DE20004909U1

DE20004909U1 - Leistungsmodul

Info

Publication number: DE20004909U1
Application number: DE20004909U
Authority: DE
Original assignee: Danfoss Fluid Power AS
Current assignee: Danfoss Power Solutions Holding ApS
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2010-03-18

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH**'

DR.-ING. ANDREAS KNOBLAUCH _{60322 FR AN KFU} rt / &mgr; _a. &ngr; 17. März 2000

PATENTANWÄLTE . Schlosserstrasse 23

TELEFON: (0 69) 9 56 20 30 TELEFAX: (069) 563002

UST-ID/VAT: DE 112012149

DA124 0 GM

DANFOSS FLUID POWER A/S DK-643 0 NORDBORG

Leistuncrsmodul

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem Leistungsteil, wenigstens einem Stromfühler und einer digitalen Steuervorrichtung, die entweder innerhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist oder außerhalb des Leistungsmoduls angeordnet und über Anschlüsse am Leistungsmodul mit dem Leistungsmodul verbindbar ist.

Bei einem derartigen Leistungsmodul ist der Leistungsteil durch die Steuervorrichtung zur Regelung der Spannung, der Leistung oder Frequenz (Drehzahl) eines Gleichstrom- oder Wechselstromverbrauchers, zumeist eines Motors, in Abhängigkeit von dem gemessenen Verbraucherstrom steuerbar. Das Leistungsmodul ist zumeist eine hochintegrierte Schaltungsanordnung und wird auch als "intelligentes" Leistungsmodul, Intelligent Power Module (IPM), bezeichnet. In einem solchen Leistungsmodul können Verbraucherströme von bis zu 1000 A auftreten. Dementsprechend treten hohe Wärmeverluste auf. Um die Verlustwärme abzuleiten, werden die Bauteile des 0 Leistungsteils (der Endstufe) des Leistungsmoduls auf

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einem gut leitenden Substrat, zumeist einer Kupferplatte, elektrisch isoliert aufgebracht. Ein bekanntes Verfahren ist das Direct Copper Bondung (DCB), bei dem Leiterbahnen und·Leistungsschaltelemente, wie IGBTs und MOSFETs, unter Zwischenschaltung einer dünnen elektrischen Isolationsschicht aus wärmeleitender Keramik auf der Kupferplatte aufgebracht werden, die zur Wärmeableitung dient.

Um den Strom möglichst verlustfrei zu messen, wird der Spannungsabfall an dem ohmschen Eigenwiderstand einer Meßstrecke (eines Abschnitts) einer Versorgungsleitung gemessen. Dieser Eigenwiderstand ist jedoch auch bei genau bemessener Länge der Meßstrecke nicht immer konstant. So kann er in Abhängigkeit von der Temperatur und Herstellungstoleranzen des Querschnitts der Meßstrecke unterschiedlich sein. Die Folge sind Meßfehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Meßfehler aufgrund von Temperaturschwankungen und Maßtoleranzen einer Meßstrecke einer Versorgungsleitung, an der ein Maß für den zu messenden Strom abgegriffen wird, weitgehend vermieden werden. 25

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuervorrichtung mit einem im Leistungsmodul angebrachten Speicher über einen Datenbus in Austauschverbindung steht, und daß ein Korrekturfaktor, der der 0 Herstellungstoleranz des Stromfühlers entspricht, im Speicher gespeichert ist

Bei dieser Lösung werden selbsttätig Meßfehler durch eine vor der Inbetriebnahme des Leistungsmoduls mittels eines durch wenigstens eine Versorgungsleitung geleite-

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ten Stroms vorbekannter Stärke durchgeführte Testmessung dadurch ausgeglichen, daß aus dem Testmeßergebnis der Korrekturfaktor ermittelt und im Speicher abgelegt und während des Betriebs durch die Steuervorrichtung aus dem Speicher abgerufen und zur Korrektur der während des Betriebs durchgeführten Strommessungen herangezogen wird.

Der Stromfühler kann als eine Meßstrecke einer Leiterbahn ausgebildet sein und der Korrekturfaktor der Herstellungstoleranz dieser Meßstrecke, insbesondere einer Abweichung des Querschnitts der Leiterbahn von einem Nennwert, ent sprechen.

Insbesondere kann das Leistungsmodul einen Temperaturfühler aufweisen und die Steuervorrichtung jeden durch den Stromfühler ermittelten Meßwert in Abhängigkeit von der durch den Temperaturfühler ermittelten augenblicklichen Temperatur mit einem von der Steuervorrichtung 0 errechneten oder im Speicher gespeicherten Korrekturfaktor multiplizieren, der die Abhängigkeit des Meßwerts des Stromfühlers von der Temperatur berücksichtigt.

Sodann ist es günstig, wenn der Speicher neben Speicherabschnitten für die Meßwerte von Temperatur und Strom sowie den Korrekturfaktor weitere Speicherabschnitte für Kenndaten, wie sie auf Typenschildern angegeben werden, Fertigungsdaten, wie Losnummern, Daten 0 von Komponenten, Antriebsparameter, Betriebsereignisse, wie Daten extremer Lastsituationen und Störungsdaten, wie Defekte, aufweist. Das hat bei der Herstellung den Vorteil, daß derselbe Speicher bei verschiedenen Leistungsteilen eingesetzt werden kann. Ferner kann für 5 Reparaturzwecke ein "Logbuch" über Reparaturvorgänge

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und Grenzwertüberschreitungen gespeichert werden. Um die Betriebssicherheit des Moduls zu erhöhen, können Daten, die normalerweise in dem Speicher der digitalen Steuervorrichtung gespeichert sind, zusätzlich in dem Speicher gespeichert sein. So kann bei einer Auswechslung der Steuervorrichtung die neue Steuervorrichtung die alten Daten aus dem Speicher in ihren Speicher übernehmen.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Zeichnung stellt schematisch in Form eines Block-Schaltbilds ein Steuergerät SG für einen mit dreiphasigem Wechselstrom betriebenen Verbraucher V dar, das ein "intelligentes" Leistungsmodul 1, auch IPM (Intelligent Power Modul) genannt, aufweist.

0 Das Leistungsmodul 1 enthält einen Leistungsteil 2 sowie eine Steuer- und Meßeinheit SM. Sodann ist das Leistungsmodul 1 über Einzelleitungen und Anschlüsse mit einer Steuervorrichtung 3 verbunden, die einen nicht dargestellten Mikroprozessor aufweist. Die Steuer- und Meßeinheit SM enthält Meßverstärker V_u und V_T und nicht dargestellte Treiberstufen für den Leistungsteil 2, die jeweils über die Einzelleitungen mit der Steuervorrichtung 3 verbunden sind, sowie einen Speicher 4, der über einen Datenbus 5 mit der Steuervorrichtung in Aus-0 tauschverbindung steht. Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 3 auch in der Steuer- und Meßeinheit SM und damit im Leistungsmodul 1 angeordnet sein.

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Der Leistungsteil 2 ist über eine elektrisch isolierende, jedoch wärmeleitende Schicht, vorzugsweise aus Keramik, auf einem Träger in Form einer Kupferplatte 6, die der Wärmeabfuhr dient, befestigt. 5

Der Leistungsteil 2 enthält einen Stromrichter 7 mit Leistungsschaltelementen 8 in Form von Transistoren und mit Freilaufdioden 9 zur Steuerung des Betriebs des Verbrauchers V, hier eines Asynchronmotors. Ferner enthält der Leistungsteil 2 einen Stromfühler 10 in Form einer Meßstrecke (eines Meßabschnitts) in jeder den Strom des Leistungsteils 2 und damit des Verbrauchers V führenden Versorgungsleitung 11 in Form einer Leiterbahn in jeder der drei Phasen des Stromrichters 7, hier eines Wechselrichters. Die Stromfühler 10 sind über jeweils einen der Meßverstärker V_u für die an ihnen abgegriffene Spannung mit der Steuervorrichtung 3 verbunden. Ferner enthält der Leistungsteil 2 einen Temperaturfühler 12, der die Temperatur der Kupferplatte 6 und 0 damit auch die jeder Versorgungsleitung 11 erfaßt.

Statt mehrerer Stromfühler 10, die jeweils in einer der Versorgungsleitungen 11 liegen, kann auch nur ein Stromfühler vorgesehen sein, der in einer gemeinsamen Versorgungsleitung des Stromrichters 7 oder eines einphasigen Verbrauchers liegt. In beiden Fällen erfaßt der bzw. jeder Stromfühler 10 ein Maß des durch wenigstens eine Versorgungsleitung fließenden Verbraucherstroms.

0 Sodann sind ein Stromgenerator 14 und ein Umschalter 14 außerhalb, wie dargestellt, oder innerhalb des Steuergeräts SG vorgesehen. Der Stromgenerator 14 erzeugt einen Strom I_B vorbestimmter Stärke. Der Umschalter 15 hat zwei bewegliche Kontakte 16, deren Wurzel jeweils mit einem der Ausgänge zweier Phasen, d.h. den Verbin-

dungspunkten jeweils zweier in Reihe geschalteter Leistungsschaltelemente 8, verbunden ist.

Der Stromgenerator 14 und der Umschalter 15 dienen der Korrektur von Fehlern bei der Messung des während des Betriebs als Maß für den jeweiligen Strom am Stromfühler 10 abgegriffenen und durch den betreffenden Verstärker Vu verstärkten Meßspannung U. Ein solcher Meßfehler kann dadurch entstehen, daß der ohmsche Widerstand der als Stromfühler 10 dienenden Meßstrecke der jeweiligen Versorgungsleitung 11 entsprechend der jeweiligen Herstellungs-Maßtoleranz, d.h. unterschiedlicher Breite, Dicke und Länge der Meßstrecke, und wegen des Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Materials der Leiterbahn bei sich ändernder Temperatur der Meßstrecke unterschiedlich sein kann.

Um derartige Meßfehler auszugleichen, wird bei einem Leistungsmodul 1 mit geeichten Meßstrecken 10 der Stromgenerator 14 angeschaltet. Gleichzeitig werden die über die Stromfühler 10 mit der Rückleitung 17 und mit den Kontakten 16 verbundenen Schaltelemente 8 durch die Steuervorrichtung 3 eingeschaltet bzw. durchgesteuert, so daß der bekannte Strom I_B des Stromgenerators 14 über den einen Kontakt 16, das in Reihe liegende Schaltelement 8, den mit diesem in Reihe liegenden Stromfühler 11, die Rückleitung 17, einen weiteren Stromfühler 10, die mit diesem in Reihe liegende Diode 9 und den anderen Kontakt 16 zum Stromgenerator 14 zurückfließt.

0 Die bei dieser Eichmessung gemessenen Spannungen U und die gleichzeitig durch den Temperaturfühler 12 gemessene Temperatur werden im Speicher des Mikroprozessors der Steuervorrichtung 3 gespeichert. Bei jedem weiteren Leistungsmodul 1 einer Serie wird dann wiederum vom 5 Leistungsmodul 1 selbst eine Messung durchgeführt. So-

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dann werden die Werte der Meßspannungen U und die durch den Temperaturfühler 12 hierbei gemessene Temperatur in den Speicher des Mikroprozessors der Steuervorrichtung 3 übertragen. Aus einem Vergleich der Eichmeßwerte mit den Meßwerten des neuen Leistungsmoduls 1 wird dann ein Korrekturfaktor K₁₁ durch den Mikroprozessor der Steuervorrichtung 3 ermittelt, der die Abweichung der Eichmeßwerte von den Meßwerten des neuen Leistungsmoduls 1 berücksichtigt. Dieser Korrekturfaktor K_H wird aus der Steuervorrichtung 3 in den Speicher 4 übertragen. Desgleichen wird ein die Temperaturabhängigkeit der Stromfühler 10 berücksichtigender Temperaturkorrekturfaktor K_T, der zuvor ermittelt und im Speicher des Mikroprozessors der Steuervorrichtung 3 gespeichert wurde, in den Speicher 4 übertragen. Vorzugsweise wird der Temperaturkorrekturfaktor jedoch laufend während des Betriebs ermittelt und im Speicher 4 abgelegt. Während des Betriebs wird der Strommeßwert U mit den Korrekturfaktoren K_H und K_T multipliziert, nachdem diese Korrek-0 turfaktoren zuvor aus dem Speicher 4 in die Steuervorrichtung 3 abgerufen wurden. Der Stromgenerator 14 und der Umschalter 15 können, entgegen der Darstellung, auch im Steuergerät SG eingebaut sein. Um eine etwaige Offset-Spannung der Meßverstärker zu kompensieren, kann diese wiederholt in Betriebsspausen gemessen und während des Betriebs zur Korrektur benutzt werden.

Die korrigierten Meßspannungen U sind dann unabhängig von Temperaturänderungen und Herstellungs-Maßtoleranzen 0 der Stromfühler 10 und werden zur Steuerung des Stromrichters 7 durch die Steuervorrichtung 3 über die Steuer- und Meßeinheit SM herangezogen.

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Zusätzlich wird der korrigierte Meßwert des Stroms aus dem Leistungsmodul 1 herausgeführt und bei Bedarf auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt.

Statt den bekannten Strom I_B mittels des zweipoligen Umschalters 15 über einen Stromkreis zu leiten, der zwei Schaltelemente 8 und zwei Stromfühler 10 enthält, ist es auch möglich, einen Stromgenerator 14 mit nur einem Ausgang und einer mit der gemeinsamen Rückleitung 17 aller Stromrichterzweige verbundenen Rückleitung 18 sowie einen Umschalter zu verwenden, der den Ausgang des Stromgenerators bei der Eichung bzw. Fehlerkorrektur mit allen Ausgängen des Stromrichters 7 verbindet. Die direkt mit den Stromfühlern 10 verbundenen Schaltelemente 8 können dann nacheinander durch die Steuervorrichtung 3 eingeschaltet werden. Während des Betriebs, nach einer Fehlerkorrektur, würde der Umschalter dann den Stromgenerator vom Stromrichter 7 trennen und den Verbraucher V anschließen.

Wenn die Stromstärke in der üblichen Weise durch eine Pulsdauermodulation über den Stromrichter 7 geändert wird, weist der pulsierende Strom eine große Welligkeit auf. Zweckmäßigerweise erfolgt daher die Abtastung des Meßwerts durch die Steuervorrichtung 3 schon während der Anstiegsflanke des Stroms, vorzugsweise in deren Mitte. Dadurch wird nur die Grundwelle gemessen und die Stromwelligkeit aus dem Meßergebnis ausgeblendet.

0 In dem Speicher 4 können neben Speicherabschnitten für die Meßwerte von Temperatur und Strom sowie den Korrekturfaktor weitere Speicherabschnitte für Kenndaten, wie sie auf Typenschildern angegeben werden, Fertigungsdaten, wie Losnummern, Daten von Komponenten, Antriebsparameter, Betriebsereignisse, wie Daten extremer Lastsi-

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tuationen und Störungsdaten, wie Defekte, enthalten sein. Das hat bei der Herstellung den Vorteil, daß derselbe Speicher 4 bei verschiedenen Leistungsteilen eingesetzt werden kann. Ferner kann für Reparaturzwecke ein "Logbuch" über Reparaturvorgänge und Grenzwertüberschreitungen gespeichert werden. Um die Betriebssicherheit des Moduls zu erhöhen, sind Betriebsparameter, die normalerweise in dem Speicher der Steuervorrichtung 3 gespeichert sind, zusätzlich im Speicher 4 gespeichert. So kann bei einer Auswechselung der Steuervorrichtung 3 die neue Steuervorrichtung die alten Betriebsparameter aus dem Speicher 4 übernehmen.

Claims

1. Leistungsmodul mit einem Leistungsteil (2), wenigstens einem Stromfühler (10) und einer digitalen Steuervorrichtung (3), die entweder innerhalb des Leistungsmoduls (1) angeordnet ist oder außerhalb des Leistungsmoduls (1) angeordnet und über Anschlüsse am Leistungsmodul (1) mit dem Leistungsmodul verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (3) mit einem im Leistungsmodul (1) angebrachten Speicher (4) über einen Datenbus (5) in Austauschverbindung steht, und daß ein Korrekturfaktor (K_H), der der Herstellungstoleranz des Stromfühlers (10) entspricht, im Speicher (4) gespeichert ist.

2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfühler (10) als eine Meßstrecke einer Leiterbahn (11) ausgebildet ist und der Korrekturfaktor (K_H) der Herstellungstoleranz dieser Meßstrecke, insbesondere einer Abweichung des Querschnitts der Leiterbahn (11) von einem Nennwert, entspricht.

3. Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsmodul einen Temperaturfühler (12) aufweist und die Steuervorrichtung (3) jeden durch den Stromfühler (10) ermittelten Meßwert in Abhängigkeit von der durch den Temperaturfühler (12) ermittelten augenblicklichen Temperatur mit einem von der Steuervorrichtung (3) errechneten oder im Speicher (4) gespeicherten Korrekturfaktor (K_T) multipliziert, der die Abhängigkeit des Meßwerts des Stromfühlers (10) von der Temperatur berücksichtigt.

4. Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (4) neben Speicherabschnitten für die Meßwerte von Temperatur und Strom sowie die Korrekturfaktoren weitere Speicherabschnitte für Kenndaten, wie sie auf Typenschildern angegeben werden, Fertigungsdaten, wie Losnummern, Daten von Komponenten, Antriebsparameter, Betriebsereignisse, wie Daten externer Lastsituationen und Störungsdaten, wie Defekte, aufweist.