-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines Leistungshalbleiters.
-
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen zum Schutz eines Leistungshalbleiters bekannt.
-
Dabei erweist es sich als großes Problem echte Kurzschlüsse von virtuellen Kurzschlüssen zu unterscheiden. Virtuelle Kurzschlüsse entstehen durch z.B. kapazitive Lasten, die sich insbesondere beim Einschalten wie ein Kurzschluss verhalten. D.h. bis die kapazitive Last entsprechend geladen ist fließen teils erhebliche Ströme.
-
Daher wurden in der Vergangenheit immer wieder Versuche unternommen, diese virtuellen Kurzschlüsse zu erkennen.
-
Beispielsweise ist aus der
DE 10 2012 103 551 A1 eine elektronische Sicherungsvorrichtung bekannt, die einen steuerbaren Schalter in Abhängigkeit von einem Überstrom ausschaltet und in Abhängigkeit der Spannungsänderung am Ausgang wieder einschaltet.
-
Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist, dass sie zunächst von einem Überstrom ausgeht und abschaltet und erst nach einer gewissen Zeit eine Zuschaltung abhängig von einer Wiedereinschaltbedingung ermöglicht. Hierdurch wird häufig eine unnötig lange Zeit benötigt, um eine kapazitive Last aufzuladen. Zudem ist die Erkennung vergleichsweise kompliziert, da eine Speicherung von „historischen“ Werten nötig ist. Weiterhin ist bei solchen Anordnung es häufig problematisch, dass nach Öffnung des Schalters die kapazitive Last durch eine parallel liegende resistive Last entladen wird, sodass die Erkennung unter Umständen eine aufzuladende kapazitive (Teil-)Last fälschlich dennoch als Kurzschluss erkennt. Insbesondere erweist sich eine dort beanspruchte Einrichtung in Bezug auf das Anschalten einer kapazitiven Last als problematisch, da hier bereits beim Einschalten die Ausschaltbedingung erfüllt ist und somit kein historischer Spannungswert zum Vergleich vorliegt.
-
Weiterhin ist aus der vorbekannten Lösung keine sichere Aussage über den tatsächlichen Zustand des Schalters möglich, da hier nur die Lastseite betrachtet wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, verbesserte und kostengünstige Vorrichtungen zur Detektion eines Kurzschlusses zu schaffen, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 eine Übersichtsdarstellung von Ausführungsformen gemäß der Erfindung, und
-
2 ein Flussdiagramm von Ausführungsformen der Erfindung.
-
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschreiben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
-
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung, welche beispielhaft in der 1 enthalten ist, weist eine Vorrichtung 1 zum Schutz eines Leistungshalbleiters einen Strommesser UR, einen Spannungsmesser USW, und einen Schalter SW auf. Zur besseren Übersicht ist die Vorrichtung 1 in der Abbildung durch einen strich-punktierten Rahmen umgeben.
-
Der Leistungshalbleiter ist in den Figuren nicht notwendigerweise dargestellt. D.h., der Leistungshalbleiter kann ein weiteres (nicht-dargestelltes) Element sein, oder aber der Schalter SW selbst ist durch einen Leistungshalbleiter, beispielsweise einen MOS-FET-Transistor (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), bereitgestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf (Schalt-)Transistoren beschränkt.
-
Dabei misst der Strommesser UR einen Strom I durch die Vorrichtung 1. Hierfür ist im Prinzip jede Form der Strommessung möglich, sei es durch ein induziertes magnetisches Feld (z.B. Rogowski-Spule, Hall-Sensor) oder aber durch Spannungsmessung an einem Shunt-Widerstand R oder dergleichen.
-
Der Schalter SW ist geeignet einen Stromfluss durch die Vorrichtung 1 zu unterbrechen. Im Prinzip können hier jegliche Art von Schalter zum Einsatz kommen, z.B. ein mechanischer Schalter oder ein elektrischer Schalter, z.B. ein gesteuerter (Feld-Effekt-)Transistor.
-
Weiterhin verwendet die Vorrichtung einen Spannungsmesser USW, der eine Spannung über den Schalter SW misst. Da der Schalter SW im idealisierten Fall einen Kurzschluss darstellt, reicht es aus Spannungen im geöffneten Zustand des Schalters SW zu messen, da bei geschlossenem Schalter SW die Spannung null sein sollte.
-
Je nach Art des Schalters SW kann jedoch auch vorgesehen sein, dass z.B. der Schalter SW selbst einen geringen Widerstand darstellt, sodass die Strommessung beispielsweise den geschlossen Schalter als Shunt-Widerstand R verwenden könnte. Ein solcher Fall kann z.B. bei Verwendung von Halbleiter-Schaltern (z.B. gesteuerter (Feld-Effekt-)Transistor) auftreten.
-
Insofern ist die zuvor beschriebene Aufteilung funktional zu verstehen und beschränkt nicht die tatsächliche Realisierung.
-
Wenn der Strommesser UR einen Strom I misst, der einen ersten Strom-Schwellwert Iref übersteigt, d.h. I > Iref, wird der Schalter SW für eine vorbestimmte Zeit taus so angesteuert, dass der Stromfluss durch die Vorrichtung 1 unterbrochen wird. Dabei wird in aller Regel die Strommessung nicht unmittelbar mit Beginn des Stromflusses durchgeführt, sondern es wird erst nach Ablauf einer vorbestimmten minimalen Einschaltzeit tein der Strom I durch die Vorrichtung gemessen.
-
Nunmehr kann in dieser vorbestimmten Zeit taus mittels des Spannungsmessers USW eine Spannung über den geöffneten Schalter SW gemessen werden.
-
Diese Spannung kann gespeichert werden. Speicherung ist dabei allgemein zu verstehen und kann sowohl eine Speicherung der aktuellen Spannung in einem Kondensator als auch Speicherung eines Messwertes bedeuten.
-
Nach Ablauf der vorbestimmten Zeit taus wird der Schalter SW wieder eingeschaltet, sodass erneut Strom durch die Vorrichtung 1 hin zur Last V fließt.
-
Wird nun wiederholt der Schalter SW in Folge eines Überstromes betätigt, so kann an Hand der Spannung USW erkannt werden, ob ein echter Kurzschluss vorliegt, der eine ernste Gefahr darstellt.
-
Dies ist einfach dadurch möglich, dass im Falle einer (wiederholten) Abschaltung und dem Vorliegen einer kapazitiven Last V nunmehr am Schalter SW eine Spannung USW anliegt, die geringer als die Netzspannung ist. Dies ist dadurch begründet, dass eine kapazitive Last durch den fließenden Strom aufgeladen wird, sodass nach Öffnen des Schalters SW weiterhin die durch den Strom aufgeladene Spannung an der kapazitiven Last V vorhanden ist. Im Gegensatz dazu ist bei einem echten Kurzschluss nach Öffnen des Schalters SW keine Ladung gespeichert und somit beträgt die Spannung auf der Seite der Last 0 Volt.
-
Dies kann z.B. mit einer einfachen Differenz-Spannungsmessung, z.B. einer Wheatstone‘schen Messbrücke oder einem differentiellen angesteuerten Operationsverstärkers oder jeder anderen geeigneten Vorrichtung am Schalter SW festgestellt werden.
-
Im Falle, dass dabei erkannt wird, dass ein echter Kurzschluss vorliegt, wird der Schalter (SW) nun dauerhaft so angesteuert wird, dass der Stromfluss unterbrochen wird.
-
Ansteuern kann dabei ein aktives Ansteuern („Öffnen“) oder ein passives Unterlassen („Nicht-Schließen“) sein und hängt von der Art des Schalters SW ab. D.h. der Schalter SW kann sowohl als Öffner als auch als Schließer ausgeführt sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zudem erkannt, dass ein temporärer Überstrom in Folge der Aufladung einer kapazitiven Last vorliegt. Wenn der Spannungsmesser USW während einer temporären Unterbrechung taus des Stromflusses eine Spannung am Schalter SW misst, die einen ersten Schwellwert Uref übersteigt, kann daraus erkannt werden, dass eine kapazitive Last V vorliegt. Dies ist einfach dadurch möglich, dass im Falle einer (wiederholten) Abschaltung und dem Vorliegen einer kapazitiven Last V nunmehr am Schalter SW eine Spannung USW anliegt, die geringer als die Netzspannung ist. Dies ist dadurch begründet, dass eine kapazitive Last durch den fließenden Strom aufgeladen wird, sodass nach Öffnen des Schalters SW weiterhin die durch den Strom aufgeladene Spannung an der kapazitiven Last V vorhanden ist. Diese Spannung UV an der Last führt dazu, dass die Spannung am Schalter USW nunmehr geringer wird als die Netzspannung. Insofern kann nunmehr aus dem Vorhandensein einer Differenz (entsprechend Uref = 0 V) oder aus dem Vorhandensein einer bestimmten Differenz (entsprechend Udiff = UNetz – UV > Uref) eine kapazitive Last V erkannt werden. Insofern ist es aber auch möglich aus dem Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes durch die Spannung am Schalter USW das Vorhandensein einer kapazitiven Last zu erkennen.
-
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es zudem möglich, dass z.B. die vorbestimmte Zeit taus des Abschaltens abhängig ist vom zuvor gemessenen Strom I. D.h. ist der Strom I z.B. erheblich größer als der Strom-Schwellwert Iref, so kann der Strom für eine längere Zeit abgeschaltet werden, während z.B. bei einem Strom I, der nur geringfügig größer als der Strom-Schwellwert Iref ist, so kann der Strom für eine kürzere Zeit abgeschaltet werden. Hierdurch werden z.B. Halbleiterschalter nicht unnötig überlastet während zugleich eine zügige Ladung einer kapazitiven Last zur Verfügung gestellt wird.
-
Ohne weiteres kann die vorliegende Erfindung auch wie folgt ausgestaltet sein.
-
Die Vorrichtung 1 zur Detektion eines Überstromes weist einen Strommesser UR mit einem Shunt-Widerstand R, eine Berechnungseinheit SE, und einen Schalter SW auf.
-
Der Strommesser UR misst einen Strom durch die Vorrichtung 1 als Spannung an dem Shunt-Widerstand R und der Schalter SW ist geeignet einen Stromfluss durch die Vorrichtung 1 zu unterbrechen. Wie zuvor beschreiben kann der Shunt-Widerstand auch durch den Schalter SW bereitgestellt sein.
-
Wenn der Strommesser UR einen Strom I misst, der einen ersten Strom-Schwellwert Iref übersteigt, wird der Schalter SW für eine vorbestimmte Zeit taus so angesteuert, dass der Stromfluss unterbrochen wird.
-
Aus zu verschiedenen Zeitpunkten gemessenen Stromwerten wird mittels des bekannten Shunt-Widerstandes R die Energie festgestellt wird, die der Vorrichtung 1 zugeführt wird. Dabei kann die Energie über Strom und Spannung als auch über den Widerstand und den Strom bzw. den Widerstand und die Spannung bestimmt werden. Nunmehr kann bei Überschreiten einer maximalen Energie Wmax der Schalter SW dauerhaft so angesteuert wird, dass der Stromfluss unterbrochen wird.
-
Ein entsprechendes Verfahren kann dann z.B. wie in 2 dargestellt implementiert sein.
-
In einem ersten Schritt S50 wird der Schalter SW so angesteuert, dass Strom zur Last V fließt. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit tein wird in Schritt S100 der Strom I durch die Vorrichtung 1 gemessen.
-
Zusätzlich kann optional vorgesehen sein, dass nach dem Schritt S50 auch eine Spannung UV auf der Seite der Last V durch einen geeigneten Spannungsmesser gemessen wird. Dieser Schritt kann während oder nach Schritt S100 durchgeführt werden.
-
In Schritt S300 wird nunmehr geprüft, ob eine Abschaltbedingung erfüllt ist, nämlich, ob der gemessene Strom I einen ersten Strom-Schwellwert Iref übersteigt.
-
Ist dies nicht der Fall kehrt das System zurück zum Schritt S100 und führt die Schleife erneut aus.
-
Ist der Strom I hingegen größer als der erste Strom-Schwellwert Iref, so wird der Schalter SW in Schritt S400 zunächst temporär so angesteuert, dass er öffnet.
-
Anschließend wird die Energie W bestimmt, die durch die Vorrichtung 1 bzw. den Schalter SW geflossen ist. Je nachdem, ob diese Bestimmung auch die Bestimmung einer Spannung benötigt oder nicht, wird hier nun die Spannung USW am Schalter SW bestimmt oder aber aus dem bekannten Widerstand R und dem zuletzt gemessenen Strom die Energie W bestimmt.
-
Ist der Energieumsatz W dabei größer als eine bestimmte maximale Energie Wmax, so wird der Schalter SW nicht mehr eingeschaltet und das Verfahren endet.
-
Ist hingegen der Energieumsatz W dabei geringer (oder gleich) als eine bestimmte maximale Energie Wmax so wird eine Zeit taus in Schritt S675 gewartet und erneut das Verfahren ab Schritt S50 durchlaufen.
-
Ohne weiteres versteht es sich, dass die Bedingungen des Überschreitens auch durch andere Bedingungen äquivalent ersetzt werden können.
-
Die vorstehend erwähnten Schritte bzw. Mittel können Bestandteil einer Steuereinheit SE sein bzw. von ihr ausgeführt werden. Eine Steuereinheit kann z.B. ein Mikrocontroller oder einer ASIC oder ein FPGA sein.
-
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung z.B. in Stromversorgungen Verwendung finden. Dort finden sich häufig leistungsstarke Schaltnetzteile mit gesteuerten Leistungshalbleitern als Schaltelemente.
-
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass mit der Erfindung es möglich ist, die tatsächliche Belastung im Sinne eines Energieeintrages in den Leistungshalbleiter an Hand des Spannungsabfalls über den Leistungshalbleiter als Ausführungsform eines Schalters SW zu messen. Diese Messung von Energieeintrag geht weit über die binäre Zustandserkenntnis (kapazitive Last, Kurzschluss) hinaus, denn eine derartige Erkennung muss in erheblichem Maß Sicherheitsmargen zur Verfügung stellen.
-
Daher kann mit der vorgestellten Erfindung es auch ermöglicht werden im Bedarfsfall für einen bestimmten Zeitraum, z.B. 10 ...50 ms, einen Strom zur Verfügung zu stellen, der erheblich über dem spezifizierten Nennstrom, z.B. 2-fach bis 10-fach, liegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- UR
- Strommesser
- USW
- Spannungsmesser
- SW
- Schalter
- Iref
- Strom-Schwellwert
- taus
- vorbestimmte Zeit
- Uref
- Schwellwert
- I
- Strom
- R
- Shunt-Widerstand
- SE
- Berechnungseinheit
- V
- Last
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012103551 A1 [0005]
