CN116266734A - 用于驱控功率半导体的电路系统的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于驱控功率半导体的电路系统的方法，电路系统特别是用于具有至少一个相的逆变器的功率半导体，该电路系统具有两个半导体开关，其中每个半导体开关具有至少两个相互并联的由不同半导体材料制成的功率半导体。该方法的特征在于，在一个时钟周期内，在其中每个相中分别在半导体开关之间的切换的第一个或最后一个开关时间点进行不同半导体材料的功率半导体之间的切换。

Description

用于驱控功率半导体的电路系统的方法
技术领域
本发明涉及电动车领域，尤其是涉及用于电动驱动器的电子器件模块领域。
背景技术
近几十年来，电子器件模块，如功率电子器件模块，在机动车中的应用已大大增加。这一方面是由于改善燃油经济性和车辆性能的必要性，并且另一方面是由于半导体技术的进步。这种电子器件模块的主要组成部分是DC/AC逆整流器(逆变器)，其被用于以多相交流电流(AC)向诸如电动马达或发电机那样的电机通电。在此，将借助DC能量源(如电池)产生的直流电流切换成多相的交流电流。为此目的，逆变器包括多个电子构件，用这些电子构件实现桥式电路(如半桥)，例如也被称为功率半导体的半导体功率开关。
用于提升逆变器功率的常见的措施是，将具有由不同半导体材料构成的功率半导体(例如SiC-MOSFET和Si-IGBT)的半导体开关并联起来。在调制方法的一个周期内，通常将经历四个开关状态。目前，从由第一种半导体材料制成的功率半导体到由第二种半导体材料制成的功率半导体或相反切换的可能切换点总是处于调制周期结束时或下一个调制周期的开始时。在调制周期结束时固定切换的情况下，特别是在高调制度(即大的开通持续时间)下因此相关的开关会出现非常短的脉冲。然而，短脉冲时间特别是对硅半导体来说是有害的，这是因为这些硅半导体需要一定的时间来达到其电子-空穴等离子体的饱和状态。如果在这之前就已经关断构件，可能会导致构件出现不期望的开关行为。由于电子在总电流中的较高份额，使得该构件会更快地被切断，这将导致更高的过电压，并可能破坏构件。此外，负载电流有可能中断，这同样导致了过电压。因此，在目前的硅基的逆变器中，实施了在高调制度的情况下对短脉冲的抑制。在两种半导体材料之间进行附加的切换进一步加剧了这一问题。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种改进的方法以用于驱控并联的具有不同半导体材料的功率半导体的电路系统，其中，提供最佳的切换时间点，以便从由一种半导体材料制成的开关切换到由另一种不同半导体材料制成的开关。
该任务通过独立权利要求的特征来解决。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
提出了一种用于驱控具有至少一个相的逆变器的功率半导体的电路系统的方法，该电路系统具有两个半导体开关，其中每个半导体开关具有至少两个相互并联的由不同半导体材料制成的功率半导体。该方法的特征在于，在一个时钟周期内，在其中每个相中分别在半导体开关之间的切换的第一个或最后一个开关时间点进行不同半导体材料的功率半导体之间的切换。
由于不同的半导体材料之间的独特的切换发生在本来就存在的从一个半导体开关切换到另一个半导体开关的时间点，使得可以节省开关过程。此外，因此即使在较高的调制度的情况下也能有效抑制短脉冲。
在一个实施方案中，依赖于调制度和被切换到的功率半导体的半导体材料地设置短脉冲抑制。通过短脉冲抑制能够使用甚至更高的调制度。
此外，还提出了一种电路系统，该电路系统是用于驱控配备有电驱动器的车辆的电动驱动器的电子器件模块的逆变器的一部分，并具有至少两个半导体开关，其中每个半导体开关具有至少两个相互并联的由不同半导体材料制成的功率半导体。该电路系统在此以如下方式被驱控，即，使得在一个时钟周期内，在其中每个相中分别在半导体开关之间的切换的第一个或最后一个开关时间点进行不同半导体材料的功率半导体之间的切换。
在一个实施方案中，其中一个半导体开关是高边开关，而另一个半导体开关是低边开关。在一个实施方案中，第一功率半导体被构造为单极性半导体器件，而第二功率半导体被构造为双极性半导体器件。在一个实施方案中，其中一个功率半导体的半导体材料是碳化硅，而另一个功率半导体的半导体材料是硅。
此外，还提出了一种控制单元，它被设立成用于实施该方法。
此外，还提出了一种逆变器，尤其是牵引逆变器，该逆变器具有所描述的电路系统。
此外，还提出了一种车辆的电动驱动器，其具有用于驱控电动驱动器的电子器件模块，电子器件模块具有逆变器，逆变器具有所描述的电路系统。在一个实施方案中，电动驱动器被构造为机动车的电车桥驱动器。此外，还提出了一种车辆，其具有所描述的电动驱动器。
本发明的另外的特征和优点由以下对本发明的实施例的描述、示出根据本发明的细节的附图、以及权利要求得出。在本发明的变体中，各个特征可以单独实现或以任意组合方式实现。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选实施方式进行更详细的解释。
图1示出根据现有技术的在空间矢量调制情况下的开关状态的转变示意图；
图2示出根据现有技术的在一个时钟周期内的开关点的示意图；
图3示出根据现有技术的在相同扇区(Sextant)中两个相继的空间矢量的示意图；
图4示出根据现有技术的在高调制的情况下的开关状态的示意图；
图5示出根据本发明的一个实施方案的在第一切换点中的开关点的示意图；
图6示出根据本发明的一个实施方案的在第二切换点中的开关点的示意图。
在下面的附图描述中，相同的元件或功能设有相同的附图标记。
具体实施方式
目前，用于逆变器的电路系统是已知的，电路系统具有半导体开关10、20，这些半导体开关具有由不同半导体材料制成的功率半导体，例如由碳化硅制成的功率半导体，例如SiC-MOSFET，和由硅制成的功率半导体，例如Si-IGBT。通常，由碳化硅制成的功率半导体是单极性构件，而由硅制成的功率半导体是双极性构件。
在逆变器中，在调制方法的一个时钟周期内，通常将经历四个开关状态，如图1中示出了空间矢量调制的示例，先从1直到4，然后再从4返回直到1(1和4是零电压空间矢量)。目前，从一种半导体材料到另一种半导体材料，即从一种功率半导体到另一种功率半导体的或相反切换的可能切换点SP1、SP2总是位于调制周期的结束时或下一个调制周期的开始时，如图2至图4中所示。其原因是，迄今，只有在经历了所有的转变(1到4并且又返回到1)之后，才可以处理经更新的开关信息。
如果将电时钟周期T_p绘制成时间图，就得到了图2中示例性所示的脉冲图案。图中示出了三个相u、v、w、以及每个相u、v、w的两个半导体开关10、20，其中一个是高边开关10，并且一个是低边开关20，其中每个半导体开关又具有至少两个相互并联的由不同的半导体材料制成的功率半导体。例如，一种半导体材料是碳化硅SiC，而另一种是硅Si。此外，其中一个功率半导体例如是MOSFET，例如SiC-MOSFET，而另一个是Si-IGBT。
低边开关20的面积与高边开关10的面积之比由确定各个相u、v、w的占空比(即开通持续时间)的当前调制度得出。这种调制度与转矩或相电流成比例。之后，开始新的(电)时钟周期，在该新的时钟周期内根据马达的位置，将经历转变示意图的相同的或相邻的扇区。
由于调制度变化相对较慢，所以占空比从时钟周期T_p1到时钟周期T_p2依赖于机器的电频率而改变，以便调制出正弦电流。在使用相同的图案的情况下，因此低边开关20的开通持续时间翻倍(在该示例中)，如图3中所示。
目前，从一个功率半导体到另一个功率半导体的切换，即从一种半导体材料到另一种半导体材料的切换或者相反的切换在时钟周期T_p；T_p1、T_p2(也被称为时钟循环)结束时进行。由此不出现相关的开关(这里是低边开关20)处于激活状态的时间翻倍。然而，根据调制度，在此也可能出现不期望的短脉冲。
在导致更高的占空比的更高的调制度的情况下，相对置的开关(即高边开关10)提高了其开通持续时间，如图4中示例性所示。相反，低边开关20的开通时间则急剧下降。因此，在时钟周期T_p；T_p1、T_p2结束时的固定切换的情况下，特别是在高调制度，即大占空比的情况下将出现低边开关20的非常短的脉冲(短脉冲)。
短脉冲时间特别是对硅半导体是有害的，这是因为这些硅半导体需要一定的时间来达到其电子-空穴等离子体的饱和状态。如果构件在达到饱和状态之前就被关断，就会出现构件的不期望的开关行为。由于电子在总电流中的份额较高，使得构件会更快地被切断，这导致了更高的过电压并会损坏构件。此外，负载电流有可能中断，这也导致了过电压。因此，在目前的硅基的逆变器中，在高调制度的情况下实施了对短脉冲的抑制。然而，半导体材料的附加的切换进一步加剧了这一问题。因此，本发明的目的是确定半导体材料之间的最佳的切换时间点。
在目前的现有技术中，如图2至图4中所示，从一个功率半导体到另一个功率半导体的切换分别在调制方法的时钟周期T_p的开始时或结束时的相同开关点SP1或/和SP2进行，该调制方法通常是脉宽调制。
为了解决上述问题，根据本发明以如下方式驱控电路系统，即，使切换不再如前述那样发生在调制方法的时钟周期T_p开始时或结束时的相同开关点SP1或/和SP2。因此，在其中每个相(在本实施方案中设置有三个相u、v、w)中在两种不同的半导体材料之间的切换可以不依赖于彼此地进行。
在每个相u、v、w中，切换到另一种半导体材料现在发生在位于一个时钟周期T_p中的可以在高边开关10与低边开关20之间(或相反地)进行切换的第一个开关时间点SP1_u、SP1_v、SP1_w(图5)或发生在位于一个时钟周期T_p中的可以在高边开关10与低边开关20之间(或相反地)进行切换的最后一个开关时间点SP2_u；SP2_v；SP2_w(图6)。
由于在该切换时间点期间在硬件方面仍必须实施死区时间以用于保护半导体免受桥式短路的影响，因此半导体材料的变换在这里是特别有意义的。牵引逆变器就可以保证稳定运行而不需要附加的切换过程。因此，该变换在正常变换到互补的开关期间，即在从高边开关10到低边开关20或相反变换的期间进行。
在导电开关可以从高边到低边或从低边到高边地变换之前，需要使两个开关都是处于切断的时间。该时间是必要的，这是因为半导体(半导体器件)需要一定的时间来变换到阻断状态中。该时间被称为死区时间，并与所使用的半导体有关。只有在死区时间后，才可以再次接通相对置的开关。在该死区时间期间，电流通过马达绕组施加。
所提出的切换策略的优点是有效地抑制了短脉冲，并且在每次切换过程(除全调控外)都节省了接通和切断过程，这导致了较低的开关损耗。此外，三个相u、v、w的切换现在不依赖于彼此地进行，即不再(强制地)像以前那样在调制方法的时钟周期T_p的开始或结束时在相同开关点SP1或/和SP2进行切换。
在某些情况下，尤其是在从碳化硅切换到硅的情况下，必须继续根据调制度来实施短脉冲抑制，以便防止构件损坏。例如通过限制调制度来实现短脉冲抑制。
在附图中所示的示例中，时钟周期T_p；T_p1、T_p2总是从低边开关20开始。然而也有可能的是，时钟周期T_p；T_p1、T_p2从高边开关10开始。基本构思并不因此而改变。
在附图中分别示出了三个相u、v、w，并且本发明基于这三个相u、v、w进行描述。然而，本发明并不限于三个相u、v、w。相反，也可以只设置一个相、两个相或多于三个相u、v、w的相，这是因为本发明的基本构思即使只有一个相也能被应用。
功率半导体可以是单极性构件，如MOSFET、JFET、级联件等，也可以是双极性构件，如IGBT。一种半导体材料有利地是硅，另一种半导体材料有利地是碳化硅，其中，也可以使用适合该应用的其他半导体材料。
通过所提出的被用在逆变器中的电路系统的驱控方法可以实现高效的逆变器，该高效的逆变器例如用作驱动逆变器或牵引逆变器，其中，在从一个激活的开关切换到另一激活的开关(高位到低位或相反地)时减少了开关损耗。电路系统(针对该电路系统提出了用于驱控的方法)可以被用在用于驱控配备有电动驱动器的车辆的电动驱动器的电子器件模块的逆变器中。电气化的车桥也可以通过电动驱动器来驱动。驱控方法有利地经由控制单元来运行。
在本发明范围内的电子器件模块被用于运行车辆的、尤其是电动车辆和/或混合动力车辆和/或电气化的车桥的电动驱动器。电子器件模块包括DC/AC逆整流器(英文：Inverter)。它还可以包括AC/DC整流器(英文：Rectifier)、DC/DC切换器(英文：DC/DCConverter)、变压器(英文：Transformer)和/或其他电切换器或者包括这种切换器的一部分或者是其中一部分。尤其地，电子器件模块被用于为电机、例如电动马达和/或发电机通电。DC/AC逆整流器优选被用于从借助能量源(如电池)的DC电压产生的直流电流产生多相的交流电流。
附图标记列表
1-4 开关状态
10 半导体开关(高边、HS)
20 半导体开关(低边、LS)
u、v、w 相
SP1、SP2 迄今的开关点
SP1_u、SP2_u相u的开关点
SP1_v、SP2_v相v的开关点
SP1_w、SP2_w相w的开关点
T_p；T_p1；T_p2电周期

Claims (11)

1.用于驱控具有至少一个相(u、v、w)的逆变器的功率半导体的电路系统的方法，所述电路系统具有两个半导体开关(10、20)，其中每个半导体开关具有至少两个相互并联的由不同半导体材料制成的功率半导体，其特征在于，
在一个时钟周期(T_p；T_p1、T_p2)内，在其中每个相(u、v、w)中分别在半导体开关(10、20)之间的切换的第一个或最后一个开关时间点(SP1_u、SP2_u；SP1_v、SP2_v；SP1_w、SP2_w)进行不同半导体材料的功率半导体之间的切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，依赖于调制度和被切换到的功率半导体的半导体材料地设置短脉冲抑制。
3.电路系统，所述电路系统是用于驱控配备有电驱动器的车辆的电动驱动器的电子器件模块的逆变器的一部分，并且所述电路系统具有至少两个半导体开关(10、20)，其中每个半导体开关具有至少两个相互并联的由不同半导体材料制成的功率半导体，并且其中，所述电路系统以如下方式被驱控，即，在一个时钟周期(T_p；T_p1、T_p2)内，在其中每个相(u、v、w)中分别在半导体开关(10、20)之间的切换的第一个或最后一个开关时间点(SP1_u、SP2_u；SP1_v、SP2_v；SP1_w、SP2_w)进行不同半导体材料的功率半导体之间的切换。
4.根据权利要求3所述的电路系统，其中，所述半导体开关中的一个是高边开关(10)，并且所述半导体开关中的另一个是低边开关(20)。
5.根据权利要求3或4所述的电路系统，其中，第一功率半导体被构造为单极性半导体器件，而第二功率半导体被构造为双极性半导体器件。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电路系统，其中，所述功率半导体中的一个功率半导体的半导体材料是碳化硅，而另一功率半导体的半导体材料是硅。
7.控制单元，所述控制单元被设立成用于实施根据权利要求1或2所述的方法。
8.逆变器、尤其是牵引逆变器，所述逆变器具有根据权利要求3至6中任一项所述的电路系统。
9.车辆的电动驱动器，所述电动驱动器具有用于驱控所述电动驱动器的电子器件模块，所述电子器件模块具有根据权利要求8所述的具有电路系统的逆变器。
10.根据权利要求9所述的电动驱动器，所述电动驱动器被构造为机动车的电车桥驱动器。
11.车辆，所述车辆具有根据权利要求9或10所述的电动驱动器。
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