CN116470782A - 用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法和设备 - Google Patents

用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法和设备，包括步骤：求取用于对至少具有电池、逆变器和电机的电系统的电池进行充电的需求，逆变器基于由至少一个第一半导体结构元件和第二半导体结构元件组成的至少一个串联电路设置成，将通过电池提供的直流电压转换为适合用于电机的交流电压并且提供交流电压；匹配第一半导体结构元件和/或第二半导体结构元件的栅极电压，以便在对电池进行充电期间基本上中断电池与电机之间的电流流动，通过降低第一半导体结构元件的和第二半导体结构元件的相应的栅极电压，减小相应的半导体结构元件的栅极氧化物层的电压负荷，和/或使相应的半导体结构元件的漏极源极段的电压负荷彼此均衡。

Description

用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于减小逆变器的并且尤其是三相逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法和设备。
背景技术
在能够电驱动的车辆的电池的充电运行中，驱动逆变器通常是非主动的(inaktiv)，该车辆具有电系统，该电系统包括电池、驱动逆变器和电动马达。在此，原则上已知两个用于附接驱动逆变器的系统概念。要么通过附加的开关断开该驱动逆变器，要么将该驱动逆变器置于非主动的模式中或保留在该非主动的模式中。
出于成本原因，通常省去这样的附加的开关，使得在逆变器中使用的半导体在充电运行期间由于施加负的栅极源极电压并且通过施加所谓的DC链路电压的一部分而受到负荷。
此外，由现有技术已知如下车辆：所述车辆实现双向的充电运行，在所述充电运行中，存储在车辆的电池中的能量也可以在相反的方向上流动至外部的充电站。这就是说，附加地在反向的能量流动的时间段中，也存在驱动逆变器的半导体的上述负荷，只要所述驱动逆变器未通过附加的开关与电池电流分离。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出一种用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的方法，所述逆变器例如是电驱动车辆的驱动逆变器。
在根据本发明的方法的第一步骤中，求取用于对电系统的电池进行充电的需求，该电系统至少具有所述电池、所述逆变器和电机。如果该电系统是能够电驱动的车辆的组成部分，则该电机例如是该车辆的驱动系的电动马达，其中，该电系统不局限于这样的应用并且不局限于在车辆中的应用。
用于对电池进行充电的需求例如由充电设备产生，该充电设备在车辆的充电过程的情况下与该车辆电连接。
该逆变器基于由至少一个第一半导体结构元件和第二半导体结构元件组成的至少一个串联电路设置成，将通过电池提供的直流电压转换为适合用于电机的交流电压并且提供该交流电压。半导体结构元件例如构造为MOSFET、SiC-MOSFET和/或构造为功率半导体。此外可能的是，相应另外的半导体结构元件与第一半导体结构元件和/或与第二半导体结构元件并联连接，以便例如切换高的负载电流。优选地，在这样的情况下，以相同且同时的方式操控相应的并联电路内的全部半导体结构元件。对相应的半导体结构元件的操控优选借助根据本发明的分析处理单元和/或借助单独的栅极驱动器来进行，所述单独的栅极驱动器可以在信息技术方面与这样的分析处理单元连接。
在根据本发明的第二步骤中，匹配第一半导体结构元件的栅极电压(用于“栅极源极电压”的简称)和/或第二半导体结构元件的栅极电压，以便在对电池进行充电期间基本上中断电池与电机之间的电流流动。“基本上”在此涉及通产存在的漏电流，所述漏电流也可以在所述半导体结构元件的关断状态中流动通过所述半导体结构元件的源极漏极段。相应地，电流流动的中断在此代表第一半导体结构元件的和/或第二半导体结构元件的关断状态。
如此匹配第一半导体结构元件的栅极电压和/或第二半导体结构元件的栅极电压，使得通过降低第一半导体结构元件的和第二半导体结构元件的相应的栅极电压，减小相应的半导体结构元件的栅极氧化物层的电压负荷。
替代地或者附加地，如此匹配栅极电压，使得使相应的半导体结构元件的漏极-源极段的电压负荷彼此均衡(Angleichen)。两个半导体结构元件的不同的电压负荷可以由于半导体结构元件的相应的漏极-源极段的具有偏差的电导(Leitwert)得出，所述电导引起两个半导体结构元件上的相应不同的电压降。
为了使相应的半导体结构元件的漏极-源极段的电压负荷均衡，借助适合的电压传感器执行电压测量，在所述电压测量的基础上求取电压负荷的相应的偏差。为此，相应的电压传感器例如在信息技术方面与根据本发明的分析处理单元连接。
由于半导体结构元件的经减小的和/或彼此均衡的电压负荷，当处于成本原因和/或空间原因等没有设置有用于在充电运行中将逆变器电流分离的开关时，能够通过这种方式有利地用于逆变器的更高的使用寿命。此外，借助根据本发明的方法能够补偿半导体结构元件的生产公差，使得可以降低对半导体结构元件的公差要求，由此相应地也能够减小半导体结构元件的制造成本。
尤其是，当所使用的半导体结构元件相对于总使用持续时间按比例主要在关断的状态中运行时，可以发挥所述优点。这尤其可以涉及上述能够电驱动的车辆，所述车辆的使用时间段通常明显低于其充电时间段。
以下示出本发明的优选的扩展方案。
在本发明的一种有利构型中，在对电池充电期间，将第一半导体结构元件的和第二半导体结构元件的相应的漏极-源极电压不间断地调设为基本上相同的值。换言之，因此不仅产生漏极-源极电压彼此的接近，还产生漏极-源极电压的相同的特征。
替代于此地，在对电池进行充电期间，分别交替地在导电运行与不导电运行之间切换第一半导体结构元件和第二半导体结构元件，其中，相应地，两个半导体结构元件中的仅一个半导体结构元件处在导电运行中，而两个半导体结构元件中的相应另一个半导体结构元件处在不导电运行中，并且其中，在对电池进行充电期间，两个半导体结构元件的导电运行的相应的总持续时间基本上是相同的。换言之，由此同样实现两个半导体结构元件在该时间上的均匀的电压负荷。在逆变器的下述多相设计的背景下，这尤其提供特别的优点，因为各个半导体的负荷能够依次划分到不同相的半导体上，使得相应地减小相应的半导体的单个负荷。
特别优选地，第一半导体结构元件的和第二半导体结构元件的相应的栅极电压设置为0V或者接近0V，用以减小半导体结构元件的相应的栅极氧化物层的电压负荷。
有利地，第一半导体结构元件的和所述第二半导体结构元件的相应的栅极电压仅匹配在如下电压范围内，以便使所述半导体结构元件的相应的漏极-源极段的电压负荷均衡：所述电压范围从负的栅极电压值直至预定义的阈值，其中，所述预定义的阈值低于相应的半导体结构元件的阈值电压。优选地，预定义的阈值比半导体结构元件的阈值电压小至少1V，使得漏电可以保持得低和/或不以意外的方式将相应的半导体置于接通的状态中。应指出的是，在漏电流的高度方面，即使在栅极电压接近阈值的情况下，根据本发明的对半导体结构元件的减小电压负荷的操控通常也不构成问题，因为该操控在电池的充电模式期间进行，在该充电模式中，由于漏电流造成的损耗功率由充电设备承担，而不是由电池承担。
在本发明的另一种有利构型中，逆变器具有多个由至少一个第一半导体结构元件和第二半导体结构元件组成的串联电路(例如两个或者三个或者更多个半桥电路或者全桥电路)，其中，每个串联电路设置用于分别操控多相电机(例如三相电动马达)的一个相，其中，在对电池进行充电期间，减小和/或均衡所有半导体结构元件的电压负荷。该均衡优选导致相应的相之间的0V的电压差。
有利地，基于代表在由至少两个半导体结构元件组成的至少一个串联电路上的总电压降的第一电压测量，并且基于代表在如下半导体结构元件上的电压降的第二电压测量来匹配相应的栅极电压：该半导体结构元件在串联电路中位于较低电势的侧上(即“低侧”半导体结构元件)。在驱动逆变器中，通常设置有三个平行相，所述相通过电动马达的定子漏电感进行短路。由此可能的是，在第一近似中假设全部三个相上的电压是相同。因此，各个相电压传感器的上述使用足以测量所有半导体上的电压。这实现本发明的一种特别成本有利的构型，因为尽管该逆变器设计用于多个相也只要一个相电压传感器。
在本发明的另一种有利构型中，在较低电势的侧上的半导体结构元件上的电压降基于NTC电阻的测量值并且基于半导体结构元件的所估计的温度来求取，该NTC电阻设置用于半导体结构元件的温度测量。这提供如下优点：不需要为了通过半导体结构元件的电压测量而布置附加的电压传感器，因为通常已经存在当前的通过用于求取半导体结构元件的温度的NTC电阻的电压测量。因此，通过将NTC电阻通过高欧姆电阻与半导体结构元件的漏极接头连接，能够基于由此构造的分压器实施半导体结构元件的特别简单且成本有利的电压测量。
进一步有利地，在考虑相应的半导体结构元件的当前的退化(Degradation)的情况下，使相应的半导体结构元件的电压负荷均衡，所述退化尤其基于栅极电压变化来求取。为此，在低于半导体结构元件的阈值电压的电压范围(也被称为“子阈值”范围)中设置半导体结构元件的栅极电压的变化，以便辨认半导体结构元件的特性曲线的改变。随后，有利地在减小半导体结构元件的电压负荷的情况下，考虑该特性曲线的可能确定的改变。
根据本发明的第二方面，提出一种用于减小逆变器的半导体结构元件的电压负荷的设备。该设备具有第一半导体结构元件、第二半导体结构元件和分析处理单元。该分析处理单元例如构型为ASIC、FPGA、处理器、数字信号处理器、微控制器或者类似物，并且优选在信息技术方面与第一栅极驱动器和第二栅极驱动器连接，所述第一栅极驱动器和第二栅极驱动器分别与两个半导体结构元件的控制输入端(栅极)连接。第一栅极驱动器和第二栅极驱动器例如集成到该分析处理单元中和/或构造为单独的部件。该分析处理单元设置用于，求取用于对电系统的电池进行充电的需求，该电系统至少具有所述电池、所述逆变器和电机，其中，逆变器基于由至少一个第一半导体结构元件和第二半导体结构元件(例如分别是MOSFET)组成的至少一个串联电路设置成，将通过电池提供的直流电压转换为适合用于电机的交流电压并且提供该交流电压。此外，该分析处理单元设置用于，(优选借助第一栅极驱动器)匹配第一半导体结构元件的栅极电压和/或(优选借助第二栅极驱动器)匹配第二半导体结构元件的栅极电压，以便在对电池进行充电期间基本上中断电池与电机之间的电流流动，其中，通过降低第一半导体结构元件的和第二半导体结构元件的相应的栅极电压，减小相应的半导体结构元件的栅极氧化物层的电压负荷，和/或其中，使相应的半导体结构元件的漏极-源极段的电压负荷彼此均衡。特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点这样清楚地相应于结合最先被提到的本发明方面所阐释的特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点，使得为了避免重复而参考上述阐释。
附图说明
下面，参考所附附图详细描述本发明的实施例。在此示出：
图1示出根据本发明的设备的一种实施方式的电路图；
图2示出阐明示例性的根据本发明的相电压测量的电路图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的设备的一种实施方式的电路图。该设备具有逆变器30，该逆变器设置用于将电池40的直流电压转换为三相交流电压Uac。为了简化示意图，通过虚线矩形代表三个相P1、P2、P3的相应的电路，其中，仅详细示出第一相P1的电路，作为所有三个相P1、P2、P3的代表。另外的相P2、P3构造得与第一相P1类似。
第一相P1的电路具有两个并联连接的第一MOSFET 10，所述第一MOSFET与两个并联连接的第二MOSFET 20串联连接。应指出的是，MOSFET 10、20在此简化地示为能控制的电阻，其分别代表半导体结构元件10、20的漏极-源极段的电阻。三个相P1、P2、P3的电路的相应的中心点接头35与电动马达50电连接，使得逆变器30通过这种方式设置用于，借助三相交流电压Uac给电动马达50供电。
此外，根据本发明的设备包括分析处理单元60，该分析处理单元在此构造为ASIC，该分析处理单元在信息技术方面与第一栅极驱动器70和第二栅极驱动器75连接。栅极驱动器70、75又与相应相对应的半导体结构元件10、20电连接。应指出的是，第二相P2的和第三相P3的电路也以与此相类似的方式设计，但是为了清楚起见省略所述电路的栅极驱动器和相应的电连接。
根据本发明的逆变器30不是持久地与电池40电连接，其中，电池40设置用于为逆变器30提供直流电压Ubat。
分析处理单元60附加地设置用于，如果充电设备80通过(未示出)的充电电缆与电池40电连接，则该分析处理单元在信息技术方面与外部充电设备80连接。
基于上述配置，分析处理单元60设置用于，求取用于对电池40进行充电的需求，该需求是由充电设备80以信号的形式输出的，并且在存在用于对电池40进行充电的需求的情况下，借助第一栅极驱动器10匹配第一半导体结构元件10的栅极电压和/或借助第二栅极驱动器20匹配第二半导体结构元件20的栅极电压，以便在对电池40进行充电期间基本上中断电池40与电机50之间的电流流动。
为了减小半导体结构元件10、20的相应的漏极-源极段的电压负荷，这样确定经匹配的栅极电压，使得第一半导体结构元件10的漏极-源极段的相应的电阻值(或在这些段上下降的漏极-源极电压)关于第二半导体结构元件20的漏极-源极段的相应的电阻值尽可能地彼此均衡，而相应的栅极电压尽可能地接近0V的值，以便同时减小半导体结构元件10、20的栅极氧化物层的电压负荷。
作为用于匹配相应的栅极电压的基础，执行电压测量，以便求取第一半导体开关10与第二半导体开关20之间的电压偏差。为此，一方面求取通过逆变器30的串连电路施加的第一电压，另一方面求取代表第一相P1的电压的第二电压。在此，出于清楚的示意图的原因，未示出相应的电压传感器。
有利地，半导体结构元件10、20被操控以交替地打开和关闭，使得各个半导体结构元件10、20在该时间上的相应的电压负荷减小。
为了均衡漏极-源极电压，将如下范围限制为从负值直至预定的阈值为止的范围：在该范围内匹配相应的栅极电压；该阈值在此比半导体结构元件10、20的阈值电压小1V。
图2示出阐明示例性的根据本发明的相电压测量的电路图。为了清楚起见，在图2中仅示出根据本发明的逆变器30的第一半导体结构元件10，该逆变器除此之外还具有与第一半导体结构元件10串联地布置的第二半导体结构元件20。
此外，示出已知的用于借助NTC电阻100测量第一半导体结构元件10的温度的配置，该NTC电阻与第一半导体结构元件10热耦合。NTC电阻100为此通过通过电流源110馈电，使得能够借助模拟数字转换器90检测NTC电阻100上的电压降。
与NTC电阻100并联连接的电容器120示范性地布置用于过滤电压和过电压保护。
根据本发明，以高欧姆电阻130(例如以1兆欧高)扩展上述已知的配置，该高欧姆电阻与NTC电阻100结合构造分压器，该分压器与第一半导体结构元件10(在此是MOSFET)并联连接并且因此设置用于执行逆变器30的DC链路电压测量。
另外，根据本发明，设置有分析处理单元60，该分析处理单元设置用于接收通过模拟数字转换器90检测的电压值并且根据本发明基于所述电压值和关于NTC电阻100的当前温度的信息来操控半导体结构元件10、20。关于NTC电阻100的当前温度的信息能够例如基于相邻相的温度传感器和/或基于如下温度传感器来求取：所述温度传感器测量用于冷却半导体结构元件10、20的冷却剂回路的温度。此外，分析处理单元60设置用于在与逆变器30耦合的电池40的充电运行期间停用电流源110，使得NTC电阻100可以用于测量相电压。

Claims (10)

1.一种用于减小逆变器(30)的半导体结构元件(10，20)的电压负荷的方法，所述方法具有下述步骤：
求取用于对电系统的电池(40)进行充电的需求，所述电系统至少具有所述电池(40)、所述逆变器(30)和电机(50)，其中，所述逆变器(50)基于由至少一个第一半导体结构元件(10)和第二半导体结构元件(20)组成的至少一个串联电路设置成，将通过所述电池(40)提供的直流电压(Ubat)转换为适合用于所述电机(50)的交流电压(Uac)并且提供所述交流电压，
匹配所述第一半导体结构元件(10)的栅极电压和/或所述第二半导体结构元件(20)的栅极电压，以便在对所述电池(40)进行充电期间基本上中断所述电池(40)与所述电机(50)之间的电流流动，其中，通过降低所述第一半导体结构元件(10)的相应的栅极电压和所述第二半导体结构元件(20)的相应的栅极电压，减小相应的半导体结构元件(10，20)的栅极氧化物层的电压负荷，和/或
使相应的半导体结构元件(10，20)的漏极-源极段的电压负荷彼此均衡。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在对所述电池(40)进行充电期间，将所述第一半导体结构元件(10)的相应的漏极-源极电压和所述第二半导体结构元件(20)的相应的漏极-源极电压不间断地调设为基本上相同的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在对所述电池(40)进行充电期间，分别交替地在导电运行与不导电运行之间切换所述第一半导体结构元件(10)和所述第二半导体结构元件(20)，其中，
所述两个半导体结构元件(10，20)中的相应仅一个半导体结构元件处在导电运行中，而所述两个半导体结构元件(10，20)中的相应另一个半导体结构元件处在不导电运行中，
在对所述电池(40)进行充电期间，所述两个半导体结构元件(10，20)的导电运行的相应的总持续时间基本上是相同的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一半导体结构元件(10)的相应的栅极电压和所述第二半导体结构元件(20)的相应的栅极电压设置为0V或者接近0V，用以减小所述半导体结构元件(10，20)的相应的栅极氧化物层的电压负荷。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一半导体结构元件(10)的相应的栅极电压和所述第二半导体结构元件(20)的相应的栅极电压仅在如下电压范围内匹配，以便使所述半导体结构元件(10，20)的相应的漏极-源极段的电压负荷均衡：所述电压范围从负的栅极电压值直至预定义的阈值，其中，所述预定义的阈值低于相应的半导体结构元件(10，20)的阈值电压。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述逆变器(30)具有多个由至少一个第一半导体结构元件(10)和第二半导体结构元件(20)组成的串联电路，其中，每个串联电路设置用于分别操控多相电机(50)的一个相，其中，在对所述电池(40)进行充电期间，减小和/或均衡所有所述半导体结构元件(10，20)的电压负荷。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于代表在由至少两个半导体结构元件(10，20)组成的至少一个串联电路上的总电压降的第一电压测量、和代表在如下半导体结构元件(10，20)上的电压降的第二电压测量来匹配相应的栅极电压：所述半导体结构元件在所述串联电路中位于较低电势的侧上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在较低电势的侧上的半导体结构元件(10，20)上的电压降基于NTC电阻的测量值并且基于所述半导体结构元件(10，20)的所估计的温度来求取，所述NTC电阻设置用于所述半导体结构元件(10，20)的温度测量。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在考虑相应的半导体结构元件(10，20)的当前的退化的情况下，使相应的半导体结构元件(10，20)的电压负荷均衡，所述退化尤其基于栅极电压变化来求取。
10.一种用于减小逆变器(30)的半导体结构元件(10，20)的电压负荷的设备，所述设备具有：
第一半导体结构元件(10)，
第二半导体结构元件(20)，
分析处理单元(60)，
其中，所述分析处理单元(60)设置用于，
求取用于对电系统的电池(40)进行充电的需求，所述电系统至少具有所述电池(40)、所述逆变器(30)和电机(50)，其中，所述逆变器(50)基于由至少一个第一半导体结构元件(10)和第二半导体结构元件(20)组成的至少一个串联电路设置成，将通过所述电池(40)提供的直流电压(Ubat)转换为适合用于所述电机(50)的交流电压(Uac)并且提供所述交流电压，
匹配所述第一半导体结构元件(10)的栅极电压和/或所述第二半导体结构元件(20)的栅极电压，以便在对所述电池(40)进行充电期间基本上中断所述电池(40)与所述电机(50)之间的电流流动，其中，通过降低所述第一半导体结构元件(10)的相应的栅极电压和所述第二半导体结构元件(20)的相应的栅极电压，减小相应的半导体结构元件(10，20)的栅极氧化物层的电压负荷，和/或
使相应的半导体结构元件(10，20)的漏极-源极段的电压负荷彼此均衡。
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