DE102004028213A1

DE102004028213A1 - Generatorregler mit Diagnosefunktion für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE102004028213A1
Application number: DE102004028213A
Authority: DE
Inventors: Günter NASSWETTER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-29
Also published as: WO2005122388A1; US7791352B2; EP1759452B1; EP1759452A1; US20070290690A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlerdetektion von Halbleiterelementen (11, 12, 13, 14, 15, 16) in elektrischen Maschinen (1), wie z. B. Drehstromgeneratoren, die im Kfz-Bereich eingesetzt werden. Die elektrische Maschine (1) ist mit mehreren Wicklungen (8, 9, 10) versehen, die jeweils über einen Phasenanschluss U, V, W verfügen. Die elektrische Maschine (1) wird sowohl im Stillstand als auch im Betrieb durch Ermittlung der Spannung in einem ihrer Phasenanschlüsse U, V, W überprüft. Die nicht berücksichtigten Phasenanschlüsse der Phasenanschlüsse U, V, W der elektrischen Maschine (1) werden auf Spannungseinbrüche gegenüber einem Potential (4) (B+) oder auf ihre Ausgangsströme hin überprüft.

Description

Technisches Gebiet
In Kraftfahrzeugen eingesetzte Generatoren wie z.B. Drehstromgeneratoren sind zur Gleichrichtung des Ausgangsstromes mit Dioden versehen. Mittels der Dioden werden alle drei Phasenanschlüsse U, V und W jeweils in Plusrichtung mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie und mit einer Diode in Sperrrichtung zur Masse verbunden. Zur Regelung der Ausgangsspannung von Drehstromgeneratoren werden elektronische Regler verwendet, die eine Information darüber benötigen, ob bzw. mit welcher Drehzahl der Generator arbeitet. Diese Drehinformation wird durch Beobachten eines oder mehrerer Phasenanschlüsse des Generators eingeholt.

DE 43 08 769 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung und/oder Schutz von Hochstromdioden. Bei dem aus DE 43 08 769 A1 bekannten Verfahren, welches insbesondere in Schweißanlagen eingesetzt wird, erfolgt die Überwachung der Hochstromdioden durch Bestimmung der Temperatur der Dioden, indem die Temperatur der Dioden analog, vorzugsweise mittels eines RC-Netzwerkes, elektrisch nachgebildet wird. Es wird ein Vergleich mit einem einer höchstzulässigen Temperatur der Hochstromdioden entsprechenden Referenzsignal durchgeführt. Zunächst wird der durch die Hochstromdioden fließende Strom erfasst, danach erfolgt ein Einprägen eines dem gemessenen Wert entsprechenden Stromes in eine Messleitung. Es wird eine Spannung erzeugt, welche das thermische Verhalten der Hochstromdiode unter Heranziehung eines RC-Netzwerkes darstellbar macht. Die nachgebildete Spannung wird mit einer vorgebbaren Referenzspannung ermittelt und im Falle der Überschreitung der vorgebbaren Referenzspannung durch die nachbildende Spannung wird ein Fehlersignal erzeugt. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Strommesser, die den über die Hochstromdiode fließenden Strom misst und in ein Messsignal abbildet. Ferner umfasst die Anordnung eine gesteuerte Stromquelle, die einer Messleitung einen dem vom Strommesser abgegebenen Messsignal entsprechenden Strom einprägt sowie ein RC-Netzwerkblock, welcher der Messleitung eine das thermische Verhalten der Hochstromdiode nachbildende Spannung einprägt. Schließlich ist eine Überwachungsschaltung vorgesehen, die dann ein Signal abgibt, wenn die in die Messleitung eingeprägte Spannung einen vorgebbaren Referenzwert überschreitet.

Aus DE 100 05 183 A1 ist eine Gleichrichteranordnung bekannt. Diese Gleichrichteranordnung umfasst Halbleiter-Gleichrichterelemente zur Gleichrichtung einer an einem Eingang u, v, w der Gleichrichteranordnung anliegenden elektrischen Wechselgröße und einen Ausgang zum Abgreifen der gleichgerichteten elektrischen Größe. Zwischen den Gleichrichterelementen und dem Ausgang ist eine Schmelzsicherung geschaltet, wobei die Schmelzsicherung einen Halbleiterchip aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Gleichrichterelemente aufweist. Die Halbleiter-Gleichrichterelemente weisen Gleichrichter-Halbleiterchips auf, die von einem Gehäuse umgeben sind, wobei der Halbleiterchip der Schmelzsicherung von einem Gehäuse umgeben ist, das im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die Gehäuse der Halbleiter-Gleichrichterelemente.

Ist eine der Dioden eines Drehstromgenerators defekt, sei es durch einen Kurzschluss, sei es durch eine Unterbrechung, kann der Generator nur noch einen reduzierten Ausgangsstrom liefern, so dass bei Zuschalten eines großen elektrischen Verbrauchers in das Bordnetz ein unzulässig hoher Spannungseinbruch auftreten kann. Zur Regelung der Ausgangsspannung eines Drehstromgenerators kommen in der Regel elektronische Regler zum Einsatz, die eine Information darüber benötigen, ob bzw. mit welcher Drehzahl der Generator betrieben wird. Diese Drehinformation wird durch Beobachten eines oder mehrerer der Phasenanschlüsse des Drehstromgenerators zur Verfügung gestellt. Die Frequenz der alternierenden Spannung ist direkt proportional zur Drehzahl des Drehstromgenerators.

Den genannten Verfahren bzw. Anordnungen und Vorrichtungen wohnt allesamt der Nachteile inne, dass im Regelfall die oben genannten Diodenfehler, d.h. deren Kurzschluss bzw. eine aufgetretene Unterbrechung entweder nicht oder nur unzureichend erkannt werden. Ferner ist gemäß der oben skizzierten Lösungen der konstruktive Aufwand zur Bereitstellung einer im Regler oder zur Unterbringung der Sensoren zu realisierende Aufwand im Regler erheblich, so dass stark erhöhte Herstellkosten die Folge sind.

Darstellung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann durch Untersuchung nur eines Phasenanschlusses, so z.B. des Phasenanschlusses V, eine Detektion vorhandener Dioden fehler erfolgen. Diese detektierten Fehler können entweder dem Fahrer des Kraftfahrzeuges zur Anzeige gebracht werden oder im Fehlerspeicher eines Steuergerätes abgelegt werden, von wo aus sie mittels eines heute üblicherweise eingesetzten Diagnosesteckers ausgelesen werden. Auch kann durch gezieltes Abschalten bestimmter, für die Grundfunktion im Fahrzeug nicht unbedingt notwendiger Stromverbraucher ein Absinken der Spannung unter einen kritischen Wert verhindert werden.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lässt sich in vorausschauender Weise bereits dann einen Diodendefekt erkennen, bevor es aufgrund eines bei Diodenfehler vorliegenden reduzierten maximalen Ausgangsstroms des Generators zu einer Einschränkung des Betriebes oder zu Ladebilanzproblemen oder Komforteinschränkungen in Bezug auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges kommt.

Die einzelnen Phasenanschlüsse eines Drehstromgenerators sind über die Generatorwicklungen niederohmig leitend miteinander verbunden. Bei Stillstand des Drehstromgenerators wird keine Spannung in diesen Wicklungen induziert. Da die eingesetzten Halbleiterbauelemente, im vorliegenden Falle Dioden, in Sperrrichtung üblicherweise hochohmig sind, ergibt sich an den Phasenanschlüssen ein Potential, welches von den Restströmen der Dioden und von der ohmschen Belastung an den Phasenanschlüssen des Drehstromgenerators abhängt. Im Betrieb wird jeweils in der positiven Halbwelle einer Phasenspannung die Plus- und in der negativen Halbwelle die Minus-Diode leitend.

Im Fehlerfall eines Diodenkurzschlusses ist im Stillstand des Drehstromgenerators eine der gegen den Pluspol der Kfz-Batterie geschaltete Diode kurzgeschlossen oder niederohmig, so dass das Potential eines Phasenanschlusses im Stillstand auf Batteriespannungsniveau liegt und sich nicht wesentlich durch eine definierte geringe ohmsche Last an einem der Phasenanschlüsse des Drehstromgenerators absenken lässt. Ist hingegen eine gegen Masse geschaltete Diode kurzgeschlossen oder niederohmig, liegt das Potential entsprechend auf Masse und lässt sich nicht wesentlich durch Anlegen einer geringen ohmschen Last gegen den Pluspol der Kfz-Batterie erhöhen. In beiden Fällen kann der Fehler durch Beschalten mit einer beispielsweise als ohmschen Last beschaffenen Last gegen den Pluspol der Kfz-Batterie bzw. gegen Masse detektiert werden und ein Auswerten der sich dabei jeweils ergebenen Spannungspotentiale erfolgen.

Im Betrieb des Drehstromgenerators hingegen, bewirkt ein Kurzschluss einer Plus-Diode gegen den Pluspol der Kfz-Batterie an einem Phasenanschluss V, dass sich dort das Potential nicht mehr vom Pluspol der Kfz-Batterie unterscheidet. Ein Kurzschluss der Minus- Diode hingegen gegen Masse führt zu einem andauernd anliegenden Massepotential, so dass in beiden Fällen keine Drehzahlinformation gewonnen werden kann.

Ein Kurzschluss einer Plus-Diode an einem der anderen Phasenanschlüsse, z.B. U oder W, führt während der negativen Halbwelle der betroffenen Phase zu einem Spannungseinbruch am Pluspol der Kfz-Batterie, dieser Zweig Strom aufnimmt und damit den Ausgangsstrom reduziert. Ein Kurzschluss an der Minus-Diode des Drehstromgenerators an einem der anderen Phasenanschlüsse (U bzw. W) führt während der positiven Halbwelle der betroffenen Phase zu einem Spannungseinbruch, da in dieser Zeit kein Ausgangsstrom fließt.

Im Falle einer Diodenunterbrechung an einem Phasenanschluss V wird die Spannung an diesem Anschluss während der positiven Halbwelle nicht mehr durch die Batterie bzw. das Bordnetz begrenzt und kann somit die Batteriespannung um mehrere Volt übersteigen. Ist hingegen die Minus-Diode des Phasenanschlusses V des Drehstromgenerators unterbrochen, wird die Spannung in der negativen Halbwelle nicht mehr durch die Masse begrenzt und kann somit das Massepotential um mehrere Volt unterschreiten.

Bei allen oben aufgeführten Fehlerarten ist ersichtlich, dass der von dem Fehler betroffene Phasenanschluss keinen Ausgangsstrom in das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges beispielsweise abgeben kann. Aufgrund dessen wird während dieser Phase die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators tiefer liegen als in den anderen Phasen.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 die prinzipielle Anordnung eines Drehstromgenerators,
2 den prinzipiellen Verlauf der Phasenspannungen einer elektrischen Maschine, wie z.B. eines Drehstromgenerators,
3 die Auswirkung eines Kurzschlusses an der Plus-Diode am Phasenanschluss W,
4 die Auswirkung eines Kurzschlusses an der Minus-Diode des Phasenanschlusses W,
5 die Auswirkung einer Unterbrechung der Plus-Diode am Phasenanschluss W eines Drehstromgenerators,
6 die Auswirkung einer Unterbrechung an einer Minus-Diode im Phasenanschluss W und
7 die Auswirkung eines Diodenfehlers auf die Generatorausgangsspannung eines Drehstromgenerators.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Drehstromgenerators zu entnehmen.
Ein Drehstromgenerator 1, dessen U-Wicklung 8, dessen V-Wicklung 9 und dessen W-Wicklung 10 auf einen Generatorsternpunkt 2 geschaltet ist, weist Phasenanschlüsse für die Phasen U, V und W auf. Jede der Phasen U, V, W des Drehstromgenerators 1 ist an eine Leitung geschaltet, mit der eine in Flussrichtung wirkende Plus-Diode 11, 13 bzw. 15 aufgenommen sind, sowie jeweils in Sperrrichtung wirkende Sperrdioden 12, 14 bzw. 16. Diese Leitungen sind einerseits sowohl mit einem Pluspol 4 einer Batterie (Potentialanschluss) verbunden als auch auf Masse 3 gelegt.
Die einzelnen Phasenanschlüsse U, V, W sind über die Generatorwicklungen 8, 9 und 10 jeweils niederohmig leitend miteinander verbunden. Im Stillstand des Drehstromgenerators 1 wird keine Spannung in diesen Wicklungen 8, 9 und 10 induziert. Da die in Sperrrichtung wirkenden Halbleiterbauelemente 12, 14, 16, bei denen es sich bevorzugt um Dioden handelt, üblicherweise hochohmig ausgelegt sind, ergibt sich an den Phasenanschlüssen U, V, W ein Potential, das von den Restströmen der Halbleiterbauelemente 11, 13 und 15 sowie der ohmschen Belastung an den Phasenanschlüssen U, V, W abhängt. Im Betrieb des Drehstromgenerators wird jeweils in der positiven Halbwelle einer Phasenspannung die Plus-Diode 11, 13 bzw. 15 leitend, während in der negativen Halbwelle einer Phasenspannung das in Sperrrichtung angeordnete Halbleiterbauelement 12, 14 bzw. 16 leitend wird.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht der prinzipielle Verlauf der Phasenspannungen in einem Drehstromgenerator hervor.
Die Verläufe der einzelnen Phasenspannungen 20, 21 bzw. 22 sind über die Zeit aufgetragen. Aus der Darstellung gemäß 2 folgt, dass eine durch Bezugszeichen 23 identifizierte, Schwankungen unterworfene Bordnetzspannung 23 – abhängig von den einzelnen Spannungsmaxima 24 der Phasen U, V und W – aufrechterhalten wird. Entsprechend des 120°-Versatzes der Generatorwicklungen 8, 9 bzw. 10 stellt sich der in 2 dargestellte Spannungsverlauf der einzelnen Phasen U, V und W des Drehstromgenerators 1 dar. Mit Bezugszeichen 20 ist der Verlauf der Phasenspannung U dargestellt, während mit Bezugszeichen 21 der Verlauf der Phasenspannung V in der Wicklung 9 des Drehstromgenerators 1 identifiziert ist. Bezugszeichen 22 markiert den Verlauf der Phasenspannung W, die in der Wicklung 10 des Drehstromgenerators 1 herrscht.
Die einzelnen Verläufe 20, 21, 22 der Spannungen U_U, U_V und U_W schwanken zwischen dem bereits erwähnten Spannungsmaximum 24 sowie einem jeweiligen Spannungsminimum 25 in der jeweiligen Phase U, V bzw. W. Die Darstellung der Spannungsverläufe gemäß 2 spiegelt den Zustand wieder, in welchem bei dem in 1 in schematischer Weise dargestellten Drehstromgenerator keine Defekte, so z.B. Kurzschlüsse oder Unterbrechungen, in den Phasenanschlüssen U, V, W zugeordneten Leitungen mit den dort in Flussrichtung wirkenden Halbleiterbauelementen 11, 13 bzw. 15 sowie den in Sperrrichtung wirkenden Halbleiterbauelementen 12, 14 und 16 auftreten.
Der Darstellung gemäß 3 und 4 sind die Auswirkungen von Kurzschlüssen an in Flussrichtung liegenden Halbleiterbauelementen des Drehstromgenerators zu entnehmen.
Ist eine der gegen den Pluspol 4 (B+) geschalteten Halbleiterbauelemente 11, 13 bzw. 15, bei denen es sich bevorzugt um Dioden handelt, kurzgeschlossen oder niederohmig, liegt das Potential im Stillstand des Drehstromgenerators 1 auf Batteriespannungsniveau und lässt sich nur unwesentlich durch Belastung mit einer definierten geringen ohmschen Last an einem der Phasenanschlüsse U, V, W absenken.
Ist hingegen ein gegen Masse 3 geschaltetes Halbleiterbauelement 12, 14 bzw. 16 kurzgeschlossen oder niederohmig, liegt das Potential entsprechend auf Potential des Masseanschlusses 3 und lässt sich nicht wesentlich durch Anlegen einer geringen ohmschen Last gegen den Pluspol 4 der Batterie (B+) erhöhen.
In beiden oben skizzierten Fällen, d.h. im Falle eines gegen den Pluspol 4 einer Fahrzeugbatterie geschalteten Halbleiterbauelementes 11, 13 bzw. 15 oder im Falle eines in Sperrrichtung geschalteten Halbleiterbauelementes 12, 14 bzw. 16 kann ein Kurzschluss des betreffenden Halbleiterbauelementes durch Beschalten eines Phasenanschlusses mit z.B. einer ohmschen Last gegen den Pluspol 4 einer Fahrzeugbatterie oder gegen den Anschluss an Masse 3 und eine sich daran anschließende Auswertung der sich dabei jeweils ergebenden Spannungspotentiale detektiert werden.
Während die oben dargestellte Detektion für den Fall eines stillstehenden Drehstromgenerators 1 geeignet ist, kann im Betrieb desselben einer der Phasenanschlüsse U, V, W, so z.B. der Phasenanschluss V, kurzgeschlossen sein. Im Betrieb des Drehstromgenerators bewirkt ein Kurzschluss des Halbleiterbauelementes 13 (Phasenanschluss V, wobei das Halbleiterbauelement 13 gegen den Pluspol 4 der Batterie liegt), dass sich das Potential nicht mehr von dem am Pluspol 4 der Kfz-Batterie (B+) anliegenden Potential unterscheidet. Ein Kurzschluss des in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelementes 14 im Phasenanschluss V gegen das Potential der Masse 3 führt zu andauernd anliegendem Massepotential. Dies hat zur Folge, dass bei stets anstehendem Massepotential keine alternierende Spannung herrscht und demzufolge eine die Drehzahl des Drehstromgenerators 1 anzeigende Frequenz nicht vorliegt und demzufolge am Phasenanschluss V keine Drehzahlinformation gewonnen werden kann.
Die verbleibenden beiden Phasenanschlüsse U und W werden im Betrieb des Drehstromgenerators 1 auf das Auftreten eines Kurzschlusses an einem in Flussrichtung beschalteten Halbleiterbauelement 11 bzw. 15 während der negativen Halbwelle der jeweiligen Phase U oder W auf das Auftreten eines Spannungseinbruches am Pluspol 4 der Batterie (B+) hin untersucht. Die jeweiligen Phasen U bzw. W nehmen in diesem Falle Strom auf und reduzieren dadurch den Ausgangsstrom wie der Darstellung gemäß 3 entnommen werden kann. Der Darstellung gemäß 3 ist entnehmbar, dass beim Kurzschluss des Halbleiterbauelementes 15 die Phasenspannung W während der negativen Halbwelle 33 ein Minimum annimmt, in der Darstellung gemäß 3 etwa 11 Volt. Das Maximum der Spannungen U_U bzw. U_V in den Phasen U und V ist durch Bezugszeichen 24 gekennzeichnet und liegt bei etwa 13,5 Volt, während das Potential, was am Pluspol 4 der Fahrzeugbatterie (B+) anliegt, d.h. die Batteriespannung, etwa bei 13 Volt liegt. Von Interesse sind die relativen Unterschiede der Spannungswerte zwischen den einzelnen Phasenanschlüssen.
Aus der Darstellung gemäß 4 gehen die Auswirkungen eines Kurzschlusses des in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelementes 16 hervor. Ein Kurzschluss eines in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelementes 14 bzw. 16 in den Phasen U und W führt während einer positiven Halbwelle 32 der jeweils betroffenen Phase U oder W zu einem Spannungseinbruch, in 4 durch Bezugszeichen 42 gekennzeichnet. Die Zurverfügungstellung eines Ausgangsstromes ist nicht möglich, da gemäß der Darstellung in 4 das Maximum der Phasenspannung U, W (vgl. Bezugszeichen 40) abhängig vom Restwider stand des Kurzschlusses lediglich wenige Volt beträgt, was erheblich unter der im Allgemeinen im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs herrschenden Spannung von etwa 12 bzw. 24 Volt liegt.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Maxima der jeweiligen Phasenspannungen U_U bzw. U_V durch Bezugszeichen 24 identifiziert sind und die Minima der jeweiligen Phasenspannungen U_U bzw. U_V durch Bezugszeichen 25 identifiziert sind.
Im Falle des Fehlers einer Unterbrechung an einem Halbleiterbauelement 11, 12, 13, 14, 15 bzw. 16 in einem der Phasenanschlüsse U, V, W wird auf die Darstellungen gemäß 5 und 6 verwiesen.
Ist ein in Flussrichtung liegendes Halbleiterbauelement 11, 13, 15 unterbrochen, so z.B. das Halbleiterbauelement 15 im Phasenanschluss V, wird die Spannung an diesem Anschluss während der positiven Halbwelle 32 nicht mehr durch die Fahrzeugbatterie bzw. das Bordnetz begrenzt und kann somit die am Pluspol 4 der Kfz-Batterie anliegende Spannung um mehrere Volt übersteigen, angedeutet durch den Lauf der Phasenspannung U, W gemäß Bezugszeichen 50. Die auftretende Spannungsüberhöhung ist durch Bezugszeichen 51 gekennzeichnet. Die Spannungserhöhung liegt erheblich über dem Spannungsmaximum 24 der Phasenspannung U_U gemäß des Verlaufes 20 der Phasenspannung U. Ist das in Sperrrichtung liegende Halbleiterbauelement 14 des Phasenanschlusses V hingegen unterbrochen, wird die Spannung während der negativen Halbwelle 33 nicht mehr durch das Potential des Masseanschlusses 3 begrenzt, so dass die Spannung U, W für diesen Fall gemäß des in 6 eingetragenen Spannungsverlaufes 52 für die Phasenspannung U, W das Massepotential um mehrere Volt unterschreiten kann, angedeutet durch den Spannungsabfall 53 gemäß der Darstellung in 6.
Sind die in Flussrichtung liegenden Halbleiterbauelemente 11 bzw. 15 sowie die in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelemente 12 bzw. 16 der Phasenanschlüsse U und W unterbrochen, können die jeweils mit einer Unterbrechung behafteten Phasen U oder W ebenfalls keinen Strom ins Bordnetz eines Kraftfahrzeuges abgeben.
Allen dargestellten Fehlerarten, sei es aufgetretene Kurzschlüsse im Bereich der in Flussrichtung liegenden Halbleiterbauelemente 11, 13, 15 oder bei in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelementen 12, 14, 16 sowie bei Unterbrechungen an den Halbleiterbauelementen, ist gemeinsam, dass der von dem Fehler jeweils betroffene Phasenanschluss U oder V oder W keinen Ausgangsstrom in das Bordnetz abgeben kann. Aufgrund dieses Umstandes liegt während der jeweiligen Phase U, V oder W die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators tiefer als in den anderen, intakten Phasen.
Die Fehlerdetektion sei anhand des Phasenanschlusses V beschrieben. Ist die direkt beobachtete, d.h. gemessene, Phase V betroffen, ist sowohl im Stillstand des Drehstromgenerators 1 als auch im Betrieb desselben, eine einfache Auswertung des fehlerbehafteten Verhaltens möglich. Im Stillstand des Drehstromgenerators 1 wird der Phasenanschluss V z.B. mittels eines wohldefinierten Lastwiderstandes gegen Masse 3 bzw. gegen den Pluspol 4 der Fahrzeugbatterie (B+) belastet. Ergeben sich dabei deutlich vom Potential des Masseanschlusses 3 bzw. vom Potential des Pluspoles 4 der Kraftfahrzeugbatterie (B+) verschiedene Potentiale, kann auf einen Kurzschluss mindestens eines Halbleiterbauelementes 11, 13, 15 gegen den Pluspol 4 der Batterie oder auf den Kurzschluss eines Halbleiterbauelementes 12, 14, 16 auf das Potential des Masseanschlusses 3 geschlossen werden.
Im Betrieb des Drehstromgenerators wird die Phasenspannung U_V in der Phase V im Falle eines aufgetretenen Kurzschlusses fest auf dem Potential des Pluspoles 4 der Kfz-Batterie (B+) oder auf dem Potential des Masseanschlusses 3 liegen und somit mangels einer Frequenz einer alternierenden Spannung eine Frequenzauswertung nicht zulassen.
Eine Unterbrechung eines Halbleiterbauelementes – in Bezug auf die Phase V, das Halbleiterbauelement 13 oder 14 – führt wie oben stehend angegeben zu einfach zu detektierenden Spannungsverläufen, die gemäß den Darstellungen in 5 und 6 entweder deutlich über dem Potential des Pluspoles 4 einer Kfz-Batterie verlaufen oder sich deutlich unterhalb des Potentials des Masseanschlusses 3 bewegen (vgl. Bezugszeichen 51 in 5 und Bezugszeichen 53 gemäß 6).
Bei Beobachtung der Phase V kann in den verbleibenden Phasen U, W je nach aufgetretenem Fehlerort entweder in Phase U oder in Phase W kein Ausgangsstrom während der positiven Halbwelle 32 der jeweils betroffenen Phase U, W fließen, so dass sich eine in 7 dargestellte reduzierte Ausgangsspannung 58 bzw. 59 einstellt.
Da eine ansteigende Flanke 54 der Phasenspannung U_V der Phase V bzw. eine fallende Flanke 55 der Phasenspannung U_V in der Phase V mit der positiven Halbwelle 32 der Phasenspannungsverläufe 20 bzw. 22 zusammenfällt, kann zu festgelegten Zeitpunkten t₁ bzw. t₂ der steigenden Flanke 54 und der fallenden Flanke 55 der Spannung U_V (vgl. Bezugszeichen 21 in 7) die Spannung U_B+1 bzw. U_B+2 am Pluspol 4 der Kfz-Batterie (B+) erfasst werden. Die erfassten Spannungen können einem Vergleich unterzogen werden. Für den Fall, dass sich während einer Vielzahl aufeinanderfolgender Detektionszeitpunkte ein Unterschied zwischen den zu den Detektionszeitpunkten t₁ (56), t₂ (57) jeweils erfassten Spannungen U_B+1, U_B+2 ergibt, die größer als ein festgelegter Grenzwert ist, kann auf einen Defekt eines Halbleiterbauelementes zurückgeschlossen werden. Mit U_B+1 ist der Spannungsverlauf in der Phase W bezeichnet, der mit dem Batteriespannungsniveau zusammenfällt, für den Fall, dass in der Phase W kein Fehler in Gestalt des Versagens eines Halbleiterbauelementes aufgetreten ist. Mit U_B+2 ist der Spannungsverlauf in der Phase W dargestellt, für den Fall, dass in der Phase W ein Fehler aufgetreten ist. Es stellt sich demzufolge in der Phase W ein im Vergleich zu einer unbeschädigten Phase W geringere Ausgangsspannung ein ΔU = U_B+1 – U_B+2(t₂). Die gemessene Phase ist die Phase V.
In analoger Weise kann zum Zeitpunkt t₁ (Bezugszeichen 56) ein Vergleich der Spannungen in der Phase U vorgenommen werden, bei dem – wie oben stehend beschrieben – ebenfalls ein Vergleich der Phasenspannungen in der Phase U erfolgen kann, aus dessen Resultat in analoger Weise auf einen Fehler in der Phase U zurückgeschlossen werden kann. Der Spannungsverlauf in der Phase W ist in der Darstellung gemäß 7 gestrichelt dargestellt, während der durch U_B+1 vorliegende Spannungsverlauf in der Phase W mit durchgezogener Linie dargestellt ist.
In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Fehlerdetektion in Halbleiterbauelementen 11, 12, 13, 14, 15, 16 an einem Drehstromgenerator bei geringen Drehzahlen und Generatorlast desselben durchgeführt werden. Bei hohen Drehzahlen des Drehstromgenerators 1 und bei hohen Lasten auftretende Welligkeiten der Drehstromgeneratorausgangsspannungen beeinflussen durch das Rückwärtserhol-Verhalten der Halbleiterbauelemente 11, 12, 13, 14, 15 und 16 die Detektion eines Spannungsunterschiedes. Ferner ist die externe Beschattung des Bordnetzes bei einer Vielzahl von eingeschalteten elektrischen Verbrauchern auf die Detektion eines Spannungsunterschiedes ΔU zu berücksichtigen.
Zur Übermittlung des detektieren Fehlers kann eine Fehleranzeige eingeschaltet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, ein Fehlerflag zu setzen, welches über eine (Daten)schnittstelle von einem Steuergerät ausgelesen werden kann. Andererseits ist es auch möglich, zur Übermittlung des Fehlers diesen aktiv über eine Schnittstelle auszugeben. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene und vorstehend beschriebene Verfahren bietet die Möglichkeit, einen Defekt eines Halbleiterbauelementes 11, 12, 13, 14, 15, 16 bereits frühzeitig zu erkennen, noch bevor es aufgrund des reduzierten maximalen Ausgangsstromes des Drehstromsgenerators zu einer Einschränkung des Betriebes des Bordnetzes oder zu Ladebilanzproblemen in Bezug auf die Fahrzeugbatterie oder zu Komforteinschränkungen kommen kann.

1: Drehstromgenerator
2: Generatorsternpunkt
3: Anschluss Massepotential
4: Anschluss Pluspol Batterie (B+)
5: U-Phasenanschluss
6: V-Phasenanschluss
7: W-Phasenanschluss
8: U-Wicklung
9: V-Wicklung
10: W-Wicklung
11: U-Plusdiode
12: U-Sperrdiode
13: V-Plusdiode
14: V-Sperrdiode
15: W-Plusdiode
16: W-Sperrdiode
20: Verlauf Phasenspannung U
21: Verlauf Phasenspannung V
22: Verlauf Phasenspannung W
23: Bordnetzspannung
24: Spannungsmaxima pro Phase
25: Spannungsminima pro Phase
30: Kurzschlussspannung U_W (Plusdiode)
31: Batteriespannung U_B+
32: positive Halbwelle
33: negative Halbwelle
40: Kurzschlussspannung U_W (Sperrdiode)
41: Massepotential
42: Spannungseinbruch
50: Phasenspannung U_W bei Unterbrechung (Plusdiode)
51: Spannungsüberhöhung
52: Phasenspannung U_W bei Unterbrechung (Minus-Diode)
53: Spannungsabfall
54: ansteigende Flanke Phasenspannung U_V
55: fallende Flanke Phasenspannung U_V
56: erster Zeitpunkt (t₁)
57: zweiter Zeitpunkt (t₂)
U_B+1: Ausgangsspannung ohne Fehler in Phase W
U_B+2: Ausgangsspannung mit Fehler in Phase W

Claims

Verfahren zur Fehlerdetektion von Halbleiterbauelementen (11, 12, 13, 14, 15, 16) in elektrischen Maschinen (1), insbesondere Drehstromgeneratoren mit mehreren Wicklungen (8, 9, 10) und mehreren Phasenanschlüssen U, V, W mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) bei Stillstand der elektrischen Maschine (1) erfolgt zur Erkennung von Kurzschlüssen gegen B+ oder Masse die Belastung eines der Phasenanschlüsse U, V, W gegen Masse (3) oder gegen ein höheres Potential (4) und eine Messung des sich einstellten Potentials, b) im Betrieb der elektrischen Maschine (1) erfolgt zur Erkennung von Kurzschlüssen gegen B+ oder Masse die Messung einer der Spannungen U_U, U_V, U_W in einem der Phasenanschlüsse U, V, W auf Übereinstimmung mit Massepotential (3) oder dem Potential (4), c) im Betrieb der elektrischen Maschine (1) erfolgt zur Erkennung von Unterbrechungen die Messung einer der Spannungen U_U, U_V, U_W in einem der Phasenanschlüsse U, V, W auf Unter- bzw. Überschreitung eines definierten Minimal- bzw. Maximalwertes und d) zu definierten Zeitpunkten t₁, t₂ von steigenden und fallenden Flanken (54, 55) der gemessenen Spannung (21) im gemessenen Phasenanschluss werden die jeweiligen Spannungen am Anschluss (4) des Potentials erfasst und die beiden Werte miteinander verglichen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerdetektion bei geringen Drehzahlen und geringen Lasten des Drehstromgenerators durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht gemessenen Phasenanschlüsse U, W der Phasenanschlüsse U, V, W während der positiven Halbwelle (32) auf reduzierte Ausgangsspannungen (58, 59) überprüft werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der jeweiligen Spannung am Anschluss (4) des Potentials über eine Vielzahl aufeinanderfolgender Detektionszeitpunkte erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) zur Fehlerdetektion eines in Flussrichtung liegenden Halbleiterbauelementes (11, 13, 15) in den weiteren Phasenanschlüssen U, W diese während der negativen Halbwelle (33) im gemessenen Phasenanschluss V auf einen Spannungseinbruch am Anschluss (4) des Potentials überprüft werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) zur Fehlerdetektion eines in Sperrrichtung liegenden Halbleiterbauelementes (12, 14, 16) die weiteren Phasenanschlüsse U, W während der positiven Halbwelle (32) im gemessenen Phasenanschluss V auf einen Spannungseinbruch überprüft werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) die über die nicht gemessen Phasenanschlüsse U, W fließenden Ausgangsströme ermittelt werden.