände 112 weist dabei bevorzugt den gleichen elektrischen Widerstand auf, es können jedoch auch un terschiedliche elektrische Widerstände verwendet werden. Die Kondensatoren 114 werden entsprechend klein dimensioniert. Beispielsweise weisen die Kon densatoren 114 jeweils eine Kapazität von 1 pF bis 200 pF, insbesondere zwi schen 5 pF und 100 pF, beispielsweise etwa 10 pF, auf.

Der Komparator 120 ist, wie bereits erwähnt, mit einem Eingang mit dem Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers 110 verbunden. Ein weiterer Eingang des Komparators ist mit einer Referenz-Spannungsquelle verbunden, die eine Referenzspannung U _ref bereitstellt. Im Betrieb vergleicht der Komparator 120 die an dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 anliegende Spannung mit der Referenzspannung U _ref und leitet eine Maßnahme ein, wenn die Span nung des Messspannungsabgriffs des Spannungsteilers 110 die Referenzspan nung U _ref übersteigt. Beispielsweise gibt der Komparator 120 ein Signal als die Maßnahme aus, oder er steuert eine Schaltung zum Abschalten des Leistungs schalters, dessen Ausgangsspannung U die Vorrichtung 100 überwacht.

Die Klammerschaltung 130 weist einen Schalter auf, beispielsweise einen Tran sistor, dessen Source-Anschluss mit dem Messspannungsabgriff des Span- nungsteilers 110 verbunden ist, und dessen Drain-Anschluss mit einer Masse GND verbunden ist. Ist der Leistungsschalter, dessen Ausgangsspannung die Vorrichtung 100 überwacht, geöffnet bzw. befindet er sich in einer Ansteuerpha se, während der er geschlossen wird, wird die Klammerschaltung 130, insbeson dere über den Gate-Anschluss des Transistors, zum Schließen der Verbindung zwischen Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 und Masse GND ge steuert. Ist der Leistungsschalter hingegen geschlossen, wird die Verbindung zwischen Masse GND und Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 über die Klammerschaltung 130 unterbrochen, so dass der Komparator 120 an seinem mit dem Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 verbundenen Eingang die tatsächliche Ausgangsspannung erfassen kann. Die Klammerschal tung 130 umfasst ferner eine Diode, die in Sperrrichtung zwischen den Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers und Masse GND geschaltet ist, sowie eine Diode, die in Sperrrichtung zwischen eine Versorgungsspannung und Mess spannungsabgriff des Spannungsteilers 110 geschaltet ist. Diese beiden Dioden dienen dazu, die Spannung des Messspannungsabgriffs des Spannungsteilers 110 auf den Bereich zwischen der Versorgungsspannung und Massepotential GND zu begrenzen, um eine Schädigung des Komparators 120 zu verhindern.

In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfah rens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms dargestellt und insge samt mit 200 bezeichnet.

Das Verfahren 200 umfasst in einem ersten Schritt 210 ein Vergleichen zweier Spannungen, einer Referenzspannung U _ref und einer Messspannung des Span nungsteilers 110, die jeweils an einem Eingang des Komparators 120 anliegen.

In einem Schritt 220 wird, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichsschritts 210, der weitere Verlauf des Verfahrens 200 festgelegt. Ist die Messspannung des Spannungsteilers 110 kleiner als oder gleich hoch wie die Referenzspan nung U _ref , kehrt das Verfahren zu Schritt 210 zurück.

Wird jedoch festgestellt, dass die Messspannung die Referenzspannung U _ref übersteigt, fährt das Verfahren mit einem Schritt 230 fort, in dem eine Maßnahme durchgeführt wird. Beispielsweise gibt der Komparator in einem solchen Fall ein Signal aus, das insbesondere veranlasst, dass der Leistungsschalter, dessen Durchgangsspannung mit dem Verfahren 200 überwacht wird, abgeschaltet bzw. geöffnet (hochohmig) wird.

Das in Figur 2 dargestellte Verfahren 200 ist Teil einer vorteilhaften Ausgestal tung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ferner Schritte umfasst, die dazu dienen, den Messspannungsabgriff des Spannungsteilers mit Masse GND kurz zuschließen, wenn kein sinnvolles Ergebnis des Vergleichs in Schritt 210 zu er warten ist, also insbesondere in Zeiträumen, in denen der überwachte Leistungs schalter geöffnet ist und somit ein hoher Spannungsabfall über seinen Ausgän gen zu erwarten ist, oder in Ansteuerphasen des Leistungsschalters, in denen aufgrund der starken zeitlichen Veränderung der an der Eingangsseite des Spannungsteilers anliegenden Spannung mit Störungen der an dem Messspan nungsabgriff des Spannungsteilers 110 anliegenden Spannung zu rechnen ist. Wenn in solchen Schritten der Messspannungsabgriff des Spannungsteilers 110 über die Klammerschaltung 130 mit Masse GND kurzgeschlossen ist, kann der Komparator 120 an seinem mit dem Messspannungsabgriff des Spannungstei lers 110 verbundenen Eingang nur eine Spannung erfassen, die im Wesentlichen Masse entspricht und daher unterhalb der Referenzspannung U _ref liegen muss. Daher wird dann kein Überstrom erkannt, obwohl ein Spannungsabfall über dem überwachten Leistungsschalter vorliegt, der höher ist, als der im Normalbetrieb ohne Überstrom zu erwartende Spannungsabfall und somit numerisch eine Überstromdetektion rechtfertigen würde. Dadurch wird das Verfahren 200 vor falsch positiven Überstromdetektionen geschützt, so dass keine Maßnahme 230 durchgeführt wird, wenn der Leistungsschalter geöffnet ist oder gerade geschlos sen wird.

Es versteht sich, dass Schritte des Verfahrens 200 auch zusammengefasst wer den können und daher die dargestellte Reihenfolge rein illustrativ zu verstehen ist. Beispielsweise können die Schritte 210 und 220 im Wesentlichen als ein ein ziger Schritt durchgeführt werden, der kontinuierlich die Spannungen vergleicht und die Maßnahme 230 auslöst, sobald die überwachte Messspannung des Spannungsteilers 110 die Referenzspannung U _ref übersteigt. Je nach verwende- ten elektronischen Bauteilen, beispielsweise des Komparators 120, kann dies besonders vorteilhaft sein.