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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, also zum Betreiben einer elektrischen
Last und umfassend:
- – ein ansteuerbares
Schaltelement zum wahlweisen Verbinden eines Betriebspotentials
mit einem Anschluss der Last,
- – eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Schaltelements,
- – einen in Reihenschaltung mit dem Schaltelement angeordneten
Strommesswiderstand zur Messung eines Laststromes durch Erfassung
einer am Strommesswiderstand abfallenden Messspannung mittels eines
Messverstärkers, dessen Eingänge mit den beiden
Anschlüssen des Strommesswiderstands verbunden sind.
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Eine
derartige Schaltungsanordnung ist z. B. aus der
DE 10 2005 029 813 A1 bekannt
und kann beispielsweise zum Ansteuern eines elektrischen Antriebs
verwendet werden.
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Eine
Besonderheit der bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, dass
eine Spannungsversorgung des Messverstärkers so ausgelegt ist,
dass diese auf ein an einem der Eingänge des Messverstärkers
anliegendes Potential bezogen ist. Diese "schwebende Spannungsversorgung"
verbessert insbesondere für ein stark variierendes Potential am
Strommesswiderstand die Messgenauigkeit erheblich.
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Nachteilig
ist bei der bekannten Schaltungsanordnung der schaltungstechnische
Aufwand zur Realisierung dieser schwebenden Spannungsversorgung
für den Messverstärker. Bei der bekannten Schaltungsanordnung
werden hierfür ein bis zwei eigens zu diesem Zweck vorgesehene
Hilfsspannungsquellen (im Wesentlichen bestehend aus Ladungspumpen)
benötigt.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu vereinfachen, ohne
hierbei die Genauigkeit der Messung des Laststromes zu beeinträchtigen.
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Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schaltungsanordnung
ferner eine Spannungsversorgung aufweist, die eine auf ein an einem
der Eingänge des Messverstärkers anliegendes Potential
bezogene Versorgungsspannung für die Ansteuerschaltung
bereitstellt, und dass diese Versorgungsspannung außerdem
für die Spannungsversorgung des Messverstärkers
genutzt wird.
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Bei
der Erfindung wird also vorteilhaft eine Versorgungsspannung für
die Ansteuerschaltung gleichzeitig auch für die Spannungsversorgung
des Messverstärkers mitgenutzt. Damit ergibt sich in der Praxis
eine beträchtliche Kostenreduzierung auf Grund einer "Doppelnutzung"
von Spannungsversorgungskomponenten.
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Die
Erfindung ist insbesondere z. B. für Leistungsendstufen
geeignet, wie etwa für einen Umrichter zum Betreiben eines
elektrischen Antriebs. Ein im Rahmen der Erfindung besonders interessantes
Anwendungsgebiet ist die Ansteuerung eines elektrischen Antriebs
in einem Fahrzeug (z. B. bei einem Elektroauto oder einem so genannten
Hybridfahrzeug). Insbesondere in diesen Anwendungsfällen kann
das Potential am Messwiderstand betriebsmäßig
stark variieren, was den Einsatz der bei der Erfindung vorgesehenen
schwebenden Versorgungsspannung für den Messverstärker
besonders sinnvoll macht.
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Bei
dem ansteuerbaren Schaltelement handelt es sich bevorzugt um einen
Leistungshalbleiter (z. B. Transistor, insbesondere FET).
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Es
ist denkbar, die auf ein an einem der Eingänge des Messverstärkers
anliegendes Potential bezogene Versorgungsspannung für
die Ansteuerschaltung direkt als Versorgungsspannung auch für den
Messverstärker zu nutzen. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Versorgungsspannung für die Ansteuerschaltung
jedoch indirekt für die Spannungsversorgung des Messverstärkers
genutzt.
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Von
diesem Fall der "indirekten Nutzung" der Versorgungsspannung soll
insbesondere der Fall umfasst sein, in welchem die Versorgungsspannung (vor
der Mitnutzung für den Messverstärker) einer Filterung
(z. B. mittels Kondensator, Drossel etc.) und/oder einer Spannungswandlung
unterzogen wird. Beispielsweise kann die genannte Versorgungsspannung
als Versorgungsspannung für einen Spannungsteiler oder
Spannungsregler (z. B. integrierter Baustein) verwendet werden,
der wiederum die Versorgungsspannung für den Messverstärker bereitstellt.
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Zusammenfassend
wird mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eine "integrierte
Lösung" für die Bereitstellung einer schwebenden
Versorgungsspannung für den Messverstärker geschaffen.
Dabei wird eine zur Versorgung der Ansteuerschaltung ohnehin generierte
Versorgungsspannung für die Spannungsversorgung des Messverstärkers
mitgenutzt. Trotz einer somit vereinfachten Versorgung kann die Messgenauigkeit
der Laststrommessung aufrechterhalten werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben.
Es stellt dar:
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1 ein
teilweise schematisiertes Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum
Betreiben eines Elektromotors.
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1 zeigt
Komponenten einer Endstufe 10 zum Betreiben eines dreiphasigen
Wechselstrom-Elektromotors EM, von welchem in der Figur drei in
Sternschaltung angeordnete Erregerwicklungen L1, L2 und L3 dargestellt
sind.
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Die
darüber hinaus in 1 noch dargestellten
Komponenten dienen zum wahlweisen Beaufschlagen eines Anschlusses
der Wicklung L1 mit einem ersten Phasenpotential Vphase (und zur
Laststrommessung).
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Zur
Beaufschlagung der entsprechenden Anschlüsse der weiteren
Wicklungen L2 und L3 sind entsprechende Komponenten vorgesehen,
die jeweils identisch mit dem in der Figur dargestellten Schaltungsteil
ausgebildet sind. Es erübrigt sich daher eine separate
Beschreibung dieser für die Wicklungen L2 und L3 vorgesehenen
Komponenten.
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Zur
Bestromung der Motorwicklungen L1 bis L3 ist eine Hauptspannungsquelle
(hier z. B. eine Fahrbatterie eines Hybridfahrzeugs) vorgesehen, welche
die Hauptversorgungspotentiale Vbat+ und Vbat– liefert.
Für eine Fahrbatterie eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs
beträgt die Differenz dieser Potentiale (= Batteriespannung)
typischerweise mehr als 100 V.
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Zwischen
diesen Potentialen Vbat+ und Vbat– sind zwei Schalttransistoren
S1 und S1' in Reihenschaltung angeordnet (so ge nannte Halbbrücke), die
im Betrieb des Elektromotors EM wechselweise eingeschaltet werden.
Damit kann der vorstehend genannte (Phasen)anschluss der Wicklung
L1 wechselweise mit den Potentialen Vbat+ und Vbat– verbunden
werden. Der Phasenanschluss ist hierfür über einen
Strommesswiderstand ("Shunt") Rs mit einem Ausgangsknoten K0 verbunden, über
welchen die beiden Schalttransistoren S1 und S1' miteinander verbunden
sind.
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Der
Schalttransistor S1 wird wie dargestellt durch eine erste Ansteuerschaltung 12 angesteuert, wohingegen
der Schalttransistor S1' durch eine zweite Ansteuerschaltung 14 angesteuert
wird. Entsprechend der Anzahl von 3 Motorwicklungen weist das Gesamtsystem
zur Ansteuerung des Motors EM tatsächlich insgesamt 3 × 2
= 6 Schalttransistoren und 6 Ansteuerschaltungen auf.
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Der
in Reihenschaltung mit jedem der Schalttransistoren S1 und S1' angeordnete
Strommesswiderstand Rs dient zur Messung eines von dem Ausgangsknoten
K0 zur Wicklung L1 (oder umgekehrt) fließenden Laststromes
durch Erfassung einer am Widerstand Rs abfallenden Messspannung Vin
mittels eines Messverstärkers 16.
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Der
Messverstärker 16 ist als voll-differenzieller
Differenzverstärker ausgebildet (z. B. Operationsverstärker
mit externer Beschaltung (Gegenkopplung)) und besitzt demnach einen
nicht-invertierenden Verstärkereingang und einen invertierenden
Verstärkereingang, zwischen denen die Messspannung Vin
anliegt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Messverstärker 16 ausgangsseitig
noch ein voll-differenzieller Analog/Digital-Wandler 18 nachgeschaltet, dem
ein Ausgangssignal Vout des Verstärkers 16 zugeführt
wird und dem wiederum ein "Isolationsbaustein" 20 nachgeschaltet
ist, welcher das durch eine differenzielle Spannung definierte (digitale)
Ausgangssignal Dout des Wandlers 18 in ein auf ein festes
Bezugspotential bezogenes (digitales) Signal Dout' wandelt.
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Im
Betrieb des Elektromotors EM variiert das am Ausgangsknoten K0 der
Halbbrücke herrschende Potential Vphase sehr stark (zwischen
Vbat+ und Vbat–). Dieses Potential Vphase liegt auch an
den beiden Anschlüssen des Strommesswiderstands Rs an (Der
Unterschied der beiden Potentiale an den beiden Anschlüssen
des Widerstands Rs (= Messspannung) ist in der Praxis gegenüber
der Variation des Potentials Vphase vernachlässigbar).
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Damit
durch die große Variation des Potentials Vphase die Messung
des Spannungsabfalls Vin am Widerstand Rs nicht verfälscht
wird, ist eine "schwebende Spannungsversorgung" des Verstärkers 16 vorgesehen.
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Hierfür
wird dem Verstärker 16 eine Versorgungsspannung
V2 zugeführt, die auf das am invertierenden Eingang des
Verstärkers 16 bzw. einem Schaltungsknoten K1
anliegende Potential "0" bezogen ist.
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Das
hier mit "0" bezeichnete Potential bildet gewissermaßen
einen "schwebenden Bezugspunkt" für die Versorgungen der
zur Laststrommessung vorgesehenen Komponenten 16, 18 und 20.
Im Betrieb variiert dieses Bezugspotential zwischen den Potentialen
Vbat+ und Vbat–.
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Die
Vorteile der schwebenden Versorgungsspannung sind in der eingangs
erwähnten
DE
10 2005 029 813 A1 ausführlich be schrieben und
bedürfen daher an dieser Stelle keiner Erläuterung.
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Die
wesentliche Besonderheit der Endstufe 10 besteht in der
Art und Weise der Bereitstellung der Versorgungsspannung V2. Die
Spannung V2 wird durch einen Spannungswandler 22 erzeugt,
der wiederum durch eine Versorgungsspannung V1 versorgt wird, die
ebenfalls "schwebt" bzw. mit dem Ausgangsknotenpotential Vphase
mitgeführt wird. Die Versorgungsspannung V1 wird durch
eine potentialfreie Spannungsquelle 24 erzeugt, deren bezugsseitiger
Ausgangsanschluss wie dargestellt über eine Zenerdiode
Z1 mit dem Ausgangsknoten K0 verbunden ist, so dass die erzeugte
Spannung V1 auf das Potential Vphase bezogen ist (bzw. näherungsweise auf
das Bezugspotential "0" bezogen ist, da sich letzteres nur um die
relativ kleine Messspannung Vin von dem Potential Vphase unterscheidet).
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Der
wesentliche Vorteil der dargestellten Endstufe 10 besteht
darin, dass die Spannungsquelle 24, die zur Erzeugung der
Versorgungsspannung V1 für die erste Ansteuerschaltung 12 ohnehin
erforderlich ist, gleichzeitig auch (indirekt) für die
Spannungsversorgung des Messverstärkers 16 genutzt wird.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel könnte
hierfür dem Verstärker 16 unmittelbar
die Versorgungsspannung V1 zugeführt werden. Bevorzugt
wird die Spannung V1 jedoch wie dargestellt als Versorgungsspannung
für einen Spannungswandler 22 herangezogen, der
ausgangsseitig die Versorgungsspannung V2 für den Verstärker 16 liefert.
Vorteilhaft ist zur Spannungsversorgung des Verstärkers 16 somit
keine eigens hierfür vorgesehene Hilfsspannungsquelle erforderlich.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die primär
für die Ansteuerschaltung 12 erzeugte Versorgungsspannung
V1 des weiteren einem zweiten Spannungswandler 26 zugeführt,
der daraus eine Spannung V3 erzeugt, die an einem Bezugspotentialeingang
des Verstärkers 16 angelegt wird.
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Außerdem
wir die Spannung V1 einem dritten Spannungswandler 28 zugeführt,
der daraus eine Spannung V4 erzeugt, die zur Versorgung des Analog/Digital-Wandlers 18 herangezogen
wird.
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Der
nachgeschaltete Isolationsbaustein 20 wird mit der Spannung
V2 versorgt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die beschriebenen
Spannungen folgende Werte: V1 = 20 V, V2 = 5 V, V3 = 2,5 V, V4 =
5 V. Eine zur Versorgung der zweiten Ansteuerschaltung 14 verwendete
Spannung V1' wird wie dargestellt durch eine Spannungsquelle 30 erzeugt,
deren bezugsseitiger Ausgang über eine weitere Zenerdiode
Z1' mit dem Potential Vbat– verbunden ist. V1' besitzt
einen Wert von 20 V. Die Zenerspannungen betragen jeweils etwa 5
V. Selbstverständlich sind die vorstehend genannten Spannungswerte
lediglich beispielhaft zu verstehen und können entsprechend
der konkreten Anwendung auch anders vorgesehen sein.
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Jeder
der Spannungswandler 22, 26 und 28 kann
z. B. durch einen herkömmlichen Spannungswandlerbaustein
implementiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens
einer der Spannungswandler auch als einfacher Spannungsteiler realisiert werden.
Letzteres ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
z. B. insbesondere für die Realisierung des Spannungswandlers 26 interessant.
In diesem Fall kann der Wandler z. B. aus einer mit V1 beaufschlagten
Reihenschaltung von zwei Widerständen bestehen, an deren
Mittelabgriff die Spannung V3 bereitgestellt wird.
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Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der
Spannungswandler 26 anstatt mit V1 auch mit V2 versorgt
werden.
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Da
im vorliegenden Ausführungsbeispiel V2 = V4 gilt, könnten
die Spannungswandler 22 und 28 auch zu einer Einheit
zusammengefasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005029813
A1 [0002, 0028]