Schaltungsanordnung und Verfahren zur Detektion eines Masseschlusses

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektrischen Motors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Detektion eines Masseschlusses einer Phase eines elektrischen Motors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es ist bekannt, Phasenleiter elektrischer Motoren, beispielsweise bürstenloser Gleichstrommotoren, oder Motorkontakte zu einer Steuereinheit auf Masseschlüsse zu überwachen. Es ist ferner bekannt, die Drain-Source-Spannung bei einem Feldeffekttransistor einer Treiberschaltung für elektrische Motoren zu überwachen. Diese Überwachung hängt stark von mehreren Parametern ab, beispielsweise dem Typ der Treiber-Brückenschaltung, deren Betriebstemperatur, der Art des Kurzschlusses (dieser muss sehr niederohmig sein) und dem Reststrom durch den Motor. Ferner muss ein Temperaturmodell für die betroffenen Komponenten (beispielsweise FET, IGBT) implementiert werden, was den Aufwand für Implementierung und Wartung erheblich vergrößert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung zur Detektion von Masseschlüssen von Phasenleitern elektrischer Motoren anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine B6-Brücke zur Ansteuerung eines elektrischen Motors, wobei die B6-Brücke drei Halbbrücken mit je einem oberen und einem unteren Halbleiterschalter aufweist, zwischen denen jeweils ein Mittelabgriff ausgebildet ist, an dem je eine Phase eines elektrischen Motors angeschlossen oder anschließbar ist, wobei der obere Halbeiterschalter jeder Halbbrücke an einer Betriebsspannung angeschlossen oder anschließbar ist, wobei der untere Halbeiterschalter jeder Halbbrücke mit einer Motormasse verbunden oder verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die unteren Halbeiterschalter jeder Halbbrücke über einen gemeinsamen Summen-Shunt mit der Motormasse verbunden oder verbindbar, wobei die Schaltungsanordnung ferner eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Stroms durch den Summen-Shunt anhand einer über dem Summen-Shunt abfallenden Spannung aufweist, wobei die Überwachungseinrichtung dazu konfiguriert ist, bei Auftreten eines Rückstroms durch den Summen-Shunt, der größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist und länger als eine vorgegebene Zeitdauer anhält, einen Masseschluss auf der Phase zu detektieren, bei der die Halbleiterschalter der an diese Phase angeschlossenen Halbbrücke zuletzt so umgeschaltet wurden, dass der jeweilige obere Halbeiterschalter offen und der jeweilige untere Halbeiterschalter geschlossen ist.

In einer Ausführungsform ist der bestimmte Zeitraum länger als 5 ps.

In einer Ausführungsform sind die Halbleiterschalter als Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren oder IGBT, ausgebildet.

In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung dazu konfiguriert, zur Detektion von Masseschlüssen zusätzlich eine Überwachung der Drain-Source- Spannungen der als Feldeffekttransistoren oder IGBT ausgebildeten Halbleiterschalter durchzuführen.

In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung dazu konfiguriert, die B6-Brücke bei einem detektierten Masseschluss abzuschalten.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion eines Masseschlusses einer Phase eines elektrischen Motors vorgeschlagen, dessen Phasen an Mittelabgriffe jeweiliger Halbbrücken einer B6-Brücke angeschlossen sind, wobei die Halbbrücken je einen oberen und einen unteren Halbleiterschalter aufweisen, zwischen denen jeweils ein M ittelabgriff ausgebildet ist, wobei der obere Halbeiterschalter jeder Halbbrücke an einer Betriebsspannung angeschlossen ist, wobei der untere Halbeiterschalter jeder Halbbrücke mit einer Motormasse verbunden ist. Erfindungsgemäß sind die unteren Halbeiterschalter jeder Halbbrücke über einen gemeinsamen Summen-Shunt mit der Motormasse verbunden, wobei ein Strom durch den Summen-Shunt anhand einer über dem Summen-Shunt abfallenden Spannung überwacht wird, wobei bei Auftreten eines Rückstroms durch den Summen-Shunt, der größer als ein vorgegebener Schwellwert ist und länger als eine vorgegebene Zeitdauer anhält, ein Masseschluss auf der Phase detektiert wird, bei der die Halbleiterschalter der an diese Phase angeschlossenen Halbbrücke zuletzt so umgeschaltet wurden, dass der jeweilige obere Halbeiterschalter geöffnet und der jeweilige untere Halbeiterschalter geschlossen wurde.

In einer Ausführungsform ist der bestimmte Zeitraum länger als 5 ps.

In einer Ausführungsform wird bei einem detektierten Masseschluss und Auftreten eines hohen Spitzenwerts des Rückstroms auf einen niederohmigen Masseschluss und einen niederohmigen Verbindungswiderstand zwischen der Motormasse und einer Masse, zu der der Masseschluss der Phase besteht, geschlossen, während bei Auftreten eines kleinen Spitzenwerts des Rückstroms auf einen höherohmigen Masseschluss und einen höherohmigen Verbindungswiderstand zwischen der Motormasse und der Masse, zu der der Masseschluss der Phase besteht, geschlossen wird.

In einer Ausführungsform wird bei einem detektierten Masseschluss und schnellem Abfall des Rückstroms auf einen niedriginduktiven Masseschluss und eine niedrige Verbindungsinduktivität zwischen der Motormasse und einer Masse, zu der der Masseschluss der Phase besteht, geschlossen, während bei einem langsamen Abfall des Rückstroms auf einen hochinduktiven Masseschluss und eine hohe Verbindungsinduktivität zwischen der Motormasse und der Masse, zu der der Masseschluss der Phase besteht, geschlossen wird. In einer Ausführungsform sind die Halbleiterschalter als Feldeffekttransistoren oder IGBT ausgebildet, wobei zur Detektion von Masseschlüssen zusätzlich eine Überwachung der Drain-Source-Spannungen der Halbleiterschalter durchgeführt wird.

Wenn ein Masseschluss auftritt, dann erzeugt dies einen Rückstrom durch einen Summen-Shunt, der einerseits von der Art des Kurzschlusses (das heißt seiner Impedanz), andererseits jedoch auch von verschiedenen anderen Parametern abhängt. Daher ist es für einen Treiber-ASIC oder eine andere technische Lösung, beispielsweise einen analogen Schaltkreis, möglich, einen Überstrom zu detektieren, der als Masseschluss interpretiert werden kann. Nach der Detektion des Überstroms reagiert das System folgendermaßen:

- zumindest vorübergehende Deaktivierung des B6-Brückentreibers, Melden des Überstroms,

- Nach dem Entprellen wird die B6-Brücke dauerhaft abgeschaltet, Masseschluss wird detektiert,

- Nach einem Key-Cycle (Rücksetzen der Steuereinheit) ist die B6-Brücke wieder in Betrieb,

- Sporadische Fehler (Kurzschlüsse) führen nicht zu einer permanenten Nichtverfügbarkeit der Steuereinheit.

Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile auf:

- niedrigerer Aufwand für die Implementierung verglichen mit der Überwachung der Drain-Source-Spannung,

- kein Temperaturmodell erforderlich,

- keine oder geringe Adaption der Software erforderlich,

- keine oder geringere Temperaturabhängigkeit verglichen mit der Überwachung der Drain-Source-Spannung,

- niedriger Wartungsaufwand über den Produktlebenszyklus, insbesondere wenn Designänderungen vorgenommen werden (neue Musterphase, neue Treiberkomponenten, insbesondere FET oder IGBT), - Die Detektion eines breiten Spektrums von Kurzschlüssen ist möglich, auch hochohmigere Kurzschlüsse als bei der Überwachung der Drain-Source- Spannung,

- Erhöhte Zuverlässigkeit des Produkts,

- Erhöhte Detektionsrate von Kurzschlüssen, insbesondere in Kombination mit der Überwachung der Drain-Source-Spannung,

- Verbesserter Schutz der Komponenten (MOSFET) ist möglich.

Die erfindungsgemäße Lösung ist auch für Treiberstufen für elektromagnetische

Ventile oder andere elektrische Lasten anwendbar, sofern ein Shunt entsprechend angeordnet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer B6-Brücke mit einem Summen-Shunt nach Motormasse,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm von Arbeitszyklen einer

Pulsweitenmodulation an der B6-Brücke,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm von Phasenspannungen und eines Summenstroms,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der B6-Brücke bei einem Masseschluss einer Phase, und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild der B6-Brücke, nachdem die Halbleiterschalter der vom Masseschluss betroffenen Halbbrücke umgeschaltet wurden. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild einer B6-Brücke 1 , umfassend drei Halbbrücken HB1 , HB2, HB3 mit je zwei Halbleiterschaltern HS1 , LS1 , HS2, LS2, HS3, LS3, beispielsweise Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren oder IGBT, zwischen denen jeweils ein M ittelabgriff ausgebildet ist, an dem je eine Phase U, V, W eines elektrischen Motors M, beispielsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors, angeschlossen oder anschließbar ist. Die oberen Halbeiterschalter HS1 bis HS3 jeder Halbbrücke HB1 , HB2, HB3 sind an einer Betriebsspannung VPS angeschlossen. Die unteren Halbeiterschalter LS1 bis LS3 jeder Halbbrücke HB1 , HB2, HB3 sind über einen Summen-Shunt 3 mit einer Motormasse MGND verbunden. Ein Strom ISUM durch alle unteren Halbeiterschalter LS1 bis LS3 fließt daher über den Summen-Shunt 3 und kann bei Kenntnis des Widerstands oder der Impedanz des Summen-Shunts 3 durch Messung einer darüber abfallenden Spannung ermittelt werden.

Die B6-Brücke 1 wird beispielsweise in einem Normalbetrieb mit einer kontinuierlichen Sinuswellen-Modulation per Pulsweitenmodulation angesteuert. Figur 2 ist ein schematisches Diagramm von Arbeitszyklen (duty cycle) DC der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit eines Phasenwinkels a. Figur 3 ist ein schematisches Diagramm der Phasenspannungen der Phasen U, V, W und des Summenstroms ISUM. Die gezeigte Form der Pulsweitenmodulation (sie wird in diesem Beispiel „center aligned“ erzeugt, d. h. ausgehend von der Mitte der PWM- Periode wird der High-Pegel breiter gemacht) ist nicht entscheidend für die Funktionalität des Verfahrens.

Figur 4 ist ein schematisches Schaltbild der B6-Brücke 1 bei einem Masseschluss der Phase W. Der Summen-Shunt 3 ist als Reihenschaltung aus einem Shunt- Widerstand RsHUNT und einer Shunt-Induktivität LSHUNT dargestellt. Der Masseschluss ist Reihenschaltung aus einem Masseschluss-Widerstand RSHORT und einer Masseschluss-Induktivität LSHORT dargestellt. Eine Spannungsquelle der Betriebsspannung VPS, beispielsweise eine Batterie, ist als Parallelschaltung einer Stromquelle 2 und einer Kapazität C, beispielsweise einer Pufferkapazität der B6-Brücke 1 , in Reihe mit einem Quellenwiderstand RDC und einer Quelleninduktivität LDC dargestellt. In der dargestellten Situation sind die Halbleiterschalter HS1 , LS2 und HS3 geschlossen und die Halbleiterschalter LS1 , HS2 und LS3 geöffnet. Über den Halbleiterschalter HS1 fließt ein Phasenstrom lu in die Phase U des elektrischen Motors M. Über den Halbleiterschalter LS2 fließt ein Phasenstrom lv aus der Phase U des elektrischen Motors M nach Motormasse MGND. Über den Halbleiterschalter HS3 fließt ein Kurzschlussstrom ISHORT nach Masse GND. Die Masse GND kann eine Bezugsmasse sein, die beispielsweise durch eine metallische Grundplatte gebildet sein kann. Die Schaltungsanordnung kann Teil eines Steuergerätes, beispielsweise eines Getriebe-Steuergerätes für ein Kraftfahrzeug, sein, das auf der Grundplatte angeordnet sein kann. Über dem Summen-Shunt 3 fällt eine Spannung USHUNT ab, die nach folgender Gleichung bestimmt werden kann: wobei he der aus der Spannungsquelle fließende Strom ist.

Figur 5 ist ein schematisches Schaltbild der B6-Brücke 1 , nachdem die Halbleiterschalter HS3, LS3 der vom Masseschluss betroffenen Halbbrücke HB3 umgeschaltet wurden, das heißt nachdem der Halbleiterschalter HS3 geöffnet und der Halbleiterschalter LS3 geschlossen wurde. Zwischen Masse GND und Motormasse MGND ist eine Reihenschaltung aus einem Verbindungswiderstand RSH_PCB und einer Verbindungsinduktivität LSH_PCB (beispielsweise einer Verbindung zwischen Masse GND und Motormasse MGND, die beispielsweise teils über die metallische Grundplatte und teils über eine Leiterplatte verlaufen kann) dargestellt. Aus dem Phasenleiter W fließt ein Entladestrom teils über den Masseschluss und teils über den Halbleiterschalter LS3.

Dabei gelten folgende Beziehungen: wobei:

- USH_PCB die über der Reihenschaltung aus dem Verbindungswiderstand SH_PCB und der Verbindungsinduktivität LSH_PCB abfallende Spannung ist,

- USHORT die über der Reihenschaltung aus dem Masseschluss-Widerstand RsHORT und der Masseschluss-Induktivität LSHORT abfallende Spannung ist,

- UL_SH_PCB die über der Verbindungsinduktivität LSH_PCB abfallende Spannung ist,

- c ist ein initialer Strom,

Ausgehend von den obigen theoretischen Überlegungen werden folgende Annahmen getroffen:

Der Rückstrom ISHUNT durch den Summen-Shunt 3 fließt, sobald der obere Halbleiterschalter HS3 geöffnet und der untere Halbleiterschalter LS3 geschlossen wird. Der Rückstrom hängt vom Masseschluss-Widerstand RSHORT, von der Masseschluss-Induktivität LSHORT und von der Verbindungsinduktivität LSH_PCB ab wie in den Formeln oben gezeigt wurde. Der Rückstrom ISHUNT ist immer negativ, fließt also von der Motormasse MGND durch den Shunt 3 in die B6-Brücke 1.

Die Masseschluss-Induktivität LSHORT und die Verbindungsinduktivität LSH_PCB wirken als Stromquellen.

Bei einem niederohmigen Kurzschluss und einem niederohmigen Verbindungswiderstand RSH_PCB treten hohe Spitzenwerte des Kurzschlussstroms ISHORT auf. Bei einem höherohmigen Kurzschluss und einem höherohmigen Verbindungswiderstand RSH_PCB treten kleine Spitzenwerte des Kurzschlussstroms ISHORT auf.

Bei einem niedriginduktiven Kurzschluss und einer niedrigen Verbindungsinduktivität LSH_PCB erfolgt ein schneller Abfall des Kurzschlussstroms ISHORT. Bei einem hochinduktiven Kurzschluss und einer hohen Verbindungsinduktivität LSH_PCB erfolgt ein langsamer Abfall des Kurzschlussstroms ISHORT.

Da der bürstenlose Gleichstrommotor den Absolutwert des Stroms durch den Summen-Shunt 3 verwendet, löst auch ein negativer Strom, sofern er hoch genug ist, den OC-Mechanismus aus und schaltet die B6-Brücke 1 ab. Der OC- Mechanismus ist zur Detektion eines Überstroms (OverCurrent - OC) konfiguriert und kann als ASIC oder Teil davon ausgebildet sein.

Der Rückstrom ISHUNT kann insbesondere durch Überwachung der über dem Summen-Shunt 3 abfallenden Spannung USHUNT unter Berücksichtigung des Widerstands oder der Impedanz des Summen-Shunts 3 ermittelt werden.

Ein Kurzschluss nach Masse GND ist beispielsweise detektierbar, wenn die Spannung USHUNT über dem Summen-Shunt 3 für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise länger als 5 ps, oberhalb eines definierten Schwellwerts liegt.

Versuche haben gezeigt, dass die Detektion von Masseschlüssen durch die beschriebene Detektion eines Rückstroms ISHUNT drastisch verbessert werden kann.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Detektion eines Masseschlusses durch die beschriebene Detektion eines Rückstroms ISHUNT ergänzend mit einer Überwachung der Drain-Source-Spannung verwendet. Bezugszeichenliste

B6-Brücke

2 Stromquelle

3 Summen-Shunt

C Kapazität

DC Arbeitszyklus

GND Masse

HB1 bis HB3 Halbbrücke

HS1 bis HS3 Halbleiterschalter, oberer Halbleiterschalter

IDC aus der Spannungsquelle fließender Strom

IsHORT Kurzschlussstrom

ISUM Strom lu, Iv Phasenstrom

LS1 bis LS3 Halbleiterschalter, unterer Halbleiterschalter

LDC Quelleninduktivität

LSHORT Masseschluss-Induktivität

LSHUNT einer Shunt-Induktivität

LSH_PCB Verbindungsinduktivität

M elektrischer Motor

MGND Motormasse

RDC Quellenwiderstand

RSHORT Masseschluss-Widerstand

RSHUNT Shunt-Widerstand

RSH_PCB Verbindungswiderstand

U Phase

UL_SH_PCB Spannung

UsHORT Spannung

UsHUNT Spannung

UsH_PCB Spannung

V Phase

VPS Betriebsspannung w Phase Őhasenwinkel