DE60318361T2

DE60318361T2 - Verfahren zur Messung von Strangströmen bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung von Elektromotoren, die IMS-Technologie oder ähnliches einsetzt und für diese Messungen Bauteile zur Überwachung von Widerstand und Temperatur bei Leistungstransistoren enthält

Info

Publication number: DE60318361T2
Application number: DE60318361T
Authority: DE
Inventors: Maurizio Iotti
Original assignee: Zapi SpA
Current assignee: Zapi SpA
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: DE60318361D1; EP1385207B1; US7327117B2; ATE382955T1; ITPR20020037A1; EP1385207A1; US20040017173A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Phasenströmen in einem Wechselrichter oder einem DC-Controller zur Speisung von Elektromotoren und einen in IMS-oder ähnlicher Technologie hergestellten Wechselrichter oder DC-Controller, in den Widerstände für diese Messung eingebettet sind.
Der Begriff Wechselrichter oder DC-Controller steht hier für Steuervorrichtungen jeder Art für Elektromotoren einschließlich Dauermagnetmotoren, Reihenschlussmotoren, Nebenschlussmotoren, Spaltmotoren, Schrittmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren, bürstenlose Drehstrommotoren, Synchronmotoren, Asynchron-(Induktions-)motoren, Reluktanzmotoren und weitere Motoren.
Der Begriff IMS- oder ähnliche Technologie bezieht sich auf alle eine Leistungsstufe zur Steuerung von Motoren bildende Anordnungen, die sich dadurch kennzeichnen, dass sie:

– Verbindungsbahnen aus Kupfer zwischen elementaren Antriebsvorrichtungen und äußeren Zugangsterminals (die normalerweise aber nicht ausschließlich mit dem bei gedruckten Schaltungen zum Einsatz kommenden Fotoätzverfahren ausgebildet werden): solche Bahnen sind elektrisch von dem dar runterliegenden (normalerweise aus Metall bestehenden und im folgenden Basis genannten) Substrat durch eine Schicht aus Isoliermaterial isoliert;
– eine hohe Wärmekapazität, so dass die Temperatur an allen Punkten der Basis mit beschränkter Fehlerrate als homogen anzusehen ist;
– eine niedrige Wärmebeständigkeit zwischen den obigen Kupferbahnen und dem Körper von elementaren Antriebsvorrichtungen, so dass die Temperatur von Antriebsvorrichtungen (auf dem Körper) an die Temperatur von auf diesen angebrachten Kupferbahnen mit beschränkter Fehlerrate angeglichen werden kann.

Bei der Steuerung von Elektromotoren durch Wechselrichter oder DC-Controller müssen zur Vermeidung von Systemschäden zwei wichtige Parameter in Echtzeit überwacht werden, u. z.:

– die Temperatur der Antriebsvorrichtungen (Leistungstransistoren) durch einen Thermosensor;
– insbesondere den von dem Elektromotor aufgenommenen Strom.

Bei der Speisung von Zweiphasenstrom- und Drehstrommotoren sind Anwendungen bekannt, welche die Messung der Ströme von mindestens zwei Phasen vorsehen.
Es sind Anwendungen zur Steuerung von Gleichstrommotoren bekannt, die die Messung des Ankerstroms vorsehen.
Alternativ dazu sind von der Motorart unabhängige Anwendungen bekannt, bei denen der Strom auf der Stromzufuhrleitung oder in Reihe mit Antriebsvorrichtungen gemessen wird.
Zur Überwachung von Strömen sieht eine bekannte Technik den Einbau von Präzisionsshuntwiderständen ohne Thermodrift vor, d. h. insbesondere ohne Widerstandsänderung bei Temperaturänderung.
Hierdurch können Wechselrichter- oder DC-Controllerströme mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden.
Diese bekannte Lösung hat sich zwar technisch bewährt, weist jedoch den Nachteil auf, dass sie aufgrund des Einbaus dieser Shunts teuer ist und viel Bauraum benötigt.
Bei dem bekannten Stand der Technik werden die Thermosensoren in der Nähe der Leistungstransistoren zur Erfassung ihrer Temperatur angebracht.
Es ist natürlich auch möglich, Shunts zu benutzen, die aus einem Material (zum Beispiel Kupfer) bestehen, deren Widerstand sich bei Temperaturänderungen stark verändert. In diesem Fall muss die mit der Temperatur einhergehende Widerstandsänderung kompensiert werden.
Die neuartige Idee besteht darin, den (bereits zur Temperaturmessung der Antriebsvorrichtungen zum Einsatz kommenden) bestehenden Thermosensor in der Nähe des Shunts anzuordnen, um dessen mit der Temperatur einhergehenden Widerstandsänderung zu kompensieren.
Nach dem Stand der Technik ( US 006028426A ) ist ein Thermosensor in den leitenden Shunt integriert, dieser Thermosensor dient jedoch ausdrücklich der Kompensation der mit der Temperatur einhergehenden Widerstandsänderung: es handelt sich hierbei nicht um ein bereits für andere Funktionen vorgesehenes Bauteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Herstellungskosten und -zeiten herabzusetzen, den Bauraum eines in IMS (Insulated Metal Substrate)-Technologie hergestellten Wechselrichters oder DC-Controllers herabzusetzen, die Zuverlässigkeit der Anordnung zu erhöhen und das Problem des Wärmeabbaus der von den Präzisionswiderständen abgegebenen Leistung zu lösen, ohne dabei die Wirksamkeit und Genauigkeit der Messung zu beeinträchtigen.
Wenn hier von IMS-Technologie und ähnlichem die Rede ist, so bezieht sich dies auch auf alle anderen Lösungen, die normalerweise nicht unter dem Begriff IMS laufen, jedoch dieselben Kennzeichen, wie die vorliegende Erfindung aufweisen.
Ein Beispiel für eine andere zu dieser als "IMS- und ähnlicher Technologie" bezeichneten Kategorie gehörenden Lösung ist die DBC (Direct Bond Copper)-Technik, hierbei handelt es sich um eine Technik zur Herstellung von integrierten Leistungsmodulen (Leistungshalbleitermodulen), die aus einem Kupfersubstrat, einer Isolierschicht (normalerweise Keramik) und aus den darüberliegenden Kupferplatten bestehen, auf welche die Anschlüsse der Power Chips gelötet werden.
Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst.
Das Strommessverfahren sieht das Messen durch den genannten Sensor der Temperatur einer bereits bestehenden, zu diesem Zweck gegebenenfalls verlängerten Zuleitungsbahn aus Kupfer vor, welche in IMS-Technologie in Reihe mit einem Verbindungsanschluss nach außen oder mit Antriebsvorrichtungen eingebracht ist, und das Kompensieren mittels Software des Abfalls auf der Bahn, wodurch eine genaue Messung des in der Kupferbahn fliesenden Stroms möglich ist.
Die auf der Stromzuführungsbahn gemessene Temperatur wird mit beschränkter Fehlerrate auch den Leistungstransistoren zugeordnet.
Diese und weitere Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten aber nicht ausschließlichen Ausbildungsform näher hervor, welche lediglich beispielsweise und nicht beschränkend in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist; es zeigen:
1 einen Abschnitt einer Platine für einen Wechselrichter;
2 ein Anwendungsschema der Stellung des Stromwandlers abhängig von der Anwendung der Steuervorrichtung.
In 1 ist eine in IMS- oder ähnlicher Technologie hergestellte Platine dargestellt, die insbesondere eine Trägerplatte aus Aluminium für eine Isolierschicht umfasst, auf der ein Kupferschaltkreis angeordnet ist.
Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet eine zwischen einem Verbindungspunkt 3 einer Motorphase und einem Leistungstransistor 4 eingebrachten Kupferbahn.
In die Kupferbahn 2 ist ein Thermosensor 5 zur Messung der Temperatur der Bahn eingebracht.
Da in dem IMS-System ein Aluminiumträger mit niedriger Wärmebeständigkeit vorgesehen ist, kann davon ausgegangen werden, dass die auf der Kupferbahn gemessene Temperatur im wesentlichen der Temperatur an der in den Wechselrichter eingebrachten Leistungstransistorbasis entspricht.
Das Verfahren sieht vorteilhafterweise vor, den durch Thermodrift bedingten Spannungsabfalls des spezifischen Kupferbahnwiderstands durch Messung der Temperatur und durch eine bereits vorhandene Software zur Steuerung des Wechselrichters zu kompensieren.
Ferner kann, sofern wie bei einem Wechselrichter mehr als nur ein Strom zu messen ist, lediglich ein einziger Sensor an nur einem der beiden Zuleitungen zum Einsatz kommen, sofern diese ähnliche Abmessungen aufweisen.
Dies ist möglich, da Wechselrichterströme ausgeglichen sind (die beiden Bahnen unterliegen den gleichen Strombedingungen) und davon ausgegangen wird, dass das IMS-Substrat (oder ähnliches) eine ausreichend hohe Wärmekapazität aufweist, um die Temperatur gleichmäßig über die gesamte metallische Basisfläche zu verteilen.
Die Kupferbahn kann auch aus einem anderen Metall hergestellt werden.
Der Begriff Thermodrift des spezifischen Kupferwiderstandes geht aus der folgenden Formel hervor: ρT = ρTo·(1 + 0.0039·(T – To))wobei gilt:

ρ_T: = spezifischer Widerstand bei Temperatur T
ρ_To: = spezifischer Widerstand bei Umgebungstemperatur To.

Der Spannungsabfall in dem (zur Messung herangezogenen) Kupferbahnabschnitt wird verstärkt und somit über eine A-D-Umwandlung der Verarbeitungseinheit zugeführt. Dieser Wert wird als Vi bezeichnet.
Die Software führt eine Thermokompensation durch, welche sich in folgende Schritte unterteilt:

1) die Software kennt den Widerstand (Ro) der Messbahn bei Umgebungstemperatur (To)
2) die Software ist zyklisch aufgebaut und erfasst bei jeder Iteration die effektive Temperatur (T) durch Ablesen des Thermosensors
3) dank der Kenntnis der vorherigen Temperatur (T) wird der effektive Wert (R_T) des Messbahnwiderstandes gemäß folgender Formel berechnet: RT = Ro(1 + 0.0039(T – To))
4) abschließend bestimmt die Software durch folgende Beziehung den Stromwert der Bahn: I = Vi/RT.

Wie erwähnt, wird die Kupferbahntemperatur (T) auch als ungefähres Maß für die Leistungstransistortemperatur herangezogen. Dies trifft bei niedrigen Wärmebeständigkeiten zwischen übereinanderliegenden Schichten zu.
Dies kann auf folgende Weise softwaremäßig online überprüft werden. Dank der Kenntnis der Kupferbahndissipation (Pd = R_TI²) und der Wärmebeständigkeit (Rth_PB) zwischen Kupfer bahn und Basis kann die Temperatur der metallischen Basis T_B) berechnet werden: TB = T – RthPB·PD
Bei Kenntnis von T_B und der Wärmebeständigkeit von Leistungstransistoren, sowie der von ihnen abgegebenen Wärmekraft, kann deren Temperatur berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf 2 sind bei Speisung von Zweiphasen- oder Drehstrommotoren Anwendungen bekannt, bei denen die Ströme von mindestens zwei Phasen gemessen werden (Position 11 in 2) während zur Überwachung von Gleichstrommotoren Anwendungen bekannt sind, bei denen der Ankerstrom gemessen wird (Position 11 in 2).
Alternativ dazu sind unabhängig von der Motorart Anwendungen bekannt, bei denen Zufuhrstrom (Positionen 7 und 8 in 2) oder der in Reihe mit Antriebsvorrichtungen fließende Strom (Positionen 9 und 10 in 2) gemessen wird.

Claims

Verfahren zum Messen von Phasenströmen eines Wechselrichters oder eines DC-Controllers zur Speisung von Elektromotoren, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a. Messen der Temperatur mindestens einer in IMS- oder ähnlicher Technologie hergestellten Metallbahn, wobei es sich bei dieser Metallbahn um eine Verlängerung entweder einer Verbindung zwischen einer Antriebsvorrichtung oder einer Zuleitung zu einem äußeren Anschluss handelt; b. Kompensieren des durch Thermodrift bedingten Spannungsabfalls eines spezifischen Metallbahnwiderstands durch Computerberechnung, so dass dann der genaue Phasenstromwert zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a. Schätzen des Ausgangsstroms eines Leistungsmoduls, insbesondere eines Leistungshalbleitermoduls, durch Messen der Temperatur einer in IMS- oder ähnlicher Technologie hergestellten Metallbahn, wobei es sich bei dieser Metallbahn um eine Verlängerung entweder einer Verbindung zwischen Antriebsvorrichtungen oder einer Zuleitung zu einem äußeren Anschluss handelt; b. Kompensieren des durch Thermodrift bedingten Spannungsabfalls eines spezifischen Metallbahnwiderstands durch Computerberechnung, so dass dann der genaue Phasenstromwert zur Verfügung steht.