KESSLER ERWIN (DE)
WO2008075306A1 | 2008-06-26 |
US7372238B1 | 2008-05-13 | |||
US20160111958A1 | 2016-04-21 | |||
EP3188351A1 | 2017-07-05 | |||
US9853548B1 | 2017-12-26 | |||
DE102006001874A1 | 2007-07-19 | |||
DE4338714A1 | 1995-05-18 | |||
DE19803040A1 | 1998-08-06 |
Patentansprüche 1. Vorrichtung (10) zum Messen eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive Last (M) fließt, die mittels einer Halbbrückenschaltung (HB) mit mindestens zwei Halbleiterschaltern (T1 , T2) bestromt wird, wobei die Halbleiterschalter (T1 , T2) gemäß eines PWM-Verfahrens komplementär ein- und ausgeschaltet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung (10) aufweist: - eine Überwachungseinrichtung (12), die dazu ausgebildet ist, die Einschaltzustände und Ausschaltzustände zumindest eines (T1 ) der mindestens zwei Halbleiterschalter (T1 , T2) zu ermitteln, - einen von der Überwachungseinrichtung (12) angesteuerten synchronen Messverstärker (A2), der dazu ausgebildet ist, während des ermittelten Einschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) einen an dem Halbleiterschalter (T1 ) anliegenden Spannungsabfall (U1 ) zu messen und zu einer vervielfachten Spannung (U2) zu vervielfachen, - einen von der Überwachungseinrichtung (12) angesteuerten synchronen Spannungsfolger (A3), der ein für den Strom in der induktiven Last (M) charakteristisches Spannungssignal (OUT) erzeugt, das im Einschaltzustand des Halbleiterschalters (T1 ) der vervielfachten Spannung (U2) folgt und im Ausschaltzustand des Halbleiterschalters (T1 ) im Wesentlichen konstant bleibt oder sich gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert. 2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei der synchrone Spannungsfolger (A3, CA) dazu ausgebildet ist, während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) das Spannungssignal (OUT) im Wesentlichen konstant zu halten. 3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei der synchrone Spannungsfolger (A3, CA, CS) dazu ausgebildet ist, während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) das Spannungssignal (OUT) gemäß eines vordefinierten Verlaufs zu verringern. 4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der vordefinierte Verlauf während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) einem zu erwartenden Stromabbau in der induktiven Last (M) angenähert ist und/oder wobei der vordefinierte Verlauf konfigurierbar ausgelegt ist und über eine Programmierschnittstelle definierbar ist. 5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die induktive Last (M) von einem elektrischen Gleichstrom-Motor gebildet ist. 6. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur des Halbleiterschalters (T1 ) und eine Auswerteeinrichtung, welche den durch die induktive Last (M) fließenden Strom basierend auf dem Spannungssignal (OUT) und der erfassten Temperatur des Halbleiterschalters (T1 ) ermittelt. 7. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des gemessenen durch die induktive Last (M) fließenden Stromes mit einem vorgegebenen Schwellwert und eine Auswerteeinrichtung, welche bei einer Überschreitung des Schwellwerts ein diese Überschreitung anzeigendes Überlastsignal erzeugt. 8. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbbrückenschaltung mehrere Halbbrücken (HB1 , HB2) mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (T 11 , T21 , T12, T22) aufweist und die Vorrichtung (10) ferner eine ansteuerbare Auswahleinrichtung (32) aufweist, mittels welcher einer von mehreren (T11 , T12) der Halbleiterschalter (T11 , T21 , T12, T22) für die Messung des durch die induktive Last (M) fließenden Stromes auswählbar ist. 9. Integrierte Schaltung (30) zum Ansteuern einer zum Bestromen einer induktiven Last (M) verwendeten Halbbrückenschaltung (HB1 , HB2) und zum Messen des durch die induktive Last (M) fließenden Stromes, wobei die Halbbrückenschaltung (HB1 , HB2) zumindest eine erste Halbbrücke (HB1 ) mit zwei ersten Halbleiterschaltern (T 11 , T21 ) und eine zweite Halbbrücke (HB2) mit zwei zweiten Halbleiterschaltern (T12, T22) aufweist, wobei die integrierte Schaltung (30) aufweist: - eine PWM-Ansteuereinrichtung (CTL1 , CTL2) zum komplementären Ein- und Ausschalten der Halbleiterschalter (T11 , T21 , T12, T22) der Halbbrückenschaltung (HB1 , HB2) gemäß eines PWM-Verfahrens, - eine erste Vorrichtung (12-1 , A2-1 , A3-1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die mit zumindest einem (T11 ) der zwei ersten Halbleiterschalter (T11 , T21 ) verbunden ist, - eine zweite Vorrichtung (12-2, A2-2, A3-2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die mit zumindest einem (T12) der zwei zweiten Halbleiterschalter (T12, T22) verbunden ist, - eine Steuereinrichtung (32), mittels welcher die erste (12-1 , A2-1 , A3-1 ) oder die zweite Vorrichtung (12-2, A2-2, A3-2) für die Messung des durch die induktive Last (M) fließenden Stromes auswählbar ist. 10. Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive Last (M) fließt, die mittels einer Halbbrückenschaltung (HB) mit mindestens zwei Halbleiterschaltern (T1 , T2) bestromt wird, wobei die Halbleiterschalter (T 1 , T2) gemäß eines PWM-Verfahrens komplementär ein- und ausgeschaltet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Überwachen zumindest eines (T 1 ) der mindestens zwei Halbleiterschalter (T1 , T2), um die Einschaltzustände und Ausschaltzustände des zumindest einen (T1 ) der mindestens zwei Halbleiterschalter (T1 , T2) zu ermitteln, - Messen eines an dem Halbleiterschalter (T1 ) anliegenden Spannungsabfalls (U1 ) während des ermittelten Einschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ), - synchrones Vervielfachen des an dem Halbleiterschalter (T 1 ) gemessenen Spannungsabfalls (U1 ) während des ermittelten Einschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) zu einer vervielfachten Spannung (U2), - Erzeugen eines für den Strom in der induktiven Last (M) charakteristischen Spannungssignals (OUT), das im Einschaltzustand des Halbleiterschalters (T1 ) der vervielfachten Spannung (U2) folgt und im Ausschaltzustand des Halbleiterschalters (T1 ) im Wesentlichen konstant gehalten wird oder gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert wird. 11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Erzeugen des Spannungssignals (OUT) mittels eines synchronen Spannungsfolgers (A3) erfolgt. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei ein elektrischer Widerstand des Halbleiterschalters (T1 ) temperaturabhängig ist, und wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: - Erfassen einer Temperatur des Halbleiterschalters (T 1 ), - Ermitteln des durch die induktive Last (M) fließenden Stromes basierend auf dem Spannungssignal (OUT) und der erfassten Temperatur des Halbleiterschalters (T1 ). 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: - Vergleichen des gemessenen durch die induktive Last (M) fließenden Stromes mit einem vorgegebenen Schwellwert, - Erzeugen eines eine Überschreitung des Schwellwerts anzeigenden Überlastsignals, falls der gemessene Strom den Schwellwert überschreitet. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Spannungssignal (OUT) im Ausschaltzustand des Halbleiterschalters (T1 ) gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert wird. 15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der vordefinierte Verlauf während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters (T1 ) einem zu erwartenden Stromabbau in der induktiven Last (M) angenähert ist und/oder wobei der vordefinierte Verlauf konfigurierbar ausgelegt ist und über eine Programmierschnittstelle definierbar ist. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die induktive Last (M) von einem elektrischen Gleichstrom-Motor gebildet ist. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Halbbrückenschaltung mehrere Halbbrücken (HB1 , HB2) mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (T11 , T21 , T12, T22) aufweist und das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Auswählen eines von mehreren (T11 , T12) der Halbleiterschalter (T11 , T21 , T12, T22) für die Messung des durch die induktive Last (M) fließenden Stromes. |
Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines durch eine PWM-angesteuerte induktive Last fließenden Stromes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive Last fließt, die mittels einer
Halbbrückenschaltung mit mindestens zwei Halbleiterschaltern bestromt wird, wobei die Halbleiterschalter gemäß eines PWM (Pulsweitenmodulation)-Verfahrens komplementär ein- und ausgeschaltet werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines derartigen elektrischen Stromes.
Beim Betrieb von induktiven Lasten wie z. B. elektrischen Motoren unter
Verwendung eines PWM-Verfahrens ist es oftmals erforderlich, den aktuell durch die induktive Last fließenden Strom zu messen, also etwa ein für diesen Strom charakteristisches Messsignal zu erzeugen, welches dann im Falle eines
Motorbetriebs z. B. vorteilhaft zur Regelung oder Steuerung bei der
Motoransteuerung verwendet werden kann, oder z. B. zur Bestimmung einer Winkelposition eines Rotors.
Aus dem Stand der Technik sind hierfür z. B. Verfahren bekannt, bei denen der Spannungsabfall an einem in Reihenschaltung zu dem elektrischen Motor angeordneten Messwiderstand gemessen und zu einem geeigneten Messsignal verstärkt wird. Ein Nachteil dieser Verfahren ist, dass im Leistungszweig ein zusätzlicher Spannungsabfall entsteht, der den Wirkungsgrad des Systems reduziert. Außerdem führt diese Lösung zu zusätzliche Kosten und erfordert zusätzlichen Bauraum für den Messwiderstand.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren benutzen z. B.
magnetische bzw. magnetisch gekoppelte Übertrager. Derartige Übertrager oder Transformatoren haben jedoch ebenfalls hohe zusätzliche Kosten zur Folge und können außerdem schwer integriert bzw. miniaturisiert werden. Zu den magnetischen Verfahren im weitesten Sinne zählt auch der Einsatz von Hall-Sensoren, mit denen die magnetische Feldstärke, die von dem durch die induktive Last fließenden Strom hervorgerufen wird, in ein Messsignal (z. B.
analoges Spannungssignal) umgesetzt wird. Ein Nachteil ist vor allem die begrenzte Genauigkeit und auch die Sensibilität der Anordnung von Hall-Sensoren gegen mechanische Dejustage.
Ferner sind speziell für die Bestromung von elektrischen Motoren oftmals als "SmartDriver" bezeichnete bzw. eine sogenannte "SenseFET' -Technologie nutzende integrierte Schaltungen bekannt. Dabei wird ein gewisser Teil eines Leistungstransistors separiert und so geregelt, dass in ihm ein zum eigentlichen Ausgangsstrom proportionaler Stromanteil fließt. Diese Technologie hat den Vorteil, dass im Leistungskreis kein zusätzlicher Spannungsabfall entsteht, es ist jedoch ein spezieller Leistungsschalter erforderlich. Diese Verfahren können also nicht mit jedem beliebigen Halbleiterschalter (z. B. beliebige FETs etc.) realisiert werden. Weitere Nachteile sind die hohen Anforderungen an den Messverstärker und eine begrenzte Genauigkeit der Messung.
Ferner sind im Stand der Technik auch noch Verfahren beschrieben, die eine Messung eines durch einen eingeschalteten Leistungsschalter fließenden Stromes durch Messung des Spannungsabfalls am Leistungsschalter bewerkstelligen. In der DE 43 38 714 AI zum Beispiel wird der Strom im eingeschalteten Zustand eines Leistungsschalters gemessen, um einen geeigneten Ausschaltzustand des
Schalters zu bestimmen und damit eine Regelung in einem Schaltnetzteil zu erzielen.
Ferner ist z. B. aus der WO 2008/075306 AI betreffend einen Audioverstärker bekannt, den Spannungsabfall an einem Halbleiterschalter zur Messung des Stromes heranzuziehen.
Diese bekannten Anordnungen stellen kein kontinuierliches Messsignal zur Verfügung, wie es jedoch oftmals wünschenswert ist bzw. z. B. von vielen digitalen Steuer- oder Regeleinrichtungen benötigt wird. Die DE 198 03 040 AI beschreibt ein Verfahren zur Messung des Stromes in einem Verpolschutzschalter in einem Leistungskreis. Dieser Schalter ist jedoch selbst nicht getaktet und der Strom deshalb mit geringem Aufwand messbar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strommessung der eingangs genannten Art zu bewerkstelligen, also die Messung eines Stromes, der mittels einer Halbbrückenschaltung aufweisend mehrere PWM-getaktet angesteuerte Halbleiterschalter durch eine induktive Last getrieben wird, wobei die Messung mit wenigen Verlusten und vergleichsweise geringem Aufwand bei gleichzeitig guter Genauigkeit realisierbar sein soll.
Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels welchen der Strom der induktiven Last, insbesondere z. B. der Strom eines elektrischen Motors, in einem pulsweitenmodulierten
Leistungsschalter der Halbbrückenschaltung gemessen und als kontinuierliches Strommesssignal ausgegeben werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine
Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist auf:
- eine Überwachungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die
Einschaltzustände und Ausschaltzustände zumindest eines der mindestens zwei Halbleiterschalter zu ermitteln,
- einen von der Überwachungseinrichtung angesteuerten synchronen
Messverstärker, der dazu ausgebildet ist, während des ermittelten
Einschaltzustands des Halbleiterschalters einen an dem Halbleiterschalter anliegenden Spannungsabfall zu messen und zu einer vervielfachten
Spannung zu vervielfachen, und - einen von der Überwachungseinrichtung angesteuerten synchronen
Spannungsfolger, der ein für den Strom in der induktiven Last
charakteristisches Spannungssignal erzeugt, das im Einschaltzustand des Halbleiterschalters der vervielfachten Spannung folgt und im
Ausschaltzustand des Halbleiterschalters im Wesentlichen konstant bleibt oder sich gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert.
Vorteilhaft erzeugt der synchrone Spannungsfolger ein kontinuierliches Signal, das charakteristisch für den Strom in der induktiven Last ist, auch wenn der betreffende Halbleiterschalter pulsweitenmoduliert angesteuert (ein- und ausgeschaltet) wird. Insbesondere kann das vom synchronen Spannungsfolger erzeugte
Spannungssignal proportional zum Strom in der induktiven Last sein. Da die Strommessung gemäß der Erfindung auf einer Messung und Verarbeitung des Spannungsabfalls an (mindestens) einem Halbleiterschalter beruht, ergeben sich keine Verluste wie beim Einsatz eines speziellen Messwiderstands.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz in Verbindungmit einer PWM-angesteuerten Halbbrückschaltung vorgesehen ist, kann die
Überwachungseinrichtung der Vorrichtung z. B. einen Eingang besitzen, an welchem ein für die Ansteuerung der Halbbrückschaltung ohnehin benötigtes PWM-Steuersignal zugeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungseinrichtung einen Eingang aufweisen, an welchem ein Steuersignal zugeführt wird, welches von einem Steuereingang (z. B. Gate bei einem FET) des betreffenden Halbleiterschalters abgezweigt wird.
Schließlich kommt alternativ oder zusätzlich zu diesen Möglichkeiten in Betracht, dass die Überwachungseinrichtung einen Eingang aufweist, an welchem ein Spannungssignal zugeführt wird, welches von demjenigen Anschluss der induktiven Last abgegriffen wird, der mit dem betreffenden Halbleiterschalter verbunden ist. Sämtliche der vorgenannten Signale ermöglichen der Überwachungseinrichtung die Einschaltzustände und Ausschaltzustände des zumindest einen
Halbleiterschalters zu ermitteln.
In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung implementiert als eine digitale Rechnereinrichtung, insbesondere z. B. programmgesteuerte digitale Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller), oder stellt eine Teilfunktionalität einer derartigen Rechnereinrichtung dar.
Der synchrone Messverstärker kann z. B. durch einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker implementiert sein, beispielsweise mit zwei Widerständen beschältet als ein nicht-invertierender Verstärker oder als ein invertierender Verstärker.
Der synchrone Spannungsfolger kann z. B. durch einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker implementiert sein (Gegengekoppelter Operationsverstärker).
Der synchrone Messverstärker und der synchrone Spannungsfolger müssen jedoch im Rahmen der Erfindung synchron zu den Ein- und Ausschaltvorgängen des betreffenden Halbleiterschalters betrieben werden können. Zu diesem Zweck können diese Komponenten mit einem entsprechenden Steuereingang versehen sein, um ausgehend von der Überwachungseinrichtung ein entsprechendes Steuersignal eingeben bzw. anlegen zu können, welches beispielsweise im
Einschaltzustand des Halbleiterschalters sowohl den Messverstärker als auch den Spannungsfolger einschaltet und im Ausschaltzustand des Halbleiterschalters diese beiden Komponenten wieder ausschaltet.
Zur Erzielung eines möglichst verzerrungsfreien Ein- bzw. Ausschaltens kann der synchrone Messverstärker besonders vorteilhaft z. B. als so genannter
Transkonduktanzverstärker (Spannungsgesteuerte Stromquelle) ausgeführt sein oder einen solchen beinhalten. Damit lassen sich z. B. nachteilige Überschwinger bei Einschwingvorgängen von im Messverstärker vorgesehenen Regelschleifen vermeiden und somit resultierende Fehler minimieren. In einer Ausführungsform ist der synchrone Spannungsfolger dazu ausgebildet, während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters das Spannungssignal im Wesentlichen konstant zu halten.
In einer Ausführungsform wird dies unter Verwendung eines Kondensators realisiert, der an einem Ausgang des Spannungsfolgers angeordnet ist, um somit die genannte Konstanthaltung des vom Spannungsfolger erzeugten
Spannungsignals zu bewerkstelligen. Das konstante Spannungssignal entspricht dann demjenigen Spannungsfolgerausgangssignal, welches am Ende der vorangegangenen Phase vorlag, in welcher der betreffende Halbleiterschalter eingeschaltet war.
In einer anderen Ausführungsform ist der synchrone Spannungsfolger dazu ausgebildet, während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters das
Spannungssignal gemäß eines vordefinierten Verlaufs zu verringern.
Auch dies kann z. B. unter Einsatz eines Kondensators bewerkstelligt werden, der an einem Ausgang des Spannungsfolgers angeordnet ist, wobei darüber hinaus eine Einrichtung zur vordefinierten Entladung des Kondensators während des Ausschaltzustands vorzusehen ist. Eine solche Entladeeinrichtung kann im einfachsten Fall durch einen passiven (z. B. ohmschen) Widerstand parallel zum Kondensator gebildet sein. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Entladung über eine parallel zum Kondensator angeordnete und von der
Überwachungseinheit angesteuerte steuerbare Stromquelle.
In einer Weiterbildung ist der vordefinierte Verlauf während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters einem zu erwartenden Stromabbau in der induktiven Last angenähert und/oder ist der vordefinierte Verlauf konfigurierbar ausgelegt und über eine Programmierschnittstelle definierbar.
Damit kann vorteilhaft die Genauigkeit der Strommessung verbessert werden. Die erwähnte Programmierschnittstelle kann an einer programmgesteuerten Rechnereinrichtung vorgesehen sein, welche die Überwachungseinrichtung ausbildet oder zumindest beinhaltet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bzw. Verwendung der Erfindung ist vorgesehen, dass die induktive Last von einem elektrischen Motor, insbesondere z. B. von einem Gleichstrom-Motor gebildet ist.
Insbesondere in diesem Fall kann vorteilhafterweise die Überwachungseinrichtung, gegebenenfalls auch der synchrone Messverstärker und der synchrone
Spannungsfolger, zusammen mit einer PWM-Motoransteuereinrichtung in einer integrierten Schaltung zusammengefasst sein.
In einer Ausführungsform handelt es sich um einen elektrischen Motor in einem Fahrzeug, wie z. B. einen Motor zur Betätigung verstellbarer
Fahrzeugkomponenten, z. B. zur Verstellung eines Fahrzeugsitzes oder
Komponenten davon oder zur Verstellung eines Verschlusselements des
Fahrzeuges (z. B. Fenster, Schiebedachdeckel, Verdeck etc.). Alternativ kann der Motor im Fahrzeug z. B. zum Antreiben einer Fluidpumpe vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine
Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur des
Halbleiterschalters und eine Auswerteeinrichtung auf, welche den durch die induktive Last fließenden Strom basierend auf dem (vom Spannungsfolger erzeugten) Spannungssignal und der erfassten Temperatur des Halbleiterschalters ermittelt.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Ergebnis der
Temperaturerfassung zum Bestimmen eines Widerstands des betreffenden
Halbleiterschalters im Einschaltzustand verwendet wird (z. B. anhand einer abgespeicherten Nachschlagtabelle oder dergleichen, um einer gemessenen Temperatur einen entsprechenden Widerstand zuzuordnen). Eine
temperaturabhängige Korrektur des Einschaltwiderstands ermöglicht vorteilhaft eine Reduzierung der ansonsten durch die Temperaturabhängigkeit entstehenden systematischen Messfehler.
Ebenfalls eine Verbesserung der Messgenauigkeit kann erzielt werden, wenn die absoluten Fehler der Anordnung (z. B. betreffend Einschaltwiderstand des
Halbleiterschalters, Offset und Verstärkung der aus synchronem Messverstärker und synchronem Spannungsfolger bestehenden Signalverarbeitungsanordnung) kalibriert werden und zur Korrektur eines ermittelten Stromwertes herangezogen werden. Hierfür geeignete (und ggf. temperaturabhängig erfasste)
Korrekturparameter können z. B. in der Überwachungseinrichtung abgespeichert sein und im Betrieb der Vorrichtung zum Zwecke einer (genaueren) Auswertung des vom Spannungsfolger erzeugten Spannungssignals verwendet werden (ggf. unter Mitberücksichtigung der gemessenen Temperatur).
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des gemessenen durch die induktive Last fließenden Stromes mit einem vorgegebenen Schwellwert und eine Auswerteeinrichtung auf, welche bei einer Überschreitung des Schwellwerts ein diese Überschreitung anzeigendes Überlastsignal erzeugt.
Die Vergleichseinrichtung kann z. B. durch einen Spannungskomparator gebildet sein, dem einerseits das vom Spannungsfolger erzeugte Spannungssignal und andererseits eine vorbestimmte (z. B. feste oder z. B. von der Auswerteeinrichtung definierte) Referenzspannung eingegeben wird.
Die Auswerteeinrichtung kann z. B. durch eine bzw. die oben bereits erwähnte digitale, insbesondere z. B. programmgesteuerte digitale Rechnereinrichtung gebildet sein, welche auch insbesondere z. B. die Überwachungseinrichtung ausbilden kann.
Vorteilhaft kann mit dieser Ausführungsform eine "Kurzschlussüberwachung" realisiert werden. In einer Ausführungsform weist die Halbbrückenschaltung mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern auf und weist die Vorrichtung ferner eine ansteuerbare Auswahleinrichtung auf, mittels welcher einer von mehreren der Halbleiterschalter für die Messung des durch die induktive Last fließenden Stromes auswählbar ist.
Gemäß einer ersten Variante dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen synchronen Messverstärker und einen diesem nachgeordneten synchronen Spannungsfolger (wie bereits beschrieben), wobei mittels der Auswahleinrichtung ein Eingang des synchronen Messverstärkers variabel mit verschiedenen der Halbleiterschalter verbunden werden kann, um während des Einschaltzustands des ausgewählten Halbleiterschalters den daran anliegenden Spannungsabfall zu messen und zu vervielfachen und einem Eingang des nachgeordneten synchronen Spannungsfolgers zuzuführen.
Gemäß einer zweiten Variante dieser Ausführungform umfasst die Vorrichtung für verschiedene der Halbleiterschalter eine jeweilige (mit dem jeweiligen
Halbleiterschalter verbundene) Anordnung aus einem synchronen Messverstärker und einem nachgeordneten synchronen Spannungsfolger, wobei mittels der Auswahleinrichtung variabel einer der mehreren Spannungsfolger bzw. dessen Ausgang ausgewählt wird, an dessen Ausgang das für den Strom in der induktiven Last charakteristische Spannungssignal abgegriffen und (z. B. zur weiteren Auswertung) weiterverwendet wird.
In beiden Varianten kann die Auswahleinrichtung z. B. von einer bzw. der bereits erwähnten digitalen Rechnereinrichtung ausgebildet oder angesteuert sein. Im Verwendungsfall einer Motoransteuerung kann die Rechnereinrichtung z. B. über ein digitales Bussystem mit einer (ebenfalls als Rechnereinrichtung ausgebildeten) "Motormanagement"-Einrichtung (z. B. Mikrocontroller) verbunden sein. Damit können z. B. Vorgaben des Motormanagement an die Auswahleinrichtung übermittelt werden. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltung zum Ansteuern einer zum Bestromen einer induktiven Last (z. B.
elektrischer Gleichstrom-Motor) verwendeten Halbbrückenschaltung und zum Messen des durch die induktive Last fließenden Stromes vorgeschlagen, wobei die Halbbrückenschaltung zumindest eine erste Halbbrücke mit zwei ersten
Halbleiterschaltern und eine zweite Halbbrücke mit zwei zweiten Halbleiterschaltern aufweist, und wobei die integrierte Schaltung aufweist:
- eine PWM-Ansteuereinrichtung zum komplementären Ein- und Ausschalten der Halbleiterschalter der Halbbrückenschaltung gemäß eines
PWM-Verfahrens (z. B. auf Basis eines zugeführten PWM-Steuersignals),
- eine erste Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die mit zumindest einem der zwei ersten Halbleiterschalter verbunden ist,
- eine zweite Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die mit zumindest einem der zwei zweiten Halbleiterschalter verbunden ist, und
- eine Steuereinrichtung, mittels welcher die erste oder die zweite Vorrichtung für die Messung des durch die induktive Last fließenden Stromes auswählbar ist.
Ganz allgemein bezeichnet im Rahmen der Erfindung der Begriff
"Halbbrückenschaltung" eine Schaltung, die eine oder mehrere Halbbrücken aufweist. Der Begriff "Halbbrücke" bezeichnet hierbei eine Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern wie insbesondere z. B. FETs
(Feldeffekttransistoren) wie z. B. MOSFETs, wobei in Verwendungssituation diese Reihenschaltung an einer Versorgungsspannung angeschlossen ist und ein Anschluss der induktiven Last mit einem Abgriff zwischen den zwei
Halbleiterschaltern ("Mittelabgriff") verbunden ist.
Die vorerwähnte integrierte Schaltung kann z. B. zum Ansteuern eines (einzigen) elektrischen Motors und hierbei zum Ansteuern einer (einzigen) Halbbrücke vorgesehen sein, deren Mittelabgriff mit einem Anschluss des Motors verbunden ist, wohingegen der andere Anschluss des Motors z. B. mit einem festen elektrischen Potential (z. B. elektrische Masse oder elektrisches Versorgungspotential) verbunden ist.
Alternativ kann zur Ansteuerung eines (einzigen) Motors auch z. B. eine
Halbbrückenschaltung mit zwei Halbbrücken verwendet werden, deren
Mittelabgriffe (zwischen den jeweiligen Halbleiterschaltern) mit jeweils einem der beiden Anschlüsse des Motors verbunden sind.
In einer Weiterbildung ist die vorerwähnte integrierte Schaltung zum Ansteuern mehrerer induktiven Lasten, insbesondere z. B. mehrerer elektrischer Motoren vorgesehen und weist in diesem Fall eine geeignete Mehrzahl von Halbbrücken auf.
Beispielsweise können eine erste, zweite und dritte Halbbrücke verwendet werden, um einen ersten und einen zweiten Motor anzusteuern, wobei der erste Motor an den Mittelabgriffen der ersten und zweiten Halbbrücken angeschlossen ist und der zweite Motor an den Mittelabgriffen der zweiten und dritten Halbbrücken
angeschlossen ist.
Alternativ könnte z. B. der erste Motor an den Mittelabgriffen der ersten und zweiten Halbbrücken angeschlossen sein und der zweite Motor an den Mittelabgriffen der ersten und dritten Halbbrücken angeschlossen sein.
Nach diesen Prinzipien lassen sich integrierte Schaltungen zum Ansteuern von "n" Motoren ausbilden, wobei n die Anzahl der anzusteuernden Motoren bezeichnet, wobei die hierbei verwendete Halbbrückenschaltung dann z. B. insgesamt "n+1 " Halbbrücken aufweisen kann, die von der integrierten Schaltung ansteuert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, zum Messen eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive Last (z. B. elektrischer Motor) fließt, die mittels einer Halbbrückenschaltung mit mindestens zwei Halbleiterschaltern bestromt wird, wobei die Halbleiterschalter gemäß eines PWM-Verfahrens komplementär ein- und ausgeschaltet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Überwachen zumindest eines der mindestens zwei Halbleiterschalter, um die Einschaltzustände und Ausschaltzustände des zumindest einen der mindestens zwei Halbleiterschalter zu ermitteln,
- Messen eines an dem Halbleiterschalter anliegenden Spannungsabfalls während des ermittelten Einschaltzustands des Halbleiterschalters,
- synchrones Vervielfachen des an dem Halbleiterschalter gemessenen
Spannungsabfalls während des ermittelten Einschaltzustands des
Halbleiterschalters zu einer vervielfachten Spannung, und
- Erzeugen eines für den Strom in der induktiven Last charakteristischen
Spannungssignals, das im Einschaltzustand des Halbleiterschalters der vervielfachten Spannung folgt und im Ausschaltzustand des
Halbleiterschalters im Wesentlichen konstant gehalten wird oder gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert wird.
Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Verwendung eines derartigen
Verfahrens bzw. der hier beschriebenen Vorrichtung ist die Messung des durch einen elektrischen Motor, insbesondere z. B. Gleichstrom-Motor, fließenden Stromes, der in einem Fahrzeug zum ansteuerbaren Betätigen (z. B. Verstellen) einer Fahrzeugkomponente eingesetzt wird (wie oben bereits beschrieben).
Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung ist die Bestromung einer Mehrzahl von elektrischen Motoren, insbesondere
Gleichstrom-Motoren, und die Messung eines jeweiligen Motorstromes (eines aktuell bestromten Motors), z. B. in einem Fahrzeug zum ansteuerbaren Betätigen (z. B. Verstellen) einer Mehrzahl von Fahrzeugkomponenten. Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung oder die erfindungsgemäße integrierte Schaltung hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen
Ausgestaltungen (und/oder in diesem Zusammenhang beschriebene Merkmale der Halbbrückenschaltung) können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (oder einer erfindungsgemäßen Verwendung) vorgesehen sein, und umgekehrt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist z. B. vorgesehen, dass das Erzeugen des Spannungssignals mittels eines synchronen Spannungsfolgers erfolgt. Hierzu kann bei dem Verfahren ein Spannungsfolger der weiter oben bereits
beschriebenen Art verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein elektrischer Widerstand des Halbleiterschalters temperaturabhängig ist und das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist:
- Erfassen einer Temperatur des Halbleiterschalters, und
- Ermitteln des durch die induktive Last fließenden Stromes basierend auf dem Spannungssignal und der erfassten Temperatur des Halbleiterschalters.
Für das Erfassen der Temperatur kann ein eigens am betreffenden
Halbleiterschalter angeordneter Temperatursensor verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Halbleiterschalter verwendet wird, der bereits einen Temperatursensor und einen entsprechenden Signalausgang zur Bereitstellung eines für die Temperatur charakteristischen Signals aufweist.
Das Ermitteln des Stromes kann, sofern hierfür nicht einfach das ohnehin erzeugte charakteristische Spannungssignal als solches herangezogen wird, insbesondere z. B. in programmgesteuerter Weise erfolgen (z. B. unter Mitberücksichtigung einer gemessenen Temperatur und/oder von Korrekturparametern der vorerwähnten Art). In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist:
- Vergleichen des gemessenen durch die induktive Last fließenden Stromes mit einem vorgegebenen Schwellwert, und
- Erzeugen eines eine Überschreitung des Schwellwerts anzeigenden
Überlastsignals, falls der gemessene Strom den Schwellwert überschreitet.
Insbesondere für den Fall, dass kein fest vorgegebener sondern ein variabler Schwellwert vorgesehen ist, kann das Vergleichen des Stromes mit dem
Schwellwert involvieren, dass der Schwellwert zuvor in programmgesteuerter Weise definiert wird.
Auch das bedarfsweise Erzeugen des Überlastsignals kann z. B. in
programmgesteuerter Weise erfolgen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Spannungssignal im
Ausschaltzustand des Halbleiterschalters gemäß eines vordefinierten Verlaufs verringert wird.
Hierfür wird bevorzugt ein während des Einschaltzustands des betreffenden Halbleiterschalters mit dem erzeugten charakteristischen Spannungssignal beaufschlagter Kondensator in Verbindung mit einer zum Entladen dieses
Kondensators parallel zum Kondensator angeordneten Stromquelle verwendet. Im einfachsten Fall kann die Stromquelle von einem ohmschen Widerstand gebildet sein, der einen Entladestrom proportional zur aktuellen Ladespannung des
Kondensators bereitstellt. Alternativ kann zum Entladen des Kondensators z. B. eine ansteuerbare Stromquelle verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der vordefinierte Verlauf während des Ausschaltzustands des Halbleiterschalters einem zu erwartenden Stromabbau in der induktiven Last angenähert ist und/oder dass der vordefinierte Verlauf konfigurierbar ausgelegt ist und über eine Programmierschnittstelle definierbar ist.
Zu diesem Zweck können z. B. der Kapazitätswert und der Widerstandswert der vorstehend erwähnten Parallelanordnung eines Kondensators und eines
Widerstands geeignet, d. h. in Anpassung an den zu erwartenden zeitlichen Verlauf des Stromabbaus in der induktiven Last während des Ausschaltzustands bemessen werden, bzw. kann eine parallel zum Kondensator angeordneten Stromquelle geeignet angesteuert werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die induktive Last von einem elektrischen Motor, insbesondere Gleichstrom-Motor gebildet ist.
Falls im konkreten Anwendungsfall eine Umkehrung der Drehrichtung des
Gleichstrom-Motors nicht erforderlich ist, so kann die Bestromung des Motors z. B. mittels einer Halbbrückenschaltung mit nur einer Halbbrücke mit zwei
komplementär ein- und ausgeschalteten Halbleiterschaltern realisiert sein. In diesem Fall kann der nicht mit der Halbbrücke verbundene Anschluss des Motors z. B. mit einem festen elektrischen Potential (z. B. elektrische Masse oder elektrisches Versorgungspotential) verbunden sein. Alternativ könnte jedoch auch in diesem Anwendungsfall eine Halbbrückenschaltung mit zwei Halbbrücken aufweisend jeweils zwei Halbleiterschalter verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbbrückenschaltung mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern aufweist und das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Auswählen eines von mehreren der Halbleiterschalter für die Messung des durch die induktive Last fließenden Stromes.
Das Auswählen des Halbleiterschalters erfolgt gemäß einer ersten Variante dadurch, dass dieser Halbleiterschalter mit einer zum Messen des
Spannungsabfalls und der weiteren Verarbeitung des Messsignals verwendeten Einrichtung verbunden wird, wohingegen das Auswählen des Halbleiterschalters gemäß einer zweiten Variante dadurch erfolgt, dass von mehrfach (entsprechend der Mehrzahl von auswählbaren Halbleiterschaltern) vorgesehenen derartigen Mess- und Verarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung ausgewählt wird, deren bereitgestelltes (für den Strom in der induktiven Last charakteristisches)
Spannungssignal dann für die Strommessung verwendet bzw. (ggf. nach einer Auswertung) herangezogen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Vorrichtung in einen integrierten Motor-Ansteuerbaustein integriert, mit dem der Strom eines
Elektromotors für verschiedene Betriebsbedingungen des Motors erfasst werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektrischen Motors, ausgestattet mit einer Vorrichtung zur Messung des den Motor durchfließenden Stromes, gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe von verschiedenen elektrischen
Spannungen, die im Betrieb der Vorrichtung von Fig. 1 auftreten,
Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einer
Strommessvorrichtung gemäß eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels, und
Fig. 4 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektrischen Motors, ausge-stattet mit einer Vorrichtung zur Messung des den Motor durchfließenden Stromes gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur PWM
(Pulsweitenmodulation)-Ansteuerung eines elektrischen Motors M (allgemein: induktive Last, hier: Gleichstrom-Motor) zusammen mit einer Vorrichtung 10 zur Messung des den Motor M durchfließenden elektrischen Stromes.
Im dargestellten Beispiel wird der Motor M mittels einer Halbbrückenschaltung bestromt, die (mindestens) eine aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern T1 und T2 gebildete Halbbrücke HB umfasst.
Im dargestellten Beispiel sind die beiden Schalter n und T2 jeweils als MOSFET ausgebildet. Abweichend davon kommen hierfür jedoch auch andere Ausführungen von Halbleiterschaltern in Betracht, wie diese insbesondere z. B. als
"Leistungsschalter" aus dem Stand der Technik von Halbbrücken zur Ansteuerung elektrischer Maschinen bekannt sind.
In Fig. 1 ist die Halbbrückenschaltung einerseits mit einem elektrischen
Vesorgungspotential VS und andererseits mit einer elektrischen Masse GND verbunden.
Einer der beiden Anschlüsse des Motors M (in Fig. 1 links) ist mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke HB (zwischen T1 und T2) verbunden und der andere der beiden Anschlüsse des Motors M (in Fig. 1 rechts) ist z. B. mit einem festen elektrischen Potential wie z. B. dem Versorgungspotential VS verbunden.
Abweichend davon könnte letzterer Anschluss des Motors M insbesondere z. B. auch mit dem Mittelabgriff einer weiteren Halbbrücke der dargestellten Art verbunden sein (vgl. hierzu auch Beispiel von Fig. 4).
Die PWM-Ansteuerung des Motors M erfolgt über die zwei Schalter T1 und T2, die komplementär über jeweilige Gate-Treiber GS1 und GD2 basierend auf einem PWM-Steuersignal "PWM" angesteuert werden.
Das Signal PWM kann z. B. ein analoges oder ein digitales Signal (z. B.
Datensignal) sein und definiert ein für die Motoransteuerung gewünschtes
PWM-Tastverhältnis. Das Signal PWM wird einer PWM-Ansteuereinrichtung CTL zugeführt, welche daraus komplementäre Steuersignale zur Ansteuerung der Gate-Treiber GD1 , GD2 erzeugt, die wiederum die zum verlustarmen
komplementären Ein- und Ausschalten der Schalter T1 , T2 geeigneten
Steuerpotentiale für die Gates (allgemein: Steueranschlüsse) der Schalter T1 , T2 erzeugen.
Das elektrische Potential am Mittelabgriff der Halbbrücke HB ist in Fig. 1 mit U1 bezeichnet. Gemäß der PWM-Ansteuerung der Halbbrücke HB wechselt U1 im Betrieb der Schaltungsanordnung zwischen den Potentialen GND und VS hin und her.
Eine im Rahmen der Erfindung vorteilhafte PWM-Periodendauer der
PWM-Ansteuerung kann z. B. im Bereich von 1 ms bis 10 ps liegen.
Die Strommessvorrichtung 10 weist gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels folgende Komponenten auf:
- eine Überwachungseinrichtung 12, die dazu ausgebildet ist, die
Einschaltzustände und Ausschaltzustände der Schalter (hier: MOSFETs) T1 und T2 zu ermitteln,
- einen von der Überwachungseinrichtung 12 angesteuerten synchronen
Messverstärker A2, der dazu ausgebildet ist, während des ermittelten
Einschaltzustands des Schalters T1 einen an diesem Schalter n anliegenden Spannungsabfall (hier: U1 - GND) zu messen und zu einer vervielfachten Spannung U2 zu vervielfachen,
- einen von der Überwachungseinrichtung 12 angesteuerten synchronen
Spannungsfolger A3, der ein für den Motorstrom charakteristisches
Spannungssignal OUT erzeugt, das im Einschaltzustand des Schalters T1 der vervielfachten Spannung U2 folgt und im Ausschaltzustand des Schalters T1 im Wesentlichen konstant bleibt. Zur Bestimmung des Stromes im Motor M wird der Spannungsabfall über dem Schalter T1 in der Einschaltphase ausgewertet.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf folgender Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit t während einer Periode der PWM-Ansteuerung (hier z. B. 100 ps) im Betrieb der Vorrichtung 10:
U1 : Halbbrückenspannung, am Mittelabgriff der Halbbrücke HB,
U2: vervielfachte Spannung, am Ausgang des synchronen Messverstärkers
A2, und
OUT: charakteristisches Spannungssignal, am Ausgang des synchronen
Spannungsfolgers A3.
Die Bestimmung der Einschaltphase bzw. des Einschaltzustands des Schalters T1 erfolgt in der Überwachungseinrichtung 12 durch das PWM-Steuersignal PWM, das zu diesem Zweck auch der Überwachungseinrichtung 12 zugeführt wird, oder wie in Fig. 1 symbolisiert von der PWM-Ansteuereinrichtung CTL an die
Überwachungseinrichtung 12 weitergeleitet wird.
Alternativ oder zusätzlich können von der Überwachungseinrichtung 12, wie in Fig. 1 ebenfalls dargestellt, relevante Signale direkt am Schalter TI abgegriffen werden, wie etwa das Potential am Gate (allgemein: Steuereingang) des Schalters TI und/oder das Halbbrückenpotential U1 .
Im Einschaltzustand des Schalters T1 werden der synchrone Messverstärker A2 und der synchrone Spannungsfolger A3 mittels eines von der
Überwachungseinrichtung 12 erzeugten Synchronisierungssignals "ON/OFF" eingeschaltet und der Spannungsabfall am Schalter T1 , entsprechend dem
Halbbrückenpotential U 1 , zu der vervielfachten Spannung U2 vervielfacht und über den synchronen Spannungsfolger A3 als das charakteristische Spannungssignal OUT ausgegeben. Im Ausschaltzustand des Schalters T1 werden der synchrone Messverstärker A2 und der synchrone Spannungsfolger A3 ausgeschaltet. Ein Kondensator CA am Ausgang des synchronen Spannungsfolgers A3 hält sodann den Zustand
(Spannungssignal OUT) bis zum nächsten Einschaltzustand des Schalters TI konstant.
Ein Vorteil der Vorrichtung 10 besteht darin, dass an deren Ausgang ein
kontinuierliches Ausgangssignal (OUT) bereitgestellt wird, das im Beispiel aufgrund der dargestellten Ausgestaltung des Messverstärkers A2 proportional zu einem (Spitzen-)Strom in der induktiven Last (hier: Motor M) ist, auch wenn der betreffende Halbleiterschalter (hier: Schalter T1 ) pulsweitenmoduliert angesteuert wird.
Zur Erzielung eines möglichst verzerrungsfreien Ein- bzw. Ausschaltens ist der synchrone Messverstärker A2 als ein Transkonduktanzverstärker (mit einem Spannungseingang und einem Stromausgang) ausgeführt.
Die Ausgangsspannung der Vorrichtung 10, d.h. das charakteristische
Spannungssignal OUT ist in diesem Beispiel proportional zum Spitzenstrom im Einschaltzustand des Schalters T1 (ohmsches Gesetz) und steht kontinuierlich zur Verfügung.
Im dargestellten Beispiel sind die PWM-Ansteuereinrichung CTL und die
Überwachungseinrichtung 12 baulich zusammengefasst in einer Ansteuer- und Überwachungseinrichung 20, die z. B. als eine integrierte Schaltung implementiert sein kann.
Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 können in einer solchen integrierten Schaltung z. B. zusätzlich die Gate-Treiber GD1 , GD2 und/oder der Messverstärker A2 und/oder der Spannungsfolger A3 integriert sein.
Mit anderen Worten kann die Vorrichtung 10 vorteilhaft also zumindest teilweise, oder auch vollständig, in einen Ansteuerbaustein von Halbrückentreibern integriert werden. Dadurch kann mit in der Praxis minimalem Mehraufwand im Ansteuerbaustein der Strom in der induktiven Last gemessen und im Anwendungsfall der Motoransteuerung z. B. für das Motormanagement zur Verfügung gestellt werden.
Wenngleich im Beispiel von Fig. 1 der Motorstrom über den "Lowside"-MOSFET T1 gemessen wird, so könnte abweichend davon die Vorrichtung 10 jedoch auch für eine Messung im "Highside"-Pfad adaptiert werden, d.h. zur Messung und
Weiterverarbeitung des Spannungsabfalls am Schalter T2. Hierzu könnten z. B. analoge "Levelshifter" zur Bereitstellung der erforderlichen Steuersignale und zur Auskopplung des Ausgangssignals (OUT) vorgesehen und z. B. in die Ansteuer- und Überwachungseinrichtung 20 integriert werden.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der eine Strommessvorrichtung 10 gegenüber der Strommessvorrichtung in Fig. 1 geringfügig abgewandelt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 kann im Ausschaltzustand des
betreffenden Schalters (T1 ) der Stromverlauf im Motor M (allgemein: induktive Last) durch eine gesteuerte Entladung des Ausgangskondensators CA nachgebildet werden.
Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 10 zusätzlich eine ansteuerbare
Stromquelle CS zum ansteuerbaren Entladen des Kondensators CA während des Ausschaltzustands auf. Die Stromquelle CS kann hierbei wie in Fig. 3 dargestellt von der Überwachungseinrichtung 12 unter Verwendung des ohnehin
bereitgestellten Synchronisierungssignals ON/OFF (oder dessen invertierter Variante) angesteuert werden. Damit kann das Ausgangssignal der Vorrichtung 10, also das charakteristische Spannungssignal OUT, vorteilhaft z. B. proportional zu einem mittleren Strom in der induktiven Last bereitgestellt werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Motor M mittels einer
PWM-angesteuerten Halbbrückenschaltung umfasssend zwei Halbbrücken HB1 und HB2 mit jeweils zwei Schaltern T1 1 , T21 bzw. T 12, T22 bestromt wird.
In diesem Beispiel ist der Motor M in einem Brückenzweig der zwei Halbbrücken HB1 und HB2 angeordnet, so dass aufgrund der Ansteuerbarkeit der insgesamt vier Schalter T1 1 , T21 , T12, T22 vielfältigere PWM-Strategien ermöglicht werden.
Entsprechend der Anzahl von zwei Halbbrücken HB1 , HB2 sind für die
PWM-Ansteuerung des Motors M in diesem Beispiel zwei
PWM-Ansteuereinrichtungen CTL1 und CTL2 vorgesehen, denen ein
PWM-Steuersignal PWM zugeführt wird, um die zum Schalten der jeweils zugeordneten Schalter T1 1 , T21 bzw. T12, T22 benötigten Steuersignale zu erzeugen und an den Steuereingängen (Gates) anzulegen.
Eine Vorrichtung 10 zur Messung des durch den Motor M fließenden Stromes umfasst in diesen Beispiel zwei Strommessvorrichtungen 12-1 , A2-1 , A3-1 und 12-2, A2-2, A3-2 der mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 bereits beschriebenen Art (entsprechend der Anordnung "12, A2, A3"), die wie in Fig. 4 dargestellt dem jeweiligen Lowside-Schalter T1 1 bzw. T12 der Halbbrücken HB1 und HB2 zugeordnet sind.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Auswahl- und Auswerteeinrichtung 32.
Mittels einer Auswahl- und Auswerteeinrichtung 32 kann im Beispiel zum einen der Betrieb der beiden Strommessvorrichtungen 12-1 , A2-1 , A3-1 und 12-2, A2-2, A3-2 gesteuert werden. Dazu kann wie in Fig. 4 symbolisiert z. B. das PWM-Steuersignal PWM über die Auswahl- und Auswerteeinrichtung 32 auch den beiden
Strommessvorrichtungen bzw. den davon beinhalteten
Überwachungseinrichtungen 12-1 und 12-2 zugeführt werden, welche in bereits beschriebener Weise die jeweils zugeordnete Anordung aus synchronem
Messverstärker A2-1 bzw. A2-2 und synchronem Spannungsfolger A3-1 bzw. A3-2 synchronisieren, also z. B. gleichzeitig ein- bzw. auszuschalten.
Abweichend davon könnten die Überwachungseinrichtungen 12-1 und 12-2 jedoch wie bereits beschrieben für die Überwachung der Schaltzustände auch auf direkt an den Schaltern T1 1 und T12 abgegriffene relvante Signale zurückgreifen.
Mittels der Auswahl- und Auswerteeinrichtung 32 wird außerdem wahlweise eines der von den beiden Strommessvorrichtungen 12-1 , A2-1 , A3-1 und 12-2, A2-2, A3-2 bereitgestellten Ausgangssignale OUT1 , OUT2 ausgewählt und als ein
Ausgangssignal OUT an einem Ausgang der Vorrichtung 10 bereitgestellt.
Mithin ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft einer der beiden Schalter T 1 1 und T12 für die Messung des durch den Motor M fließenden Stromes auswählbar.
Diese Auswahl kann z. B. in Abhängigkeit einer entsprechenden Vorgabe einer (nicht dargestellten) Einrichtung zum "Motormanagement" gesteuert werden, wobei eine solche Motormanagementeinrichtung z. B. auch das zur PWM-Ansteuerung benötigte Signal PWM erzeugen kann.
Die erwähnte Vorgabe des Motormanagements kann im dargestellten Beispiel von Fig. 4 als ein Programmiersignal "prog" über eine Programmiereinrichtung (z. B. digitale Schnittstelle) an einen Ansteuerbaustein 30 übermittelt werden, welcher die PWM-Ansteuereinrichtungen CTL1 , CTL2 sowie die Auswahl- und
Auswerteeinrichtung 32 beinhaltet, und abweichend von der Darstellung in Fig. 4 zusätzlich auch die Strommessvorrichtungen 12-1 , A2-1 , A3-1 und 12-2, A2-2, A3-2 beinhalten kann. Mittels des z. B. über ein digitales Bussystem zugeführten Programmiersignals "prog" und der ähnlich einer Multiplexeinrichtung funktionierenden Auswahl- und Auswerteeinrichtung 32 kann für die Strommessung einer der zur Verfügung stehenden Schalter (hier: T1 1 und T12) ausgewählt werden, und kann das Ergebnis der ausgewählten Strommessung (hier: Signal OUT) zu einer übergeordneten Steuereinrichtung wie insbesondere z. B. der vorerwähnten
Motormanagement-Einrichtung übertragen werden. Durch die programmierbare Auswahl verschiedener Strommessvorrichtungen kann vorteilhaft ein besonders flexibles Motormanagement erzielt werden.
Allgemein ist es von Vorteil, wenn mindestens eine Strommessvorrichtung, oder wie in Fig. 4 dargestellt mehrere (hier: zwei) Strommessvorrichtungen, in einen
Baustein (hier: Ansteuerbaustein 30) integriert werden, der auch die zum Ansteuern der betreffenden Schalter (hier: T1 1 , T21 , T12, T22) vorgesehenen Einrichtungen (hier: CTL1 , CTL2) beinhaltet.
Vorteilhaft kann ein solcher Baustein, wie z. B. der dargestellte Ansteuerbaustein 30, als eine integrierte Schaltung zum Ansteuern einer zum Bestromen einer induktiven Last verwendeten Halbbrückenschaltung und zum Messen des durch die induktive Last fließenden Stromes implementiert sein. Die Halbbrückenschaltung kann hierbei insbesondere zumindest eine erste Halbbrücke mit zwei ersten Halbleiterschaltern und eine zweite Halbbrücke mit zwei zweiten Halbleiterschaltern aufweisen, wie z. B. in Fig. 4 gezeigt.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kommt in Betracht, zur Reduzierung eines Messfehlers der Strommessvorrichtung 10 von Fig. 1 und 3 bzw. der beiden Strommessvorrichtungen von Fig. 4 eine Temperatur des bzw. der betreffenden (zur Strommessung genutzten) Schalter zu messen, um einen (temperaturabhängigen) Einschaltwiderstand derartiger Schalter zu bestimmen bzw. temperaturabhängig zu korrigieren.
Im Rahmen der Erfindung wird dann zweckmäßigerweise nicht unmittelbar das Signal OUT bzw. z. B. eines von mehreren solchen Signalen (z. B. OUT1 , OUT2 in Fig. 4) als "Bestimmungsgröße" der Strommessung verwendet, sondern erst durch eine Auswertung des Signals OUT unter Mitberücksichtigung der gemessenen Temperatur diese Bestimmungsgröße gebildet. Bei den Beispielen kann die Auswertung z. B. in der (entsprechend ausgestalteten) Ansteuer- und
Überwachungseinrichtung 20 (Fig. 1 und 3) bzw. im Ansteuerbaustein 30 (Fig. 4) erfolgen. Bei Fig. 4 könnten hierfür z. B. von den Schaltern T11 , T12 abgegriffene Temperaturmesssignale dem Ansteuerbaustein 30 zugeführt werden, um das jeweils ausgewählte Signal OUT1 bzw. OUT2 zunächst in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur weiterzuverarbeiten, um dieses sodann als ein
"temperaturkorrigiertes" Signal OUT auszugeben.
Mit der Erfindung werden insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt, mittels welchen ein durch einen beliebigen Halbleiterschalter, insbesondere einen Standard-Leistungsschalter wie FET bzw. MOSFET oder dergleichen im Rahmen einer mittels einer Halbbrückenschaltung realisierten PWM-Motoransteuerung fließender Motorstrom gemessen werden können.
Vorteilhaft kann hierbei ein kontinuierliches Messsignal bereitgestellt werden. Die Messung selbst verursacht keine zusätzlichen Verluste im Leistungskreis. Eine Messelektronik kann vorteilhaft in den Ansteuerbaustein einer
PWM-Motoransteuerung integriert werden.
Next Patent: CIRCUIT BREAKER WITH IMPROVED EXHAUST COOLING