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Dokumentenidentifikation DE102006032392A1 20.12.2007
Titel Verfahren zur galvanisch getrennten Informations- und Energieübertragung zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Waller, Reinhold, Dipl.-Ing., 91077 Neunkirchen, DE;
Berberich, Sven, Dr. Ing., 91080 Spardorf, DE;
März, Martin, Dr. Ing., 90491 Nürnberg, DE
Vertreter Gagel, R., Dipl.-Phys.Univ. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 30.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006032392
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse H03K 17/689(2006.01)A, F, I, 20060630, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03K 17/605(2006.01)A, L, I, 20060630, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung von Energie und Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten. Bei dem Verfahren wird ein piezoelektrischer Übertrager zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt, über den sowohl die Information als auch die Energie übertragen werden. Das Verfahren eignet sich vor allem für die Übertragung von Energie und Information zwischen einer Steuereinheit und einer Leistungseinheit, wobei der piezoelektrische Übertrager bspw. in der Treiberschaltung eines Leistungsschalters eingesetzt werden kann. Mit dem Verfahren wird die Effizienz und Fehlersicherheit beim Betrieb derartiger Systeme erhöht. Gleichzeitig sinken der konstruktive Aufwand für das leistungselektronische System sowie dessen Platzbedarf und Gewicht.

Beschreibung[de]
Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung von Energie und von Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten, insbesondere zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungselektronik.

Stand der Technik

Der Bedarf an leistungselektronischen Schaltungen und Systemen nimmt ständig zu. Leistungsmodule werden bspw. für Frequenzumrichter oder für die Stromversorgungen eingesetzt. Die Leistungsmodule umfassen häufig IGBTs (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) als Leistungsschalter, die über geeignete Treiberschaltungen angesteuert werden. Mit zunehmendem Einsatz derartiger Leistungsmodule wächst auch der Bedarf an hocheffizienten, sicheren und preisgünstigen Ansteuerschaltungen für Leistungsschalter. Eine häufig anzutreffende Schaltungstopologie von Leistungsstufen ist die sog. H-Brücke mit High-Side und Low-Side Schaltern. So haben sich IGBT Brückenschaltungen erfolgreich auf den Märkten für Motorantriebe und Stromversorgungen durchgesetzt. Die Treiberelektronik ist dabei in der Regel für die sichere Isolation zwischen dem Leistungsteil und der Steuerelektronik verantwortlich und muss deshalb galvanisch getrennt realisiert werden. Dies gilt sowohl für die Energieversorgung als auch für die Informationsübertragung zwischen Treiberelektronik und Steuerelektronik.

Bislang wird die Treiberelektronik von IGBTs meist durch magnetische Transformatoren mit Energie versorgt. Die Informationsübertragung zwischen dem Hochspannungsteil auf der Leistungsseite und dem Niederspannungsteil auf der Ansteuerseite erfolgt dabei über zusätzliche Bauteile, bspw. über Optokoppler oder zusätzliche magnetische Übertrager.

Magnetische Bauteile erfordern aufgrund der durch sie erzeugten magnetischen Felder sowie aufgrund ihres Bauvolumens und ihres Gewichtes einen hohen konstruktiven Aufwand, der die Herstellungskosten von Leistungsmodulen deutlich erhöht. Zudem ist das Verhalten dieser Bauteile im Fehlerfall kritisch, da es zum Verlust der Isolationsstrecke – und damit zu einer Gefährdung von Personen – und zu unkontrollierter Erwärmung und somit zur Brandgefahr kommen kann. Magnetische Übertrager weisen auch eine hohe Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärkreis auf, deren Auswirkung kompensiert werden muss. Auch der Einsatz von Optokopplern ist aufgrund ihrer niedrigen Lebensdauer und geringen Temperaturbelastbarkeit nicht immer von Vorteil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung von Energie und Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten, insbesondere zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungselektronik, anzugeben, das einen geringen konstruktiven Aufwand erfordert und im Vergleich zu den oben genannten Systemen eine erhöhte Effizienz und Fehlersicherheit bietet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur galvanisch getrennten bzw. potentialgetrennten Übertragung von Energie und Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten wird ein piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer, Übertrager zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt, über den sowohl die Information als auch die Energie übertragen werden. Das Verfahren wird hierbei vorzugsweise für die Energie- und Informationsübertragung zwischen einer Steuerelektronik einer Steuereinheit und einer Leistungselektronik einer Leistungseinheit eingesetzt, wobei der piezoelektrische Übertrager, im Folgenden auch als Piezoübertrager bezeichnet, beispielsweise in eine Treiberschaltung integriert werden kann. Die bisher auf diesem Anwendungsgebiet zum Einsatz kommenden magnetischen Transformatoren werden beim vorliegenden Verfahren ebenso wie die Bauteile, die der Potentialtrennung der Informationsübertragung dienen, durch einen vorzugsweise monolithischen Piezoübertrager ersetzt. Der Übertrager übernimmt dabei sowohl die Funktion der potentialgetrennten Energieversorgung einer der Schaltungseinheiten, insbesondere der Leistungselektronik bzw. der Treiberelektronik, als auch die Funktion der galvanisch getrennten Kommunikation zwischen den beiden Schaltungseinheiten.

Piezokeramische Übertrager werden heutzutage überwiegend im unteren Leistungsbereich (P < 10W) zur Erzeugung von Hochspannung eingesetzt, um damit Gasentladungslampen zu betreiben. Mit dem Einsatz eines Piezoübertragers beim vorliegenden Verfahren, bei dem nicht nur Energie sondern auch Information über den Piezoübertrager übertragen werden, lassen sich gegenüber den bekannten Systemen sowohl Bauelemente als auch Aufwendungen für Aufbau- und Verbindungstechnik einsparen, da für die beiden Funktionen der Energie- und der Informationsübertragung nur noch ein Bauelement benötigt wird. Dies hat zur Folge, dass die Kosten für elektronische Module sinken, in denen die Piezoübertrager eingebaut und in der vorher beschriebenen Weise betrieben werden. Gleichzeitig steigt die Zuverlässigkeit dieser Module, da bspw. fehleranfällige Lötverbindungen eingespart werden. Durch die kleinen Abmessungen, das geringe Gewicht sowie die geringeren Aufwendungen bei der Herstellung (keine aufwendige Wicklung der Spulen usw.) im Vergleich zu magnetischen Transformatoren lassen sich Einsparungen bei Platzbedarf, Gewicht und Herstellungskosten erzielen. Weiterhin zeichnen sich Piezoübertrager durch vernachlässigbare elektromagnetische Störungen und einen höheren Wirkungsgrad gegenüber magnetischen Transformatoren aus. Zusätzliche EMV- und Schirmungsmaßnahmen (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) sind daher bei Einsatz des vorliegenden Verfahrens nicht mehr erforderlich. Ein weiterer Vorteil von Piezoübertragern gegenüber magnetischen Transformatoren ist die hohe Brandsicherheit der Elemente, da bei diesen im Fehlerfall, bspw. bei Überhitzung oder Bruch, die Energieübertragung unterbrochen wird.

Bei dem vorliegenden Verfahren können Piezoübertrager unterschiedlicher Geometrie, unterschiedlicher Materialien sowie mit unterschiedlichem Aufbau eingesetzt werden. Grundsätzlich besteht ein Piezoübertrager aus einem Grundkörper aus ein oder mehreren Lagen eines piezoelektrischen oder piezokeramischen Materials, auf dem zumindest zwei Elektrodenpaare voneinander beabstandet aufgebracht sind. Ein Elektrodenpaar, die sog. Primärelektroden, stellen die eingangsseitigen Anschlüsse dar, das zweite Elektrodenpaar, die sog. Sekundärelektroden, die ausgangsseitigen Anschlüsse. Die Elektroden können hierbei bspw. streifen- oder plättchenförmig oder auch als konzentrische oder exzentrische Ringe auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Oberflächenseiten des piezoelektrischen Grundkörpers ausgebildet sein. Die Anordnung und Ausbildung der Elektroden hängt dabei von dem Material des Grundkörpers sowie dessen Geometrie ab. Auch der Grundkörper kann unterschiedliche Formen aufweisen, bspw. streifenförmig, plattenförmig oder scheibenförmig ausgebildet sein. Er kann dabei sowohl aus einem einzigen als auch aus mehreren unterschiedlichen piezoelektrischen oder piezokeramischen Materialien aufgebaut sein. Zur Verbesserung der Isolation zwischen den Primär- und den Sekundärelektroden kann auch ein zusätzlicher Isolator, bspw. eine zusätzliche Passivierungsschicht aufgebracht sein. Bei einem Piezoübertrager, der aus mehreren Lagen Piezomaterial und Elektrodenmaterial aufgebaut ist, können die einzelnen Lagen durch verbindende Aufbautechnologien, z.B. durch Kleben oder Sintern, oder auch durch andere Verfahren miteinander verbunden sein.

So ist es beispielsweise möglich, einen Piezoübertrager aus zwei Scheiben aus piezoelektrischem Material zusammenzusetzen, die jeweils an ihrer Ober- und Unterseite eine Elektrode tragen, wie dies bei bekannten Ultraschallwandlern der Fall ist. Zur Isolation der primärseitigen von den sekundärseitigen Elektroden des Piezoübertragers wird ein elektrischer Isolator zwischen den beiden Scheiben angeordnet, der eine Ultraschallübertragung zulässt.

Vorzugsweise werden piezokeramische Übertrager aus PZT (Blei Zirkonat Titanat) aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften eingesetzt. Dies ist jedoch für die Durchführung des Verfahrens nicht unbedingt erforderlich, da sich prinzipiell auch andere piezoelektrische Materialien für die Übertragung eignen.

Die Übertragung von Energie und Information über den Piezoübertrager erfolgt beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise bei unterschiedlichen Frequenzen. Auf diese Weise lässt sich die übertragene Information auf der Sekundärseite ohne großen Aufwand aus den übertragenen Signalen extrahieren, bspw. durch Frequenzfilterung. Die übertragenen Signale (übertragene Information und Energie) lassen sich dann mit einfacher Auswerteelektronik getrennt verarbeiten. Die Übertragung von Energie erfolgt dabei vorzugsweise bei einer Wechselspannungsfrequenz, die einer Resonanzfrequenz des Piezoübertragers entspricht oder zumindest nahe bei dieser Resonanzfrequenz liegt. Wird der Übertrager bei dieser mechanischen Resonanzfrequenz oder in der Nähe dieser Resonanzfrequenz betrieben, so kann ein Wirkungsgrad von über 95% bei der Energieübertragung erzielt werden. Die Resonanzfrequenz hängt dabei in bekannter Weise von der Geometrie und dem Material des Piezoübertrager ab und ist für derartige Bauelemente in der Regel bekannt.

Auch die Übertragung von Information kann bei vorliegendem Verfahren aus Gründen der Effizienz in einem Frequenzbereich, in dem zumindest eine Resonanzmode des piezokeramischen Übertragers liegt erfolgen. Als Information kann dabei bspw. Steuerinformation, insbesondere für eine Treiberstufe, oder in umgekehrter Richtung auch lastseitige Information, bspw. über die Größe des Ausgangsstroms, übertragen werden. Vorzugsweise erfolgt die Informationsübertragung daher bidirektional über den Piezoübertrager.

In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die Energie sowie die Information über getrennte primär- und sekundärseitige Elektroden übertragen. Der Übertrager weist dann jeweils ein Primärelektrodenpaar für die Energieübertragung und ein Primärelektrodenpaar für die Informationsübertragung auf. Ebenso sind dann auf der Sekundärseite ein Sekundärelektrodenpaar für die Energieübertragung und ein Sekundärelektrodenpaar für die Informationsübertragung vorgesehen.

Das vorliegende Verfahren eignet sich vor allem für die Übermittlung von Energie und Information zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungsstufe, die bspw. in Form einer H-Brücke ausgebildet sein kann. Der Piezoübertrager wird dabei vorzugsweise in der Treiberstufe für einen Leistungsschalter, bspw. einen IGBT, eingesetzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer H-Brücke mit Treiberelektronik und Last;

2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines piezokeramischen Übertragers; und

3 ein Beispiel für eine Anwendung eines piezokeramischen Übertragers gemäß dem vorliegenden Verfahren in der Ansteuerschaltung einer IGBT-H-Brücke.

Wege zur Ausführung der Erfindung

1 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer H-Brücke mit Treiberelektronik und Last, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die H-Brücke setzt sich in bekannter Weise aus vier IGBT Leistungsschaltern 21 bis 24 mit den erforderlichen Freilaufdioden 25 zusammen. Die High-Side Leistungsschalter 21, 22 und die Low-Side Leistungsschalter 23, 24 müssen hierbei mit unterschiedlichen IGBT-Treiberschaltungen 26, 27 angesteuert werden. Mit einer derartigen H-Brücke lässt sich bspw. eine Drehzahlsteuerung eines Wechselstrommotors realisieren. Die in der Figur nicht gezeigte Steuerelektronik ist mit den Treiberschaltungen 26, 27 verbunden. Für die sichere Isolation zwischen dem in der Figur dargestellten Leistungsteil und der Steuerelektronik sind in der Regel die Treiberschaltungen 26, 27 verantwortlich, die daher galvanisch getrennt realisiert werden müssen.

Beim vorliegenden Verfahren wird für diese galvanische Trennung in den Treiberschaltungen 26, 27, ein piezokeramischer Übertrager eingesetzt, über den sowohl die von den Treiberschaltungen benötigte Energie als auch die Steuerinformation übertragen wird.

2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip eines piezokeramischen Übertragers. Der piezokeramische Übertrager besteht in diesem Beispiel aus einer Schicht 4 eines piezokeramischen Materials, an dessen Oberseite und Unterseite jeweils an beiden Enden Elektroden 3, 6 angebracht sind. Die in der Figur links dargestellten Elektroden 3 bilden die Primärelektroden, die auf der rechten Seite angebrachten Elektroden 6 die Sekundärelektroden des piezokeramischen Übertragers. Eine an die eingangsseitigen Anschlüsse 1a, 1b angelegte Wechselspannung erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den Primärelektroden 3. Dieses Feld bewirkt, bedingt durch die piezoelektrischen Eigenschaften des keramischen Materials und dessen Polarisation 5, eine periodische Verformung der piezokeramischen Schicht 4, wie sie in der Figur stark schematisiert angedeutet ist. Diese mechanische Schwingung erzeugt sekundärseitig ein elektrisches Wechselfeld in der Keramik, das aufgrund des piezoelektrischen Effektes zu einer Ausgangsspannung zwischen den Sekundärelektroden 6 führt. Die Ausgangsspannung steht dann an den Anschlüssen 2a und 2b zur Verfügung.

Durch die räumliche Trennung der Primärelektroden 3 von den Sekundärelektroden 6 und die isolierende Wirkung des piezokeramischen Materials wird auf diese Weise eine galvanisch getrennte Übertragung sowohl von Energie als auch von Information über den piezokeramischen Übertrager ermöglicht.

3 zeigt ein Beispiel für eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei der Ansteuerung einer IGBT-Halbbrücke. In der Figur ist hierzu die Treiberschaltung 9 für einen IGBT Leistungsschalter 21 schematisch als Teil des Leistungsmoduls zu erkennen. Die Treiberschaltung 9 dient zur Ansteuerung und Überwachung des IGBT Leistungsschalters 21. Sie wird über die eingangsseitigen Anschlüsse 7 und 8 mit Strom versorgt. Der in der Figur angedeutete Piezoübertrager 15 ist Teil der Treiberschaltung 9 und sorgt für die galvanische Trennung der mit seiner Hilfe transformierten (Informations-)Signale und Energie. Die Topologie der Treiberschaltung 9 kann auf unterschiedliche Art und Weise ausgeführt sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Über die eingangsseitigen Anschlüsse 10 und 8 werden Steuerinformationen eingespeist und ausgelesen. Die Klemmen 11 und 12 dienen der Versorgung der Leistungsstufe. Der Anschluss 13 ist der Lastausgang. Über den Anschluss 14 werden lastseitige Informationen, wie bspw. der Ausgangsstrom, an die Treiberschaltung 9 geleitet und über den Piezoübertrager 15 potentialgetrennt an den Anschluss 10 weitergeleitet.

1a/b
eingangsseitige Anschlüsse
2a/b
ausgangsseitige Anschlüsse
3
Primärelektroden
4
piezokeramische Schicht
5
Polarisation
6
Sekundärelektroden
7
Anschluss für Stromversorgung
8
Anschluss für Stromversorgung bzw. Einspeisung von Steuerinformation
9
IGBT-Treiberschaltung
10
Anschluss für Einspeisung von Steuerinformation
11/12
Klemmen für Versorgung der Leistungsstufe
13
Lastausgang
14
Anschluss für lastseitige Informationen
15
Piezoübertrager
21
IGBT Leistungsschalter
22
IGBT Leistungsschalter
23
IGBT Leistungsschalter
24
IGBT Leistungsschalter
25
Freilaufdiode
26
Treiberschaltung High-Side
27
Treiberschaltung Low-Side
28
Last


Anspruch[de]
Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung von Energie und von Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten, bei dem ein piezoelektrischer Übertrager (15) zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt wird, über den sowohl die Information als auch die Energie übertragen werden. Verfahren nach Anspruch 1 zur Übertragung von Energie und Information zwischen einer Steuerelektronik einer Steuereinheit und einer Leistungselektronik einer Leistungseinheit, bei dem der piezoelektrische Übertrager (15) zwischen der Steuerelektronik und der Leistungselektronik eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Energie durch Anlegen einer Wechselspannung einer Frequenz an eine Eingangsseite des Übertragers (15) übertragen wird, die im Bereich einer Resonanzfrequenz des Übertragers (15) liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Information in einem Frequenzbereich übertragen wird, in dem eine Resonanzfrequenz des Übertragers (15) liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Energie und die Information in unterschiedlichen Frequenzbereichen übertragen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Energieübertragung und die Informationsübertragung über voneinander getrennte Elektrodensysteme am Übertrager (15) erfolgen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Übertragung von Information bidirektional erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Übertragung von Energie und Information zwischen einer Ansteuerschaltung und einem Leistungsschalter (21), insbesondere einen IGBT. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Übertrager (15) in eine Treiberschaltung (9) für den Leistungsschalter (21) eingebunden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Übertrager (15) aus mehreren piezoelektrischen Körpern mit aufgebrachten Elektroden eingesetzt wird, wobei Primär- und Sekundärseite des Übertragers (15) durch einen Isolator getrennt sind. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Einrichtungen zur Frequenzumrichtung. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Einrichtungen zur Stromversorgung.






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