DE102012211577A1

DE102012211577A1 - Leistungsendstufe, Verfahren zum Betreiben

Info

Publication number: DE102012211577A1
Application number: DE102012211577.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Schulze-Icking-Konert; Michael Rummel; Michael Forscht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-09
Also published as: CN104396144A; FR2993059A1; WO2014005752A1; US9515586B2; JP2015527033A; KR20150034709A; US20150171779A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe (1), insbesondere für ein Steuergerät einer elektrischen Maschine (2) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Steuereinheit (8) und mit wenigstens vier durch die Steuereinheit (8) einzeln ansteuerbaren Halbleiterschaltern (HS1, HS2, LS1, LS2), die zu einer Brückenschaltung (3) mit mindestens zwei Halbbrücken (4, 5) zum Betreiben der elektrischen Maschine (2) zusammengeschaltet und mit einer Versorgungsleitung (6) und einer Masseleitung (7) der Leistungsendstufe (1) verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit (8) eine steuerbare erste Pull-Up-Vorrichtung (PU1) und eine steuerbare erste Pull-Down-Vorrichtung (PD1) für eine erste der Halbbrücken (4) und eine steuerbare zweite Pull-Up-Vorrichtung (PU9 und eine steuerbare zweite Pull-Down-Vorrichtung (PD2) für eine zweite der Halbbrücken (5) aufweist, wobei die Steuereinheit (8) in einem Kurzschlusstestbetrieb die Halbleiterschalter (HS1, HS2, LS1, LS2), die Pull-Up-Vorrichtungen (PU1, PU2) und die Pull-Down-Vorrichtungen (PD1, PD2) zum Erfassen eines Kurzschlussstroms ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe, insbesondere für ein Steuergerät einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Steuereinheit und mit wenigstens vier durch die Steuereinheit einzeln ansteuerbaren Halbleiterschaltern, die zu einer Brückenschaltung mit mindestens zwei Halbbrücken zum Betreiben einer elektrischen Maschine zusammengeschaltet und mit einer Versorgungsleitung und einer Masseleitung der Leistungsendstufe verbunden sind.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Leistungsendstufe.
Stand der Technik
Leistungsendstufen sowie Verfahren zum Betreiben dieser sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Antreiben von elektrischen Maschinen werden häufig sogenannte getaktete Endstufen beziehungsweise Leistungsendstufen verwendet, die mittels in Brückenschaltung verschalteten Halbleiterschaltern die elektrische Maschine ansteuern. Durch getaktetes, einzelnes Ansteuern der Halbleiterschalter kann eine konstante Versorgungsgleichspannung in eine variable Betriebsgleichspannung für die elektrische Maschine gewandelt werden. Häufig werden dabei als Halbleiterschalter sogenannte MOSFET-Schalter verwendet. Um die elektrische Maschine sowie die Leistungsendstufe vor Beschädigungen zu schützen, ist in der Regel eine Kurzschlusserkennung in die Leistungsendstufe vorrichtungstechnisch und/oder verfahrenstechnisch implementiert. Die Kurzschlusserkennung bei diskreten MOSFET-Schaltern erfolgt im Allgemeinen durch eine Drain-Source-Spannungsmessung in der die Halbleiterschalter ansteuernden Steuereinheit. Dabei werden beispielsweise ein hochspannungsseitiger Halbleiterschalter einer ersten Brücke und ein niederspannungsseitiger Halbleiterschalter einer zweiten Brücke eingeschaltet und der Spannungsabfall über den jeweiligen Halbleiterschalter erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Liegt die erfasste Spannung nicht in dem erwarteten Bereich, kann die Steuereinheit darauf reagieren und beispielsweise die Leistungsendstufe deaktivieren. Nachteilig hierbei ist, dass diese Form der Kurzschlusserkennung nur bei einer bestromten Leistungsendstufe durchführbar ist. Darüber hinaus hängt die zu messende Drain-Source-Spannung stark von dem Einschaltwiderstand des jeweiligen Halbleiterschalters sowie des Kurzschlussstroms ab. Aus der Offenlegungsschrift JP 2005 067 380 A sind darüber hinaus eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bekannt, welche eine Kurzschlusserkennung einer Brückenschaltung, die als H-Brücke ausgebildet ist, ermöglichen, ohne dass die elektrische Maschine angetrieben werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Kurzschlusserkennung auch ohne Inbetriebnahme der elektrischen Maschine und auf einfache und kostengünstige Art und Weise durchführbar ist. Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe sieht dazu vor, dass die Steuereinheit eine steuerbare erste Pull-Up-Vorrichtung und eine steuerbare erste Pull-Down-Vorrichtung für eine erste der Halbbrücken und eine steuerbare zweite Pull-Up-Vorrichtung und eine steuerbare zweite Pull-Down-Vorrichtung für eine zweite der Halbbrücken aufweist, wobei die Steuereinheit in einem Kurzschlusstestbetrieb die Halbleiterschalter, die Pull-Up-Vorrichtungen und die Pull-Down-Vorrichtungen zum Erfassen eines Kurzschlussstroms ansteuert. Die Leistungsendstufe zeichnet sich somit durch Pull-Up- und Pull-Down-Vorrichtungen aus, die dazu benutzt werden können, die jeweilige Halbbrücke auf das Spannungsniveau der Versorgungsleitung oder auf das Spannungsniveau der Masseleitung zu ziehen. Durch entsprechendes Betätigen der Halbleiterschalter sowie der Pull-Up- und Pull-Down-Vorrichtungen lässt sich somit auch bei ausgeschalteter elektrischer Maschine die Leistungsendstufe auf einen möglichen Kurzschluss prüfen. Insbesondere kann hierdurch ein Kurzschluss auch bei unbestromter Leistungsendstufe erfasst werden (sogenannte Offline-Diagnose). Die erste Pull-Up-Vorrichtung und die erste Pull-Down-Vorrichtung sind zweckmäßigerweise in Reihe zwischen der Versorgungsleitung und der Masseleitung und parallel zu der zweiten Pull-Up-Vorrichtung und der zweiten Pull-Down-Vorrichtung, die ebenfalls in Reihe zueinander geschaltet sind, geschaltet/angeordnet. Dabei ist vorzugsweise jeweils eine Verbindungsleitung vorgesehen, die zwischen den jeweiligen Pull-Up- und Pull-Down-Vorrichtungen abzweigt und mit jeweils einer der Halbbrücken verbunden ist.
Vorzugsweise ist die Brückenschaltung als H-Brücke, als B6-Brücke oder als 2H-Brücke ausgebildet und weist eine entsprechende Anzahl von Halbbrücken, wie oben beschrieben, auf. Entsprechend der Anzahl der Halbbrücken ist zweckmäßigerweise auch die Anzahl der Pull-Vorrichtungen gewählt, wobei eine Pull-Vorrichtung jeweils eine Pull-Up-Vorrichtung und eine Pull-Down-Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, aufweist.
Gemäß einer vorteilhaftern Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pull-Up-Vorrichtungen als Pull-Up-Widerstände, insbesondere hochohmig, und die Pull-Down-Vorrichtungen als Pull-Down-Widerstände, insbesondere hochohmig, ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, dass bei einem möglichen Kurzschluss nur ein geringer Kurzschlussstrom fließt und die Kurzschlusserkennung nicht mehr von dem Einschaltwiderstand der Halbleiterschalter abhängig ist. Darüber hinaus wird durch den geringen Kurzschlussstrom sicher eine Beschädigung der Leistungsendstufe verhindert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen Leistungsendstufe zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

a) Die Pull-Down-Vorrichtungen werden eingeschaltet und eine Ausgangsspannung der jeweiligen Halbbrücke erfasst und mit einem ersten Sollwert verglichen.
b) Die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter der Halbbrücken werden nacheinander zusätzlich zu Schritt a) aktiviert und die Ausgangsspannung der jeweiligen Halbbrücke erfasst und mit einem zweiten Sollwert verglichen.
c) Die Pull-Up-Vorrichtungen werden eingeschaltet und die Ausgangsspannungen der Halbbrücken erfasst und mit dem zweiten Sollwert verglichen.
d) Die niederspannungsseitigen Halbleiterschalter der Halbbrücken werden nacheinander zusätzlich zu Schritt c) aktiviert und die jeweilige Ausgangsspannung der Halbbrücken erfasst und mit dem ersten Sollwert verglichen.

Entsprechen die erfassten Ausgangsspannungen jeweils dem ersten beziehungsweise zweiten Sollwert, so liegt kein Kurzschluss vor und die Leistungsendstufe kann in Betrieb genommen werden. Andernfalls wird bevorzugt eine Inbetriebnahme verweigert.
Vorzugsweise wird als erster Sollwert die Spannung der Masseleitung für den Vergleich verwendet. Als zweiter Sollwert wird vorzugsweise die Spannung in der Versorgungsleitung für die Erfassung beziehungsweise Bestimmung eines Kurzschlussstroms verwendet. Im Schritt a) wird erwartet, dass die Ausgangsspannungen jeweils der Massespannung entsprechen. Werden gemäß Schritt b) die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter zusätzlich aktiviert, wird erwartet, dass die jeweilige Ausgangsspannung der Versorgungsspannung entspricht, sofern keine Unterbrechung in einer der Versorgungsleitungen (open-load) oder in der Verbindung zur elektrischen Maschine vorliegt. In Schritt c) wird erwartet, dass die Ausgangsspannungen der Versorgungsspannung entsprechen und in Schritt d) der Spannung der Masseleitung, insbesondere sofern keine Unterbrechung in einer der Anschlussleitungen oder in der Verbindung zur elektrischen Maschine vorliegt (open-load).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Schritte a) bis d) jeweils durchgeführt werden, ausgehend von einer Ausgangssituation, bei welcher sämtliche Pull-Vorrichtungen und Halbleiterschalter deaktiviert sind. Vorzugsweise werden die Schritte a) und b) durchgeführt, während die Pull-Up-Vorrichtungen und die niederohmigen Halbleiterschalter deaktiviert sind. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schritte c) und d) durchgeführt werden, während die Pull-Down-Vorrichtungen und die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter deaktiviert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schritte a) und b) oder die Schritte c) und d) zuerst durchgeführt werden, so dass zuerst die Schritte a) und b) und anschließend die Schritte c) und d) oder zuerst die Schritte c) und d) und anschließend die Schritte a) und b) durchgeführt werden. Natürlich ist aber auch eine beliebige andere Reihenfolge der Schritte a) bis d) möglich, wobei für die Schritte b) und d) vorausgesetzt wird, dass gemäß der Schritte a) beziehungsweise b) zuvor die Pull-Down-Vorrichtungen beziehungsweise die Pull-Up-Vorrichtungen eingeschaltet/aktiviert wurden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
Figur eine vereinfachte Darstellung einer Leistungsendstufe.
Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Schaltbild einer Leistungsendstufe 1, die zum Antreiben einer elektrischen Maschine 2 ausgebildet ist. Hierzu weist die Leistungsendstufe 1 eine Brückenschaltung 3 auf, die vorliegend als H-Brückenschaltung ausgebildet ist und entsprechend zwei Halbbrücken 4 und 5 aufweist. Die Halbbrücken 4 und 5 sind zwischen einer Versorgungsleitung 6, die mit einer Energiequelle verbunden/verbindbar ist und somit eine Spannung Ubat aufweist, und einer Masseleitung 7 geschaltet. Jede der Halbbrücken 4 weist zwei Halbleiterschalter HS1 und LS1 beziehungsweise HS2 und LS2 auf, von denen jeweils einer als hochspannungsseitiger Halbleiterschalter HS1, HS2 und der andere als niederspannungsseitiger Halbleierschalter LS1, LS2 vorgesehen ist. Die Halbleiterschalter HS1, HS2, LS1, LS2 sind jeweils als MOSFET-Schaltelemente ausgebildet und mit einer Steuereinheit 8 verbunden, die die Halbleiterschalter HS1, HS2, LS1, LS2 zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 getaktet mittels Pulsweitenmodulation PWM und in Abhängigkeit einer Drehrichtungsvorgabe DIR ansteuert.
Die Steuereinheit 8 weist einen Mikroprozessor 9 sowie eine Brückenkontrollvorrichtung 10 auf, wobei die Brückenkontrollvorrichtung 10 die Halbleiterschalter HS1, HS2, LS1 und LS2 ansteuert und die entsprechenden Befehle dazu von dem Mikroprozessor 9 erhält.
Die Brückenkontrollvorrichtung 10 weist zwei Pull-Vorrichtungen 11 und 12 auf. Die Pull-Vorrichtungen 11 und 12 dienen zur Kurzschlussstromerkennung in dem Leistungsmodul 1. Die erste Pull-Vorrichtung 11 weist eine erste Pull-Up-Vorrichtung PU1 sowie eine erste Pull-Down-Vorrichtung PD1 auf, die in Reihe zueinander geschaltet sind und jeweils als schaltbarer Pull-Widerstand ausgebildet sind. Die zweite Pull-Vorrichtung 12 weist entsprechend eine zweite Pull-Up-Vorrichtung PU2 sowie eine zweite Pull-Down-Vorrichtung PD2 auf, die ebenfalls in Reihe geschaltet und als schaltbare Pull-Widerstände ausgebildet sind. Die Pull-Vorrichtungen 11 und 12 sind parallel zueinander und zwischen der Versorgungsleitung 6 und der Masseleitung 7 geschaltet. Jede der Pull-Vorrichtungen 11 und 12 weist darüber hinaus einen Sensoranschluss S1, S2 auf, der jeweils zwischen der entsprechenden Pull-Up-Vorrichtung PU1, PU2 und der entsprechenden Pull-Down-Vorrichtung PD1 und PD2 geschaltet und über eine Verbindungsleitung mit der Brückenschaltung 3 verbunden ist. Dabei ist der Sensoranschluss S1 mit der Halbbrücke 4, der Sensoranschluss 2 mit der Halbbrücke 5 verbunden, so dass an den Sensoranschlüssen S1 beziehungsweise S2 die Ausgangsspannungen der Halbbrücken 4 beziehungsweise 5 anliegen.
Zum Erfassen eines Kurzschlussstroms oder einer Unterbrechung einer der Versorgungsleitungen oder einer Verbindungsleitung zur elektrischen Maschine 2 (open-load-detection) wird nunmehr wie folgt vorgegangen:
Die Steuereinheit 8 steuert die Halbleiterschalter HS1, HS2, LS1, LS2 sowie die Pull-Vorrichtungen 11 und 12 derart an, dass die Ausgangsspannungen der Halbbrücken 4 und 5 mit vorgebbaren Soll-Werten verglichen werden, um einen Kurzschlussstrom zu bestimmen. Dazu werden vier unterschiedliche Zustände ausgehend von einem insgesamt deaktivierten Zustand eingestellt:

a) Zunächst werden die Pull-Down-Vorrichtungen PD1 und PD2 aktiviert, während die übrigen Elemente deaktiviert sind. Mittels der Sensoranschlüsse S1 und S2 werden die Ausgangsspannungen der Halbbrücken 4 und 5 erfasst und mit einem ersten Soll-Wert, der dem Potential GND auf der Masseleitung 7 entspricht, verglichen. Stimmen die Ausgangsspannungen mit dem ersten Soll-Wert überein, so liegt kein Kurzschluss vor. Weichen die Ausgangsspannungen von dem ersten Soll-Wert ab, wird ein Kurzschluss detektiert und die Leistungsendstufe 1 deaktiviert beziehungsweise eine Aktivierung unterbunden.
b) Zusätzlich werden nacheinander die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 und HS2 aktiviert und die dadurch resultierenden Ausgangsspannungen der Halbbrücken 4 und 5 mit einem zweiten Soll-Wert, der der Versorgungsspannung Ubat der Spannungsquelle entspricht, verglichen. Stimmen die Ausgangsspannungen nun mit der Spannung der Versorgungsleitung 6 überein, liegt kein Kurzschluss und auch keine Unterbrechung in einer der Anschlussleitungen oder der Verbindungsleitungen zur elektrischen Maschine 2 vor. Andernfalls wird die Leistungsendstufe 1 deaktiviert.
c) Als nächstes werden, ausgehend von einem insgesamt deaktivierten Zustand der Leistungsendstufe 1, wenn also alle Halbleiterschalter HS1, HS2, LS1, LS2 und Pull-Vorrichtungen 11 und 12 deaktiviert sind, die Pull-Up-Vorrichtungen PU1 und PU2 aktiviert und die Ausgangsspannungen der Halbbrücken 4 und 5 mit dem zweiten Soll-Wert Ubat verglichen. Liegt kein Kurzschluss vor, so entsprechen die Ausgangsspannungen dem Soll-Wert. Andernfalls wird die Leistungsendstufe 1 deaktiviert.
d) Anschließend werden zusätzlich nacheinander die Halbleiterschalter LS1 und LS2 aktiviert und die daraus resultierende Ausgangsspannung mit den Sensoranschlüssen S1 und S2 erfasst und mit dem ersten Soll-Wert GND verglichen. Entsprechen die Ausgangspannungen dem ersten Soll-Wert, so liegt kein Kurzschluss vor und auch keine Unterbrechung in den Anschlussleitungen oder den Verbindungsleitungen zur elektrischen Maschine 2. Die Leistungsendstufe 1 beziehungsweise die elektrische Maschine 2 können somit in Betrieb genommen werden. Andernfalls wird die Leistungsendstufe 1 deaktiviert.

Die Reihenfolge der oben genannten Schritte kann selbstverständlich auch verändert werden. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass die Kurzschlusserkennung auch bei unbestromter Leistungsendstufe 1 in Form einer Offline-Diagnose erfolgen kann. Die Pull-Up- und Pull-Down-Widerstände werden vorzugsweise hochohmig ausgebildet, so dass bei einem Kurzschluss ein möglichst niedriger Kurzschlussstrom in den Zuständen a) und c) fließt. Die Kurzschlusserkennung ist dann nicht mehr von einem Einschaltwiderstand der Halbleiterschalter abhängig. Darüber hinaus ist, wie bereits erwähnt, eine open-load-detection, also das Erfassen von Unterbrechungen in den Anschlussleitungen 6, 7 oder in der Verbindung zur elektrischen Maschine 2 möglich. Die Diagnosetiefe der Leistungsendstufe 1 wird signifikant erhöht und bietet mehr Möglichkeiten auf die gestiegenen Sicherheitsanforderungen moderner Steuergeräte beziehungsweise Leistungsendstufen zu reagieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005067380 A [0003]

Claims

Leistungsendstufe (1), insbesondere für ein Steuergerät einer elektrischen Maschine (2) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Steuereinheit (8) und mit wenigstens vier durch die Steuereinheit (8) einzeln ansteuerbaren Halbleiterschaltern (HS1, HS2, LS1, LS2), die zu einer Brückenschaltung (3) mit mindestens zwei Halbbrücken (4, 5) zum Betreiben der elektrischen Maschine (2) zusammengeschaltet und mit einer Versorgungsleitung (6) und einer Masseleitung (7) der Leistungsendstufe (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) eine steuerbare erste Pull-Up-Vorrichtung (PU1) und eine steuerbare erste Pull-Down-Vorrichtung (PD1) für eine erste der Halbbrücken (4) und eine steuerbare zweite Pull-Up-Vorrichtung (PU2) und eine steuerbare zweite Pull-Down-Vorrichtung (PD2) für eine zweite der Halbbrücken (5) aufweist, wobei die Steuereinheit (8) in einem Kurzschlusstestbetrieb die Halbleiterschalter (HS1, HS2, LS1, LS2), die Pull-Up-Vorrichtungen (PU1, PU2) und die Pull-Down-Vorrichtungen (PD1, PD2) zum Erfassen eines Kurzschlussstroms ansteuert.
Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (3) als H-Brücke, als B6-Brücke oder als 2H-Brücke ausgebildet ist.
Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pull-Up-Vorrichtungen (PD1, PD2) als Pull-Up-Widerstände, insbesondere hochohmig, und die Pull-Down-Vorrichtungen (PD1, PD2) als Pull-Down-Widerstände, insbesondere hochohmig, ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Leistungsendstufe (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten zum Erfassen eines Kurzschlussstroms: a) Die Pull-Down-Vorrichtungen (PD1, PD2) werden eingeschaltet und eine Ausgangsspannung der jeweiligen Halbbrücke (4, 5) erfasst und mit einem ersten Soll-Wert (GND) verglichen, b) die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS1, HS2) der Halbbrücken (3, 4) werden zusätzlich zu Schritt a) nacheinander aktiviert und die Ausgangsspannung der jeweiligen Halbbrücke (4, 5) erfasst und mit einem zweiten Soll-Wert (Ubat) verglichen, c) die Pull-Up-Vorrichtungen (PU1, PU2) werden eingeschaltet und die Ausgangsspannung der Halbbrücken (4, 5) erfasst und mit dem zweiten Soll-Wert (Ubat) verglichen, und d) die niederspannungsseitigen Halbleiterschalter (LS1, LS2) der Halbbrücken (4, 5) werden zusätzlich zu Schritt c) nacheinander eingeschaltet und die jeweilige Ausgangsspannung der Halbbrücken (4, 5) erfasst und mit dem ersten Soll-Wert (GND) verglichen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Soll-Wert (GND) die Spannung der Masseleitung (7) und als zweiter Soll-Wert (Ubat) die Spannung der Versorgungsleitung (6) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) durchgeführt werden, während die Pull-Up-Vorrichtungen (PU1, PU2) und die niederspannungsseitigen Halbleiterschalter (LS1, LS2) deaktiviert sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) durchgeführt werden, während die Pull-Down-Vorrichtungen (PD1, PD2) und die hochspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS1, HS2) deaktiviert sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) oder die Schritte c) und d) zuerst durchgeführt werden.