CN111837337A - 用于设定半桥的开关元件的死区时间的方法和装置以及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对半桥（2）的第一开关元件（31）的断开与所述半桥（2）的第二开关元件（32）的闭合之间的死区时间进行设定的方法，该方法具有以下步骤：相对于前一个开关周期的死区时间减小一个开关周期的死区时间；以及测定所述开关元件（31、32）中的至少一个开关元件的温度；其中针对随后的开关周期如此长时间地重复所述减小死区时间的和测定温度的步骤，直至达到临界的死区时间，对于所述临界的死区时间来说满足取决于所测定的温度的中断条件；并且其中在考虑到所述临界的死区时间的情况下设定所述死区时间。

Description

用于设定半桥的开关元件的死区时间的方法和装置以及逆 变器

技术领域

本发明涉及用于对半桥的第一开关元件的断开和所述半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间（Totzeit）进行设定的一种方法和一种装置。此外，本发明涉及一种逆变器并且优选涉及一种用于电机的逆变器。

背景技术

驱动系统的电机能够通过逆变器用交流电压来供给。由公开文献DE 10 2011 081173 A1已知逆变器的一种示范性的操控方案。所述逆变器包括多个半桥，其中所述半桥的数量对应于电机的相的数量。半桥分别具有两个串联连接的开关元件，其中所述开关元件不得同时闭合，以便防止短路。在换向时必须额外地注意，在断开第一开关元件之后也不是立即闭合第二开关元件。否则，由于半桥功率半导体的延迟地形成的电磁场而会产生横向影响，所述横向影响可能导致半桥功率半导体的不期望的发热。出于这个原因，在断开第一开关元件之后的死区时间的期间，两个开关元件都保持断开。

然而，为了确保通过逆变器进行有效的能量传输，值得追求的是，尽可能勉强够地定量（bemessen）死区时间。

发明内容

本发明提供一种具有权利要求1的特征的、用于对半桥的第一开关元件的切断或断开与所述半桥的第二开关元件的接通或闭合之间的死区时间进行设定的方法。此外，本发明提供一种具有权利要求11的特征的、用于对半桥的第一开关元件的断开与所述半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间进行设定的装置。最后，本发明提供一种具有权利要求14的特征的逆变器。

因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于对半桥的第一开关元件的断开与所述半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间进行设定的方法。为此，相对于前一个开关周期的死区时间来减小一个开关周期的死区时间。测定所述开关元件中的至少一个开关元件的温度。针对随后的开关周期如此长时间地重复所述死区时间的减小和所述温度的测定，直至达到临界的死区时间，对于所述临界的死区时间来说满足中断条件。借助于所测定的温度来确定是否满足所述中断条件。在考虑到临界的死区时间的情况下来设定所述死区时间。

因此，根据第二方面，本发明涉及一种用于对半桥的第一开关元件的断开与所述半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间进行设定的装置。所述装置包括控制机构和温度测定机构。所述控制机构被构造用于如此操控半桥，从而在断开第一开关元件之后的死区时间之后闭合所述半桥的第二开关元件。所述控制机构被构造用于相对于前一个开关周期的死区时间来减小一个开关周期的死区时间，其中所述温度测定机构在减小死区时间之后测定所述开关元件中的至少一个开关元件的温度。针对随后的开关周期如此长时间地重复所述死区时间的减小和所述温度的测定，直至达到临界的死区时间，对于所述临界的死区时间来说满足中断条件。所述中断条件取决于所测定的温度。所述控制机构在考虑到临界的死区时间的情况下优选动态地设定所述死区时间。

根据第三方面，本发明涉及一种具有多个半桥的逆变器，所述半桥分别具有两个开关元件。所述逆变器此外具有用于调整死区时间的装置。

优选的实施方式是相应的从属权利要求的主题。

本发明的优点

本发明允许为了半桥的开关元件的运行而对死区时间进行优选动态的调整。为此优选持续地减小所述死区时间，也就是说，与前一个开关周期的死区时间相比来减小所述死区时间。然而，所述死区时间也能够在预先给定的数量的开关周期之后被减小并且因此在这些开关周期的期间保持恒定。

一个开关周期包括半桥的开关元件的多种不同的开关状态或开关位置，典型地以固定的顺序来经过这些开关状态或开关位置。在相应的开关状态的期间，所述半桥的开关元件分别保持断开或闭合。在一个开关周期之内朝新的开关状态的转变通过所述开关元件之一的断开或者闭合来进行。每个开关周期优选包括正好一个处于所述半桥的第一开关元件的断开与所述半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间。另一个死区时间则处于所述第二开关元件的断开与所述第一开关元件的闭合之间。此外，对于多个半桥来说，同样能够为所述半桥分配相应的死区时间。

例如在一个开关周期的期间将所述第一开关元件断开并且在第一死区时间结束之后将所述第二开关元件闭合。接着，将所述第二开关元件断开并且将所述第一开关元件闭合。现在，在紧随此后的开关周期中，能够再次断开所述第一开关元件，直至在第二死区时间结束之后再次闭合所述第二开关元件。所述第二死区时间的持续时间能够相对于所述第一死区时间的持续时间被减小。

借助于所测定的温度能够识别，是否由于所述死区时间的减小而在开关元件之间出现热作用的横向电流、尤其是短路。一旦达到这个点，就达到临界的死区时间，并且所述死区时间的进一步减小导致开关元件的还更加剧烈的发热，这应当加以避免。借助于对于临界的死区时间的准确了解，能够如此设定可以在实际上使用的、用于死区时间的数值，使得这个数值尽可能小，以便实现所述逆变器的良好效率、也就是最大的功率收益，而不出现不期望的热效应。

所述开关元件的缓慢显示出的劣化对热横向影响有影响并且相应地对温度在死区时间变化时的变化有影响。由于对于死区时间的动态的调整，所述开关元件的这种老化效应能够得到补偿。

所述开关元件优选能够具有功率半导体开关元件、尤其是金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）或尤其是具有绝缘栅极端子的双极型晶体管（IGBT）。

根据所述方法的一种优选的改进方案，温度的测定包括对于相应的开关元件的输出端上的电流和/或电压的测量。如果所述开关元件是MOSFET，则能够在在PWM开关周期的期间在使用快速模数转换器的情况下测量例如漏极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压并且将其用于测定温度。如果所述开关元件是IGBT，则测量栅极、集电极和发射极处的模拟电流和电压。

根据所述方法的一种优选的实施方式，借助于所测量的电流和电压并且借助于相应的开关元件的预先给定的特征曲线来确定所述开关元件的温度。所述开关元件的电压和电流取决于温度。所述电流或电压的数值与相应温度的准确关系能够借助于数据页数值来存储在查找表（LUT）中。

因此能够通过查找表借助于所测量的电流和电压非常快速地测定相应的开关元件的温度。作为替代方案，所述电流和电压的温度相关性能够借助于物理模型来计算。借助于合适的μC电路能够借助于相应的数学函数并且在考虑到开关元件的特征曲线的情况下测定所述开关元件的瞬时温度。

根据所述方法的一种优选的改进方案，通过将临界的死区时间与预先给定的缓冲安全时间（Sicherheitszeitpuffer）相加这种方式来设定所述死区时间。优选如此选择所述缓冲安全时间，使得所设定的死区时间足够远离临界的死区时间，从而足够好地消除所述开关元件之间的起热作用的横向电流。根据另外的实施方式，能够将所述临界的死区时间乘以大于1的预先给定的因子，以便获得经过调整的死区时间。根据所述方法的一种优选的改进方案，为了测定所述临界的死区时间，而将所测定的温度与预先给定的温度阈值进行比较。如果所测定的温度超过预先给定的温度阈值，则满足中断条件。

根据一种优选的实施方式，所述中断条件取决于在至少一个开关周期之后所测定的温度的变化。例如，能够考虑两个彼此先后相随的开关周期之间的温度差的变化。如果所述变化超过预先给定的阈值，则满足所述中断条件。

根据所述方法的一种优选的改进方案，为了测定所述临界的死区时间而将所测定的温度的梯度与预先给定的梯度阈值进行比较。所测定的温度的梯度例如能够是在切断过程中作为时间的函数的、所测定的温度的变化或者也能够是作为死区时间的函数的、所测定的温度的变化。如果所述梯度超过预先给定的梯度阈值，则满足所述中断条件。

根据优选的实施方式，能够测定在改变所述死区时间之后在预先给定的测量时间段之内是否出现温度的显著升高。为此，能够将温度升高与预先给定的阈值进行比较。所述测量时间段由于起作用的惰性热效应根据半导体散热的措施而能够是几毫秒至几百毫秒。

根据所述方法的一种优选的改进方案，针对逆变器的所有半桥逐渐地执行对于所述死区时间的设定。对于所述半桥中的每个半桥来说，设定相应的半桥的第一开关元件的断开与相应的半桥的第二开关元件的闭合之间的死区时间并且此外设定相应的半桥的第二开关元件的断开与相应的半桥的第一开关元件的闭合之间的死区时间。对于由三个半桥组成的示范性的B6-桥来说，相应地调整并且设定六个不同的死区时间。

根据所述方法的一种优选的改进方案，所述半桥是用于为动力机械供电的元件。尤其所述半桥能够是用于这样的动力机械的逆变器的一部分。优选在以零负荷运行所述动力机械、也就是不输出转矩或至少仅仅输出非常小的转矩时，执行所述方法。所述动力机械能够是用于机动车的驱动装置。通过在零负荷的情况下的运行，确保了所述半桥的连续的开关。

根据所述方法的一种改进方案，所述半桥是逆变器的元件，其中在逆变器的接通过程的期间并且/或者在逆变器的切断过程的期间进行所述死区时间的设定。由此在所述逆变器的运行或使用寿命期间实现对于所述死区时间的调整，从而尤其能够对老化效应进行校正。

优选相应地在死区时间的期间测定温度。在此，例如能够通过多个温度测量值的生成和温度测量值的内插来测定连续的温度走势，或者也能够在所述死区时间的期间仅仅测定单个的测量值。然而也可能的是，相应地在死区时间之外的时刻、例如在死区时间结束之后不久来测量温度。

根据所述装置的一种优选的改进方案，所述温度测定机构包括用于对相应的开关元件的输出端上的电流和电压进行测量的传感器。

根据所述装置的一种优选的改进方案，所述控制机构被构造用于借助于所测量的电流和电压并且在考虑到相应的开关元件的预先给定的特征曲线的情况下确定所述开关元件的温度。

附图说明

其中示出：

图1示出了根据本发明的一种实施方式的用于设定死区时间的装置的示意性的方框图；图2示出了根据本发明的一种实施方式的逆变器的示意性的方框图；

图3示出了所述逆变器的半桥的示意性的电路图；并且

图4示出了根据本发明的一种实施方式的用于设定死区时间的方法的示意性的流程图。

在所有附图中，相同的或者说功能相同的元件和装置设有相同的附图标记。方法步骤的编号是用于清楚起见并且通常不应该包含任何特定的时间顺序。尤其也能够同时实施多个方法步骤。

具体实施方式

图1示出了用于对在半桥2的相应的第一开关元件31的断开与相应的第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD进行设定的装置1的示意性的方框图。所述半桥2能够是逆变器的一部分，该逆变器又能够是电驱动系统的元件。所述逆变器为此与直流电压源相连接并且将在输入侧提供的直流电压转换成交流电压，该交流电压在输出侧被提供给多相电机。对于所述电机的每个相来说，所述逆变器包括相应的半桥2。例如，能够借助于由三个半桥2构成的B6桥来操控三相电机。

开关元件31、32串联地布置在逆变器的正输入接头和逆变器的负输入接头之间。所述半桥2的第一和第二开关元件之间的连接点分别与电机的相接头相耦合。所述开关元件31、32例如能够具有MOSFET或IGBT。然而，本发明不限于这样的元件。更确切地说，所述开关元件能够是任意的半导体开关元件。

所述装置1包括如下控制机构11，该控制机构被构造用于操控逆变器的半桥2。为此，所述装置1本身能够是逆变器的元件或者也能够是与逆变器分开的单元。所述控制机构11将操控信号传输给相应的半桥2，使得所述半桥2的第二开关元件32在第一开关元件31断开之后的死区时间tTD之后被闭合。通过对于开关元件31、32的接通和切断时间的调整来微调死区时间tTD，这能够通过微控制器的软件程序来执行。所述死区时间tTD能够在纳秒范围内变化。开关沿（Schaltflanke）能够在PWM输出端上借助于软件来移动。

所述开关元件31、32的接通和切断过程受大量因素的影响。所述因素例如包括开关元件的接通和切断延迟时间和其它对于操控和闭锁、测量、保护及监控功能来说必要的最小接通和切断时间或死区时间。此外，在驱动器中出现延迟时间，所述延迟时间的温度相关性和老化特性是未知的。

对于被定量得太短的死区时间tTD来说，可能出现不期望的热横向影响。因此，所述控制机构11被设计用于将死区时间tTD首先确定到初始值，所述初始值被选择得足够大，从而不会预期有热干扰影响。这样的数值例如能够根据经验来测定。所述控制机构11被构造用于从初始值开始来逐渐减小死区时间tTD。

此外，所述装置1包括如下温度测定机构12，该温度测定机构测定两个开关元件31、32的温度T。所述温度测定机构12出于精度原因优选被构造用于与用于检测第二开关元件32的温度相同地检测第一开关元件31的温度。为了设定第一开关元件31的断开与第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD，所述温度测定机构12例如能够测定第一开关元件31的温度。然而，根据另外的实施方式，所述温度测定机构12也能够测定第一开关元件31的第一温度T1和第二开关元件32的第二温度T2。

所述温度测定机构12优选包括电流传感器和电压传感器，它们被构造用于测量加载在开关元件31、32的输出端上的电压或流过输出端的电流。所述传感器元件尤其能够测量MOSFET的漏极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压或者IGBT的栅极、集电极和发射极上的相应的电流和电压。此外，所述装置1能够具有如下存储机构，在该存储机构中保存了相应的开关元件的特征曲线，这些特征曲线表明开关元件的温度相关性。在使用这些特征曲线和所测量的电流和电压的情况下，所述温度测定机构12测定相应的开关元件31、32的结温。

所述控制机构11在调整死区时间tTD的期间监控所测定的温度。为此，能够在每个死区时间tTD期间测定相应的温度值或温度走势。如果绝对温度或者温度上升或者说所测定的温度的变化针对两个先后相随的死区时间超过预先给定的阈值，则所述控制机构11识别出温度上升过于剧烈，从而满足中断标准并且达到临界的死区时间tK。所述控制机构11尤其能够将所测定的温度的梯度与预先给定的阈值进行比较。所述阈值能够根据相应的开关元件31、32的热特性来确定。尤其能够考虑将所述开关元件31、32的温度敏感性用于确定所述阈值。

所述控制机构11现在通过将临界的死区时间tK与预先给定的缓冲安全时间相加这种方式来测定新的有待预先给定的或有待设定的死区时间tTD。作为替代方案，能够将所述临界的死区时间tK与大于1的预先给定的因子相乘。

所述控制机构11被构造用于随后如此操控半桥，从而将第一开关元件31的断开与第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD设定到所测定的数值上。

接着优选针对第二开关元件32的断开与第一开关元件31的闭合之间的死区时间tTD来重复所描述的调整。随后，动态地测定用于所有其他半桥2的相应的死区时间tTD。

在图2中示出了根据本发明的一种实施方式的逆变器10的示意性的方框图。所述逆变器10包括多个半桥2、例如三个呈B6-桥的形式的半桥2。所述半桥2中的每个半桥具有第一开关元件31和第二开关元件32。此外，所述逆变器10包括上面所描述的、用于对半桥2的一个开关元件31、32的断开与半桥2的相应另一个开关元件31、32的闭合之间的死区时间tTD进行设定的装置1。

在图3中示出了一种示范性的、如其能够在根据本发明的逆变器10中所使用的那样的B6桥电路。所述逆变器10包括三个被连接在正的高侧51（T +）和负的低侧52（T-）之间的半桥2。所述半桥2中的每个半桥包括第一（高侧）开关元件31和第二（低侧）开关元件32，所述第一（高侧）开关元件和第二（低侧）开关元件具有相应的半导体开关41和并联连接的空载二极管42。所述半导体开关41例如是MOSFET或IGBT。第一开关元件31和第二开关元件32之间的连接节点分别与电机的相接头相接合。然而，本发明不限于所示出的实施方式。因此，所述逆变器10能够具有任意数量的半桥2。

在图4中示出了一种用于对半桥2的第一开关元件31的断开和半桥2的第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD进行设定的方法的流程图。

所述半桥2能够是逆变器10的一个元件，所述逆变器将由直流电压源提供的电能转换成交流电压并且提供给电机、特别是机动车的电机。为此，在第一方法步骤S1中确保所述车辆可靠地停住、也就是例如通过车辆的手制动器的激活来防止溜车。此外，所述逆变器10被置于如下运行模式中，在该运行模式下在车辆的驱动轮上不产生转矩或者仅仅产生不显著的转矩。在这种零力矩调节中，必须同时确保所述开关元件31、32的连续的开关。因此，优选在零负荷时执行所述方法。

在方法步骤S2中，将第一开关元件31的断开和第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD设定到如下初始值上，所述初始值对于全部半导体元件来说是非临界的。

在方法步骤S3中，在并行地测定所述开关元件31、32中的至少一个开关元件的温度的同时，逐渐地减小所述死区时间tTD。

在方法步骤S4中识别，所述死区时间tTD的变化是否引起温度的显著变化。为此，例如能够将温度或温度梯度与预先给定的阈值进行比较。如果所述温度或温度的梯度、也就是例如温度对死区时间tTD的导数不超过阈值，那么继续减小所述死区时间tTD，S3。否则，在方法步骤S5中识别出，已经达到临界的死区时间tK。中断标准得到了满足并且结束所述死区时间tTD的逐步的减小。在考虑到临界的死区时间tK的情况下设定所述死区时间tTD。为此，优选将缓冲安全时间加到临界的死区时间tK上，以便得到经过调整的死区时间tTD。

在方法步骤S6中检查，是否必须对其他的死区时间tTD进行调整。对于每个半桥2来说，必须调整两个死区时间tTD，一方面是半桥2的第一开关元件31的断开和半桥2的第二开关元件32的闭合之间的死区时间tTD，另一方面是半桥2的第二开关元件32的断开和半桥2的第一开关元件31的闭合之间的死区时间tTD。针对所有半桥2并且分别针对两个开关元件31、32执行所述方法步骤S2至S5。因此，在图3中示出的B6半桥中设定总共六个死区时间tTD。如果所有死区时间tTD已经经过调整，则结束该方法。

所测定的经过调整的死区时间tTD能够被保存在非易失性存储器中并且能够在重复执行用于设定死区时间tTD的初始值的方法时加以考虑。优选在预先给定的时间段之后重新执行所述方法，以便补偿老化效应和变化的环境条件。所述方法例如能够在每个接通过程和/或切断过程中或者在逆变器的无源相位（Passivphase）中来执行。

Claims (15)

1.一种用于对半桥（2）的第一开关元件（31）的断开与半桥（2）的第二开关元件（32）的闭合之间的死区时间进行设定的方法，该方法具有以下步骤：

相对于前一个开关周期的死区时间减小一个开关周期的死区时间；和

测定所述开关元件（31、32）中的至少一个开关元件的温度；

其中针对随后的开关周期如此长时间地重复减小死区时间的和测定温度的步骤，直至达到临界的死区时间，对于所述临界的死区时间来说满足取决于所测定的温度的中断条件；并且

其中在考虑到所述临界的死区时间的情况下设定所述死区时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度的测定包括对于相应的开关元件（31、32）的输出端上的电流和/或电压的测量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中借助于相应的开关元件（31、32）的所测量的电流和电压以及预先给定的特征曲线来确定所述开关元件（31、32）的温度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过将所述临界的死区时间与预先给定的缓冲安全时间相加这种方式来设定所述死区时间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中断条件包括所测定的温度超过预先给定的温度阈值这个方面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中断条件取决于在至少一个开关周期之后所测定的温度的变化。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中断条件包括所测定的温度的梯度超过预先给定的阈值这个方面。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中逐渐地针对逆变器（10）的所有半桥（2）执行对于所述死区时间的设定，其中分别设定相应的半桥（2）的第一开关元件（31）的断开与相应的半桥（2）的第二开关元件（32）的闭合之间的第一死区时间以及相应的半桥（2）的第二开关元件（32）的断开与相应的半桥（2）的第一开关元件（31）的闭合之间的第二死区时间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述半桥（2）是动力机械的元件，并且其中在设定所述死区时间时以零负荷运行所述动力机械。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述半桥（2）是逆变器（10）的元件，其中在所述逆变器（10）的接通过程的期间并且/或者在所述逆变器（10）的切断过程的期间进行所述死区时间的设定。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对于所述开关元件（31、32）中的至少一个开关元件的温度的测定在所述死区时间的期间来进行。

12.一种用于对半桥（2）的第一开关元件（31）的断开与所述半桥（2）的第二开关元件（32）的闭合之间的死区时间进行设定的装置（1），该装置具有

控制机构（11），该控制机构被构造用于如此操控所述半桥（2），使得所述半桥（2）的第二开关元件（31）在所述第一开关元件（31）的断开之后的死区时间之后被闭合；和

温度测定机构（12），该温度测定机构被构造用于测定所述开关元件（31、32）中的至少一个开关元件的温度；

其中所述控制机构（11）被构造用于相对于前一个开关周期的死区时间来减小一个开关周期的死区时间，其中所述温度测定机构（12）被构造用于在减小所述死区时间之后测定所述开关元件（31、32）中的至少一个开关元件的温度，其中所述控制机构（11）和所述温度测定机构（12）被构造用于针对随后的开关周期如此长时间地重复所述死区时间的减小以及所述温度的测定，直至达到临界的死区时间，对于所述临界的死区时间来说满足取决于所测定的温度的中断条件，并且其中所述控制机构（11）被构造用于在考虑到所述临界的死区时间的情况下设定所述死区时间。

13.根据权利要求12所述的装置（1），其中所述温度测定机构（12）包括用于对所述相应的开关元件的输出端上的电流和/或电压进行测量的传感器（13）。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的装置（1），其中所述控制机构（11）被构造用于借助于所述相应的开关元件（31、32）的所测量的电流和电压以及预先给定的特征曲线来确定所述开关元件（31、32）的温度（T）。

15.一种逆变器（10），该逆变器具有多个半桥（2），所述半桥分别具有两个开关元件（31、32）；并且该逆变器具有根据权利要求11至13中任一项所述的装置（1），所述装置用于设定半桥（2）的相应的开关元件（31、32）的断开与闭合之间的死区时间。

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