DE19749392B4

DE19749392B4 - Strommeßschaltung

Info

Publication number: DE19749392B4
Application number: DE19749392A
Authority: DE
Inventors: Ajit El Segundo Dubhashi; Chriostopher C. Redondo Beach Chey; Stefano Rolling Hills Clemente
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2017-11-08
Also published as: IT1296074B1; ITMI972487A1; GB2320762A; JPH10191683A; SG60147A1; FR2755766B1; DE19749392A1; JP3202672B2; GB2320762B; TW413733B; FR2755766A1; KR19980042226A; GB9723677D0; US5900714A; KR100276682B1

Abstract

Schaltung zur Messung des Ausgangsstromes einer Halbbrückenschaltung, die einen oberspannungsseitigen und einen unterspannungsseitigen Transistor mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, der einen Ausgangsanschluss bildet, aufweist, und eine oberspannungsseitige und eine mit Erde verbundene unterspannungsseitige Versorgungsleitung aufweist, mit einem Messelement, das mit seinem einen Anschluss mit dem Ausgangsanschluss der Halbbrückenschaltung verbunden ist und an seinem anderen Ende mit einer Last derart verbunden ist, dass eine längs des Messelements gemessene Messspannung proportional zu dem der Last zugeführten Strom ist, und mit einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines zu der Messspannung proportionalen Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Messelement ein in Reihe mit der Last geschalteter Nebenschlusswiderstand (R_shunt) ist, der eine auf den gemeinsamen Verbindungspunkt bezogene Messspannung (V_S) liefert,
dass die Auswerteschaltung eine Signalaufbereitungsschaltung (44; 62) einschließt, die eine Pegelschieberschaltung (46; 64, 66) steuert, die aus einer auf den gemeinsamen Verbindungspunkt bezogenen Versorgungsspannung (V_BS) gespeist wird und einen durch das Ausgangssignal der Signalaufbereitungsschaltung...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strommeßschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, und insbesondere auf eine Strommeßschaltung zur Messung des Stromes in einem Motor-Steuergerät, einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung oder in irgendeinem System, das eine Halbbrückenschaltung verwendet.

Nebenschlußwiderstände werden in weitem Umfang als wenig aufwendige Schaltungselemente zur Messung des durch ein Gerät oder ein Bauteil fließenden Stromes verwendet. Der Nebenschlußwiderstand wird in Serie mit dem Gerät oder Bauteil geschaltet, dessen Strom gemessen werden soll. Damit ist der Spannungsabfall längs des Nebenschlußwiderstandes proportional zu dem durch den Nebenschlußwiderstand und das Gerät oder Bauteil fließenden Strom.

Beispielsweise ist in der Beschreibungseinleitung der Patentschrift DE 29 39 51 C2 eine derartige Schaltung zum Messen von Strömen bekannt, die zum Beispiel einen im Diagonalkreis eines Gleichstromstellers in Brückenschaltung liegenden Gleichstrommotor durchfließen, wobei ein Shunt in Reihe zum Motor im Diagonalkreis vorgesehen ist, dessen Spannungsabfall von einem Differenzverstärker gemessen wird. In diesem Zusammenhang ist jedoch weiterhin ausgeführt, daß aus Gründen einer nur begrenzt zulässigen Verlustleistung im Shunt, dessen Spannungsabfall als Nutzsignal auf etwa ein Volt begrenzt bleiben muß, und daß die den Gleichstromsteller speisende Spannung meist einige 100 Volt beträgt, weshalb der Differenzverstärker, um brauchbare Meßergebnisse erzielen zu können, eine extrem hohe Gleichtaktunterdrückung aufweisen muß, die mit vertretbarem Aufwand in den meisten praktischen Fällen nicht möglich ist.

Aus dem US-Patent 5 378 998 ist eine Schaltung zur Messung des Stromflusses in einer einen Widerstand aufweisenden Leitung bekannt, wobei die Schaltung zwei Transistoren umfaßt, deren Emitter auf gegenüberliegenden Seiten des Widerstandes mit der Leitung verbunden sind, und deren Kollektoren über entsprechende Widerstände mit einer Leitung mit Null-Potential verbunden sind. Die Basisanschlüsse der Transistoren sind miteinander verbunden, so daß ein Transistor den Stromfluß durch den zweiten Transistor steuert. Die Spannung entlang des mit dem zweiten Transistor verbundenen Widerstands stellt ein Maß für den Stromfluß in der Leitung dar.

Aus der Offenlegungsschrift DE 37 12 185 A1 ist weiterhin eine Laststromerfassungseinrichtung für Stromrichter mit Pulsdauermodulation bekannt. Ein PWM-Stromrichter weist mehrere Arme parallel zu einer Gleichspannungsquelle auf. Jeder Arm ist von einem oberen Arm und einem unteren Arm gebildet, die jeweils ein Schaltelement aufweisen. Den Schaltelementen jeweils des oberen Arms und des unteren Arms werden kontinuierlich und abwechselnd Schaltsteuersignale zugeführt. Jeweilige Nebenschlußwiderstände sind zwischen einem Minusanschluß der Gleichspannungsquelle und den Schaltelementen der unteren Arme eingeschaltet. Der PWM-Stromrichter weist außerdem eine Strom-Sollschwingungsformgeneratorschaltung, die Führungswerte für die zur Einspeisung in eine Last gewünschten Stromsignalformen erzeugt, einen Trägerschwingungsgenerator und Abtast- und Halteschaltungen auf. Jede der Abtast- und Halteschaltungen tastet eine an dem jeweiligen Nebenschlußwiderstand abfallende Spannung synchron mit der Periode der von dem Trägerschwingungsgenerator erzeugten Trägerschwingung an einem bestimmten Zeitpunkt während der Zeitdauer, während der das zugeordnete Schaltelement leitend ist, ab und hält diese Spannung.

Auch 1 zeigt eine typische bekannte Schaltung, die einen Nebenschlußwiderstand zur Messung des Stromes durch einen Motor verwendet, der durch ein Dreiphasen-Motorsteuergerät angesteuert wird. Der Gesamtstrom der Dreiphasenströme i_a, i_b und i_c wird durch Messen der Spannung längs eines gemeinsamen Nebenschlußwiderstandes R gemessen. Dieser einzige Spannungspegel wird dann unter Verwendung mathematischer Techniken in dem Mikroprozessor 10 unter Verwendung von Informationen darüber, wann jeder Schalter in dem Motor-Steuergerät eingeschaltet ist, in die drei Motorströme i_a, i_b und i_c "zerlegt".

Der Nachteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Messung des Laststromes besteht darin, daß es unter bestimmten Last- und Drehzahlbedingungen versagt und daher kein robustes Verfahren ist.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Laststromes besteht in der Verwendung von Hall-Effekt-Bauteilen zur Messung des Stromflusses in jeder Phase, wie dies in 2 gezeigt ist. Bei diesem Verfahren mißt jedes der Hall-Effekt-Bauteile 20, 22 und 24 den durch den Motorstrom in seiner jeweiligen Phase hervorgerufenen Fluß. Der Nachteil der Verwendung von Hall-Effekt-Bauteilen besteht darin, daß derartige Bauteile aufwendig sind.

Ein weiteres Schema, das zur Messung des Laststromes in einer Motorsteuerschaltung angewandt werden kann (und in 3 für eine von drei Phasen gezeigt ist), besteht darin, einen Widerstand 30 in Serie zwischen dem unterspannungsseitigen Schalter und Erde einzufügen. Die Spannung längs des Widerstandes 30 wird gemessen, und es wird eine Abtast-/Halteschaltung (S/H-Schaltung) 32 zur Rekonstruktion der Schwingungsform verwendet.

Die Nachteile des in 3 gezeigten Schemas sind wie folgt:

1. Der Widerstand 30 weist eine Eigeninduktivität 34 auf (die in Serie mit dem Widerstand gezeigt ist), die eine große Spannungsspitze bei jedem Einschalt- und Abschaltzeitpunkt der Schwingungsform hervorruft (3A). Die Amplitude dieser Spannungsspitze kann bis zu dem 100-fachen des Signalwertes reichen.
2. Die Schwingungsform ist von Natur aus "zerhackt".
3. Die durch die Induktivität 34 des Widerstandes 30 hervorgerufene Spannungsspitze kann den Treiber 36 zerstören, wenn ein Kurzschluß an dem oberspannungsseitigen Schalter auftritt.
4. Obwohl die vorstehenden Probleme unter Verwendung eines Widerstandes R mit einer geringen Eigeninduktivität zu einem Minimum gemacht werden können, sind derartige Widerstände sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strommeßschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehenden Probleme beseitigt und eine Strommessung mit wenig aufwendigen Elementen in zuverlässigerer Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Strommeßschaltung geschaffen, die einen Nebenschlußwiderstand verwendet, wobei die Nachteile vermieden werden, die bei den bekannten Schaltungen auftreten, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt und vorstehend beschrieben wurden.

Um die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, wird erfindungsgemäß eine Strommeßschaltung geschaffen, die einen Nebenschlußwiderstand einschließt, der an seinem einen Ende mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt einer Halbbrückenschaltung aus einem oberspannungsseitigen und einem unterspannungsseitigen Transistor gekoppelt ist, während das andere Ende des Widerstandes mit einer Last verbunden ist, so daß die gemessene Spannung längs des Nebenschlußwiderstandes proportional zu dem der Last zugeführten Strom ist, und die Strommeßschaltung schließt weiterhin eine Pegelschieberschaltung ein, die so ausgebildet ist, daß sie einen Bezugspunkt der gemessenen Spannung auf einen Knoten mit niedrigerem Potential in der Schaltung umsetzt, so daß aus der gemessenen Spannung eine Rückführungsspannung erzeugt wird, die zur Steuerung des Umschaltens der Halbbrücken-Transistoren verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine bekannte Strommeßschaltung unter Verwendung eines einzigen Nebenschlußwiderstandes zur Messung des Stromes, der durch einen von einem Dreiphasen-Motorsteuergerät angesteuerten Motor fließt,
2 eine alternative bekannte Strommeßschaltung zur Messung des Motorstromes unter Verwendung von Hall-Effekt-Bauteilen,
3 eine dritte bekannte Strommeßschaltung zur Messung des durch einen Motor fließenden Stromes,
3A die Schwingungsform einer in der Schaltung nach 3 gemessenen Spannung,
4 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strommeßschaltung,
5 eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strommeßschaltung, die eine interne Torsteuerung einschließt, um einen unerwünschten Leistungsverbrauch zu verhindern, wenn der unterspannungsseitige Schalter des Motor-Steuergerätes abgeschaltet ist,
6 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine digitale gerätemäßige Ausführung der Strommeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. Wie dies in dieser Figur gezeigt ist, ist ein Nebenschlußwiderstand R_shunt zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt von oberspannungs- und unterspannungsseitigen Transistoren in einer Halbbrückenschaltung und der Last, wie z.B. einem Motor oder dergleichen eingeschaltet. Längs des Widerstandes R_shunt entsteht ein Spannungsabfall V_S, der den durch die Last (beispielsweise eine Phase einer Motorwicklung) fließenden Strom darstellt.
Die Spannung V_S ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht "zerhackt" sondern erheblich gleichförmiger (obwohl möglicher weise störbehaftet), weil der Nebenschluß direkt in Serie mit der Last angeschaltet ist und daher den Strom von beiden Schaltern führt. Die Spannung V_S ist jedoch auf den Verbindungspunkt zwischen den oberspannungs- und unterspannungsseitigen Schaltern bezogen. Dieser Verbindungspunkt ist weiterhin der Bezugspunkt einer oberspannungsseitigen (oder Hochspannungs-) Versorgungsleitung, die zur Lieferung einer ausreichend hohen Spannung verwendet wird, um den oberspannungsseitigen Transistor einzuschalten.
Damit eine (nicht gezeigte) Steuerschaltung die gemessene Spannung V_S zur Steuerung des Umschaltens der Schalter verwenden kann, muß die Spannung V_S auf Erdpotential bezogen werden.
Die Spannung längs des Widerstandes R_shunt wird mit Hilfe einer integrierten Schaltung (IC) 42, die eine Signalaufbereitungsschaltung, Hochspannungspegelschieberschaltungen und Signalverarbeitungsschaltungen einschließt, in ein Strommeßsignal umgewandelt. Im einzelnen wird die Spannung längs R_shunt zunächst einem Signalaufbereitungsblock 44 der integrierten Schaltung 42 zugeführt, der das Signal durch Filtern, Klemmen und Hinzufügen einer Versetzungsspannung zu dem Signal aufbereitet.
Das aufbereitete Signal wird einer Analog-Hochspannungs-Pegelschieberschaltung 46 zugeführt, die aus einem einen Feldeffekttransistor FET ansteuernden Vergleicher besteht (wobei der Strom von einem Bootstrap-Kondensator C_BS) geliefert wird, und zwar in der in 4 gezeigten Schaltung.
Wie dies für den Fachmann ersichtlich ist, erzeugt die Analog-Hochspannungs-Pegelschieberschaltung 46 einen gesteuerten Strom I_fb durch einen Widerstand R_p, um eine Spannung zu erzeugen, die proportional zu dem aufbereiteten Signal V_S ist. Der gesteuerte Strom I_fb fließt dann in Serie durch einen Widerstand R mit einem stabilen Wert, um eine Spannung V_fb zu erzeugen, die in einem Verarbeitungsblock 48 nachverarbeitet wird, um ein Signal mit vorgegebenen Parametern zu erzeugen (beispielsweise mit einer Mittenspannung von 2,5 Volt, usw.). Das resultierende Signal, das den in den Motor fließenden Strom darstellt, wird dann von der integrierten Schaltung 42 als Ausgangssignal abgegeben.
Ein Nachteil der in 4 gezeigten und vorstehend beschriebenen Schaltung besteht darin, daß irgendein erheblicher Strom durch den Pegelschieber 46 eine übermäßige Verlustleistung in der integrierten Schaltung 42 hervorruft. Dies kann dadurch vermieden werden, daß R_p außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet wird. Ein weiterer Nachteil der in 4 gezeigten Schaltung besteht darin, daß der Bootstrap-Kondensator C_BS, der den Strom I_fb liefert, sehr schnell entladen werden kann, wenn der Strom erheblich ist.
Die in 5 gezeigte abgeänderte Ausführungsform der Schaltung vermeidet die vorstehend genannten Probleme. Die Schaltung nach 5 ist ähnlich der Schaltung nach 4, jedoch mit Ausnahme der Hinzufügung der WHEN-(WANN-) Schaltung 50 und einer Abtast- und Halte-(S/H-) oder nicht-WHEN-Schaltung 52. Die WHEN-Schaltung 50 (die in einer einer Vielzahl von Möglichkeiten gerätemäßig ausgeführt werden kann, wie dies für den Fachmann im Hinblick auf die vorliegende Beschreibung ersichtlich ist), ermöglicht das Fließen von I_fb lediglich dann, wenn der unterspannungsseitige Transistor 54 der Motorsteuerschaltung eingeschaltet ist. (Der Zustand des unterspannungsseitigen Transistors 54 (ein oder aus) kann leicht in üblicher Weise festgestellt werden).
Die S/H- oder nicht-WHEN-Schaltung 52 tastet den Spannungspegel längs des Widerstandes R ab und hält diesen Pegel während der Zeit fest, während der der unterspannungsseitige Schalter abgeschaltet ist, um sicherzustellen, daß eine gleichförmige Rückführungsspannung beispielsweise der Nachverarbeitungsschaltung 48 zugeführt wird.
Durch Unterbrechen des Fließens des Stromes I_fb bei abgeschaltetem unterspannungsseitigem Transistorschalter 54 wird die Verlustleistung in dem Widerstand R_p zu einem Minimum gemacht, und die Ladung des Bootstrap-Kondensators C_BS wird aufrechterhalten.
6 zeigt die Schaltung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen eine digitale gerätemäßige Ausführung der ersten Ausführungsform ist. Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Spannungsabfall V_S, der längs eines Widerstandes R_shunt erzeugt wird, zur Messung des Stromes verwendet, der über eine Hochspannungs-Versorgungsleitung in einer Matorsteuerschaltung zu einem Motor fließt.
Die negative hohe Spannung längs R_shunt wird durch eine integrierte Schaltung (IC) 60 in ein Strommeßsignal umgewandelt, wobei die integrierte Schaltung einen Signalaufbereitungsblock 62, einen Spannungs-/Zeit-Wandlerblock 64, einen Abwärtspegelschieberblock 66, einen Empfangsblock 68 und einen Zeit-/Spannungs-Rekonstruktionsblock 70 einschließt. Im einzelnen wird bei der Schaltung nach der zweiten Ausführungsform die Spannung längs R_shunt zunächst dem Signalaufbereitungsblock 62 der integrierten Schaltung 60 zugeführt, und zwar in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform.
Das aufbereitete Signal wird einem Spannungs-/Zeit-Wandlerblock 64 zugeführt, der das aufbereitete, eine hohe Spannung aufweisende Signal in eine Serie von digitalen Impulsen umwandelt, die die Amplitude des Spannungssignals darstellen (beispielsweise durch Ändern der Impulsfrequenz oder der Impulsbreite entsprechend der Spannungsamplitude). Die von dem Block 64 erzeugten Impulse werden dem Abwärtspegelschieberblock 66 zugeführt, der die Impulse von einem auf V_S bezogenen schwimmenden. Signal auf ein auf Erde bezogenes Signal umwandelt und die umgewandelten Impulse dem Empfangs- (Puffer-) Block 68 zuführt. Die digitalen Impulse werden dann einem Zeit-/Spannungs-Rekonstruktionsblock 70 zugeführt, der das Analogsignal rekontruiert, das den zu dem Motor fließenden Strom darstellt.

Claims

Schaltung zur Messung des Ausgangsstromes einer Halbbrückenschaltung, die einen oberspannungsseitigen und einen unterspannungsseitigen Transistor mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, der einen Ausgangsanschluss bildet, aufweist, und eine oberspannungsseitige und eine mit Erde verbundene unterspannungsseitige Versorgungsleitung aufweist, mit einem Messelement, das mit seinem einen Anschluss mit dem Ausgangsanschluss der Halbbrückenschaltung verbunden ist und an seinem anderen Ende mit einer Last derart verbunden ist, dass eine längs des Messelements gemessene Messspannung proportional zu dem der Last zugeführten Strom ist, und mit einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines zu der Messspannung proportionalen Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement ein in Reihe mit der Last geschalteter Nebenschlusswiderstand (R_shunt) ist, der eine auf den gemeinsamen Verbindungspunkt bezogene Messspannung (V_S) liefert, dass die Auswerteschaltung eine Signalaufbereitungsschaltung (44; 62) einschließt, die eine Pegelschieberschaltung (46; 64, 66) steuert, die aus einer auf den gemeinsamen Verbindungspunkt bezogenen Versorgungsspannung (V_BS) gespeist wird und einen durch das Ausgangssignal der Signalaufbereitungsschaltung (44; 62) gesteuerten Strom (I_fb) liefert, und dass die Auswerteschaltung eine mit der unterspannungsseitigen Versorgungsleitung verbundene Verarbeitungsschaltung (R; 48; 68, 70) einschließt, durch die der gesteuerte Strom (I_fb) der Pegelschieberschaltung (46; 64, 66) fließt und die diesen in ein zu der Messspannung (V_S) proportionales Ausgangssignal (V_fb) umwandelt.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung (R, 48) ein Widerstandselement (R) umfasst, das einen ersten Anschluss, der mit der mit Erde verbundenen unterspannungsseitigen Versorgungsleitung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, dem der gesteuerte Strom (I_fb) der Pegelschieberschaltung (46) zugeführt wird.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachverarbeitungsschaltung (48) zur Umwandlung des Ausgangssignals (V_fb) in eine Spannung vorgesehen ist, die einen vorgegebenen Mittelwert aufweist.
Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtast- und Halteschaltung (50, 52) vorgesehen ist, die das Fließen des gesteuerten Stromes (I_fb) der Pegelschieberschaltung (46; 64, 66) lediglich bei eingeschaltetem unterspannungsseitigen Transistor ermöglicht und einen Ausgangsspegel erzeugt, der im wesentlichen gleich der abgetasteten Ausgangsspannung (V_fb) bei abgeschaltetem unterspannungsseitigen Transistor ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelschieberschaltung (64, 66) eine Spannungs-/Zeit-Wandlerschaltung (64) aufweist, die die Messspannung empfängt und ein Zwischensignal erzeugt, das aus einer Serie von Impulsen besteht, die die Amplitude der Messspannung darstellen.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse des Zwischensignals eine veränderliche Frequenz und/oder eine veränderliche Impulsbreite aufweisen.
Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung (68, 70) eine Zeit-/Spannungs-Wandlerschaltung (70) einschließt, die die Serie von Impulsen in eine Analogversion der Meßspannung zur Erzeugung der Ausgangsspannung (V_fb) umwandelt.