DE102015212292A1

DE102015212292A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Temperatur einer Mehrzahl von Schalteinheiten einer Schaltvorrichtung für ein Steuergerät und Schaltvorrichtung für ein Steuergerät

Info

Publication number: DE102015212292A1
Application number: DE102015212292.1A
Authority: DE
Inventors: Bertram Schillinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Also published as: CN106482859B; CN106482859A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Mehrzahl von Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) einer Schaltvorrichtung (100) für ein Steuergerät, wobei die Schaltvorrichtung (100) einen ersten Schalterbereich (102) mit zumindest zwei Schalteinheiten (114, 116) und einem mit den zwei Schalteinheiten (114, 116) thermisch gekoppelten ersten Temperatursensor (118), einen außerhalb des ersten Schalterbereichs (102) befindlichen zweiten Schalterbereich (104) mit zumindest zwei Schalteinheiten (120, 122) und einem mit den zwei Schalteinheiten (120, 122) thermisch gekoppelten zweiten Temperatursensor (124) und einen mit dem ersten Schalterbereich (102) und dem zweiten Schalterbereich (104) thermisch gekoppelten dritten Schalterbereich (106) mit zumindest einer fünften Schalteinheit (125) aufweist. Es werden Temperaturwerte (128, 130) der Temperatursensoren (118, 124), Verlustleistungswerte (132, 134, 136, 138) der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122) und transiente Wärmewiderstände thermischer Verkopplungen der Schalteinheiten (114, 116) eingelesen, um unter Verwendung dieser Werte Temperaturhilfswerte zu bestimmen, basierend auf denen eine Temperatur zumindest einer der Schalteinheiten (114, 116) des ersten Schalterbereichs (102) und/oder eine Temperatur zumindest einer der Schalteinheiten (120, 122) des zweiten Schalterbereichs (104) und/oder eine Temperatur der fünften Schalteinheit (125) bestimmt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Die Gehäusetemperaturen von MOSFET-B6-Brückenschaltungen werden in der Regel mithilfe von Heißleitern gemessen. Eine Temperatur der Heißleiter kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller ausgewertet werden, wobei die Schalter der B6-Brücke bei Überschreiten einer maximalen Gehäusetemperatur geöffnet werden können. Befinden sich mehrere B6-Brücken auf einer Platine, so kann beispielsweise jede einzelne der B6-Brücken einen solchen Heißleiter aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Mehrzahl von Schalteinheiten einer Schaltvorrichtung für ein Steuergerät, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, eine Schaltvorrichtung für ein Steuergerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Mehrzahl von Schalteinheiten einer Schaltvorrichtung für ein Steuergerät vorgestellt, wobei die Schaltvorrichtung einen ersten Schalterbereich mit zumindest einer ersten Schalteinheit, einer zweiten Schalteinheit und einem mit der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit thermisch gekoppelten ersten Temperatursensor, einen außerhalb des ersten Schalterbereichs befindlichen zweiten Schalterbereich mit zumindest einer dritten Schalteinheit, einer vierten Schalteinheit und einem mit der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit thermisch gekoppelten zweiten Temperatursensor und einen mit dem ersten Schalterbereich und dem zweiten Schalterbereich thermisch gekoppelten dritten Schalterbereich mit zumindest einer fünften Schalteinheit aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines eine Temperatur des ersten Temperatursensors repräsentierenden ersten Temperaturwerts, eines eine Temperatur des zweiten Temperatursensors repräsentierenden zweiten Temperaturwerts, eines eine Verlustleistung der ersten Schalteinheit repräsentierenden ersten Verlustleistungswertes, eines eine Verlustleistung der zweiten Schalteinheit repräsentierenden zweiten Verlustleistungswertes, eines eine Verlustleistung der dritten Schalteinheit repräsentierenden dritten Verlustleistungswertes, eines eine Verlustleistung der vierten Schalteinheit repräsentierenden vierten Verlustleistungswertes, eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit und des ersten Temperatursensors repräsentierenden ersten Sensorwärmewerts, eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit und des ersten Temperatursensors repräsentierenden zweiten Sensorwärmewerts, eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit und des zweiten Temperatursensors repräsentierenden dritten Sensorwärmewerts und eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der vierten Schalteinheit und des zweiten Temperatursensors repräsentierenden vierten Sensorwärmewerts;
Bestimmen eines ersten Temperaturhilfswertes unter Verwendung des ersten Temperaturwerts, des ersten Verlustleistungswertes, des zweiten Verlustleistungswertes, des ersten Sensorwärmewerts und des zweiten Sensorwärmewerts sowie eines zweiten Temperaturhilfswertes unter Verwendung des zweiten Temperaturwerts, des dritten Verlustleistungswertes, des vierten Verlustleistungswertes, des dritten Sensorwärmewerts und des vierten Sensorwärmewerts; und
Ermitteln einer Temperatur der ersten Schalteinheit und/oder der zweiten Schalteinheit unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes und/oder einer Temperatur der dritten Schalteinheit und/oder der vierten Schalteinheit unter Verwendung des zweiten Temperaturhilfswertes und/oder einer Temperatur der fünften Schalteinheit unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes und des zweiten Temperaturhilfswertes.
Unter einer Schalteinheit kann beispielsweise eine B6-Brücke mit drei High-Side- und drei Low-Side-Schaltern, etwa in Form eines MOSFET, verstanden werden. Bei dem Steuergerät kann es sich um ein Steuergerät zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere um ein Getriebesteuergerät, handeln. Die beiden Temperatursensoren können etwa als Heißleiter, auch NTC-Widerstände genannt, realisiert sein. Die Schaltvorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sich die fünf Schalteinheiten und die zwei Temperatursensoren auf einer gemeinsamen Platine befinden, wobei die Schalterbereiche unterschiedlichen Abschnitten der Platine entsprechen können. Insbesondere können der erste und der zweite Schalterbereich zueinander beabstandet sein. Je nach Abstand kann eine thermische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Schalterbereich unterbrochen oder zumindest beeinträchtigt sein. Beispielsweise können der erste und der zweite Schalterbereich durch eine Aussparung in der Platine voneinander getrennt sein. Der dritte und der erste Schalterbereich können sich in einem ersten Überlappungsbereich, etwa in einem Eckbereich, zumindest teilweise überlappen. In entsprechender Weise können sich zusätzlich oder alternativ der dritte und der zweite Schalterbereich in einem zweiten Überlappungsbereich zumindest teilweise überlappen. Dadurch kann eine thermische Verbindung zwischen dem dritten und dem ersten bzw. dem dritten und dem zweiten Schalterbereich hergestellt werden.
Sind der erste und der zweite Schalterbereich auf einer gemeinsamen Platine realisiert, so kann beispielsweise ein diese beiden Schalterbereiche voneinander trennender Abschnitt der Platine eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, d. h., ein transienter Wärmewiderstand dieses Abschnitts kann im Vergleich zu einem transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung zwischen den beiden Schalteinheiten eines Schalterbereichs verhältnismäßig hoch sein.
Die Sensorwärmewerte können unter Verwendung einer Z_th-Funktion, d. h. einer einen transienten Verlauf eines thermischen Widerstands repräsentierenden Kurve, ermittelt werden, wobei jeder der thermischen Verkopplungen eine eigene Z_th-Funktion zugeordnet sein kann. Mittels solcher Z_th-Funktionen kann beispielsweise ein thermisches Netzwerk eines die Schalteinheiten und die Temperatursensoren umfassenden thermischen Netzwerks beschrieben werden. Unter einem Temperaturhilfswert kann ein virtueller Temperaturpunkt verstanden werden. Bei der zu ermittelnden Temperatur der Schalteinheiten kann es sich beispielsweise um eine Temperatur eines Gehäuses (case) oder einer Sperrschicht (junction) der Schalteinheiten handeln.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es durch Verwendung eines geeigneten Berechnungsverfahrens möglich ist, die einzelnen Temperaturen einer Mehrzahl von Schalteinheiten in einem Steuergerät mithilfe nur zweier Temperatursensoren zu bestimmen.
Durch die Berechnung zweier virtueller Temperaturen kann beispielsweise eine jeweilige Gehäuse- und Sperrschichttemperatur der jeweiligen Leistungsschalter der Schalteinheiten, etwa von MOSFET-B6-Brücken, geschätzt werden, sodass diese auch bei schnellen thermischen Änderungen vor thermischer Überlastung oder Zerstörung geschützt werden können. Vorteilhafterweise kann eine derartige Temperaturschätzung auch dann durchgeführt werden, wenn eine thermische Verbindung zwischen einzelnen oder mehreren der Schalteinheiten unterbrochen oder zumindest beeinträchtigt ist oder unterschiedliche äußere Einflüsse auf die Schalteinheiten wirken.
Ein solches Verfahren zur Temperaturbestimmung hat den Vorteil, dass durch die Nutzung eines etwa zwischen einem jeweiligen Gehäuse einer Schalteinheit und dem entsprechenden Temperatursensor bestehenden Z_th-Widerstands schnelle thermische Belastungen oder Temperaturerhöhungen der Schalteinheit schnell genug erfasst werden können, auch wenn beispielsweise der Temperatursensor nicht direkt auf dem Gehäuse platziert ist.
Dieser Vorteil trifft in besonderer Weise auch auf die Messung der Temperatur einer innerhalb der Schalteinheiten angeordneten Sperrschicht zu, die eine noch geringere Zeitkonstante als das Gehäuse aufweisen kann. Indem nun beispielsweise mittels eines geeigneten Temperaturmodells eine Änderung der Gehäuse- und Sperrschichttemperatur direkt in Abhängigkeit von einem durch die betreffende Schalteinheit fließenden Strom berechnet wird, kann die betreffende Schalteinheit auch bei sehr schnellen thermischen Belastungen ausreichend vor Überlastung geschützt werden.
Durch die Verwendung lediglich zweier Temperatursensoren können ferner Herstellungskosten gespart werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren mit einem Schritt des Bildens eines Mittelwerts aus dem ersten Temperaturhilfswert und dem zweiten Temperaturhilfswert vorgesehen sein. Entsprechend kann im Schritt des Ermittelns die Temperatur der fünften Schalteinheit unter Verwendung des Mittelwerts ermittelt werden. Der Mittelwert kann beispielsweise einem geometrischen, arithmetischen oder harmonischen Mittel entsprechen. Durch diese Ausführungsform lässt sich ein geeigneter dritter Temperaturhilfswert zur Bestimmung der Temperatur der fünften Schalteinheit mit geringem Rechenaufwand bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der erste Temperaturhilfswert durch Subtraktion eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert und dem ersten Sensorwärmewert und eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert und dem zweiten Sensorwärmewert von dem ersten Temperaturwert bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Temperaturhilfswert durch Subtraktion eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert und dem dritten Sensorwärmewert und eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert und dem vierten Sensorwärmewert von dem zweiten Temperaturwert bestimmt werden. Dadurch können die Temperaturhilfswerte in wenigen, ressourcensparenden Rechenschritten berechnet werden.
Es ist ferner von Vorteil, wenn in einem Schritt des Berechnens zumindest einer der Verlustleistungswerte in Abhängigkeit von einem Zwischenkreisstrom eines zumindest einer der Schalteinheiten zugeordneten Zwischenkreises und zumindest eines Bauteilparameters der zumindest einen Schalteinheit berechnet wird. Unter einem Zwischenkreis kann eine Einrichtung verstanden werden, die als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppeln kann. Unter einem Zwischenkreisstrom kann etwa ein über den Zwischenkreis bereitgestellter Schalterstrom verstanden werden. Ein Bauteilparameter kann beispielsweise eine eine Schalteinheit charakterisierende Kennlinie oder ein entsprechendes Kennlinienfeld sein. Durch diese Ausführungsform kann der zumindest eine der Verlustleistungswerte effizient und genau berechnet werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn im Schritt des Einlesens ferner ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit repräsentierender erster Schaltungswärmewert eingelesen wird.
Je nach Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit und der dritten Schalteinheit repräsentierender zweiter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit repräsentierender dritter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit und der fünften Schalteinheit repräsentierender vierter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit und der dritten Schalteinheit repräsentierender fünfter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit repräsentierender sechster Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit und der fünften Schalteinheit repräsentierender siebter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit repräsentierender achter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit und der fünften Schalteinheit repräsentierender neunter Schaltungswärmewert oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der vierten Schalteinheit und der fünften Schalteinheit repräsentierender zehnter Schaltungswärmewert oder ein eine Verlustleistung der fünften Schalteinheit repräsentierender fünfter Verlustleistungswert eingelesen werden. Hierbei kann im Schritt des Ermittelns die Temperatur zumindest einer der Schalteinheiten ferner unter Verwendung von zumindest vier der Schaltungswärmewerte und zumindest vier der Verlustleistungswerte ermittelt werden. Ebenso wie die Sensorwärmewerte können auch die Schaltungswärmewerte unter Verwendung einer entsprechenden Z_th-Funktion ermittelt sein. Diese Ausführungsform ermöglicht eine differenzierte, verhältnismäßig einfach umzusetzende und zuverlässige Temperaturmessung innerhalb des durch die beiden Temperatursensoren und die fünf Schalteinheiten gebildeten thermischen Netzwerks.
Hierbei kann im Schritt des Ermittelns die Temperatur der ersten Schalteinheit durch Addition des ersten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert und dem ersten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert und dem zweiten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert und dem dritten Schaltungswärmewert und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert und dem vierten Schaltungswärmewert ermittelt werden. In entsprechender Weise kann zusätzlich oder alternativ die Temperatur der zweiten Schalteinheit durch Addition des ersten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert und dem ersten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert und dem fünften Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert und dem sechsten Schaltungswärmewert und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert und dem siebten Schaltungswärmewert oder die Temperatur der dritten Schalteinheit durch Addition des zweiten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert und dem zweiten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert und dem fünften Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert und dem achten Schaltungswärmewert und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert und dem neunten Schaltungswärmewert oder die Temperatur der vierten Schalteinheit durch Addition des zweiten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert und dem dritten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert und dem sechsten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert und dem achten Schaltungswärmewert und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert und dem zehnten Schaltungswärmewert oder die Temperatur der fünften Schalteinheit durch Addition eines unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes und des zweiten Temperaturhilfswertes gebildeten dritten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert und dem vierten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert und dem siebten Schaltungswärmewert, eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert und dem neunten Schaltungswärmewert und eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert und dem zehnten Schaltungswärmewert ermittelt werden.
Insbesondere kann ein Produkt aus einem der Verlustleistungswerte und einem der Schaltungswärmewerte eine Temperaturänderung eines Gehäuses oder einer Sperrschicht der betreffenden Schalteinheit repräsentieren. Dadurch wird eine zeitabhängige Bestimmung des entsprechenden Temperaturhilfswertes ermöglicht, womit sehr schnelle Änderungen einer Temperatur der betreffenden Schalteinheiten entsprechend schnell und genau ermittelt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns eine Temperatur einer Sperrschicht und, zusätzlich oder alternativ, eines Gehäuses zumindest einer der Schalteinheiten ermittelt werden. Durch diese Ausführungsform kann ein thermischer Zustand und somit eine mögliche Überhitzung der zumindest einen der Schalteinheiten frühzeitig und genau ermittelt werden.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Bereitstellens eines Deaktivierungssignals zum Deaktivieren zumindest einer der Schalteinheiten umfassen. Der Schritt des Bereitstellens kann ausgeführt werden, wenn die Temperatur der zumindest einen der Schalteinheiten einen Schwellenwert überschreitet. Durch diese Ausführungsform kann bei Erreichen einer bestimmten thermisch kritischen Temperatur ein Stromfluss durch die zumindest eine der Schalteinheiten unterbrochen werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz eine Schaltvorrichtung für ein Steuergerät, wobei die Schaltvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen ersten Schalterbereich mit zumindest einer ersten Schalteinheit, einer zweiten Schalteinheit und einem mit der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit thermisch gekoppelten ersten Temperatursensor;
einen außerhalb des ersten Schalterbereichs befindlichen zweiten Schalterbereich mit zumindest einer dritten Schalteinheit, einer vierten Schalteinheit und einem mit der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit thermisch gekoppelten zweiten Temperatursensor;
einen mit dem ersten Schalterbereich und dem zweiten Schalterbereich thermisch gekoppelten dritten Schalterbereich mit zumindest einer fünften Schalteinheit; und
einer Vorrichtung gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Modellstruktur zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung einer Modellstruktur zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung einer Verkopplung von PT₁-Gliedern zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 ein Ablaufdiagramm einer Verlustleistungsberechnung bei einer rotierenden elektrischen Maschine;
11 ein Ablaufdiagramm einer Verlustleistungsberechnung bei einer blockierten elektrischen Maschine; und
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Temperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltvorrichtung 100 eignet sich etwa zur Verwendung in einem Steuergerät, insbesondere einem Getriebesteuergerät. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 100 auf einer Platine realisiert, die einen ersten Schalterbereich 102, einen gegenüber dem ersten Schalterbereich 102 angeordneten zweiten Schalterbereich 104 und einen dritten Schalterbereich 106 aufweist. Der dritte Schalterbereich 106 ist derart zwischen den beiden Schalterbereichen 102, 104 angeordnet, dass sich der erste Schalterbereich 102 und der dritte Schalterbereich 106 in einem ersten Überlappungsbereich 108 und der zweite Schalterbereich 104 und der dritte Schalterbereich 106 in einem zweiten Überlappungsbereich 110 zumindest teilweise überlappen. Über die beiden Überlappungsbereiche 108, 110 ist der dritte Schalterbereich 102 thermisch mit den beiden Schalterbereichen 102, 104 gekoppelt. Je nach Ausführungsform können die beiden Überlappungsbereiche 108, 110 unterschiedlich groß sein. Beispielhaft ist der zweite Überlappungsbereich 110 gemäß 1 größer als der erste Überlappungsbereich 108.
Der erste Schalterbereich 102 und der zweite Schalterbereich 104 sind durch einen hier beispielhaft rechteckig dargestellten Abschnitt 112 mit einer verhältnismäßig geringen Wärmeleitfähigkeit, d. h. mit einem verhältnismäßig hohen Z_th-Wert, voneinander getrennt. Durch den Abschnitt 112 ist eine thermische Verbindung zwischen den beiden Schalterbereichen 102, 104 unterbrochen oder zumindest beeinträchtigt.
Im ersten Schalterbereich 102 sind eine erste Schalteinheit 114, eine zweite Schalteinheit 116 sowie ein mit den beiden Schalteinheiten 114, 116 thermisch gekoppelter erster Temperatursensor 118 angeordnet. Im zweiten Schalterbereich 104 sind eine dritte Schalteinheit 120, eine vierte Schalteinheit 122 sowie ein mit den beiden Schalteinheiten 120, 122 thermisch gekoppelter zweiter Temperatursensor 124 angeordnet. Der dritte Schalterbereich 106 umfasst eine fünfte Schalteinheit 125. Die fünf Schalteinheiten sind beispielsweise als B6-Brücken mit drei High-Side- und drei Low-Side-Schaltern, insbesondere als MOSFET-Bausteine, realisiert, wie nachfolgend anhand von 3 näher beschrieben. Die beiden Temperatursensoren 118, 124 sind beispielsweise über die Platine der Schaltvorrichtung 100 thermisch mit den entsprechenden Schalteinheiten gekoppelt. Ebenso können die beiden Schalteinheiten der Schalterbereiche über die Platine thermisch miteinander gekoppelt sein.
Eine Vorrichtung 126 ist ausgebildet, um von dem ersten Temperatursensor 118 einen eine Temperatur des ersten Temperatursensors 118 repräsentierenden ersten Temperaturwert 128, von dem zweiten Temperatursensor 124 einen eine Temperatur des zweiten Temperatursensors 124 repräsentierenden zweiten Temperaturwert 130, von der ersten Schalteinheit 114 einen eine Verlustleistung der ersten Schalteinheit 114 repräsentierenden ersten Verlustleistungswert 132, von der zweiten Schalteinheit 116 einen eine Verlustleistung der zweiten Schalteinheit 116 repräsentierenden zweiten Verlustleistungswert 134, von der dritten Schalteinheit 120 einen eine Verlustleistung der dritten Schalteinheit 120 repräsentierenden dritten Verlustleistungswert 136 und von der vierten Schalteinheit 122 einen eine Verlustleistung der vierten Schalteinheit 122 repräsentierenden vierten Verlustleistungswert 138 einzulesen.
Ferner ist die Vorrichtung 126 ausgebildet, um einen einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit 114 und des ersten Temperatursensors 118 repräsentierenden ersten Sensorwärmewert 140, einen einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit 116 und des ersten Temperatursensors 118 repräsentierenden zweiten Sensorwärmewert 142, einen einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit 120 und des zweiten Temperatursensors 124 repräsentierenden dritten Sensorwärmewert 144 sowie einen einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der vierten Schalteinheit 122 und des zweiten Temperatursensors 124 repräsentierenden vierten Sensorwärmewert 146 einzulesen.
Die Vorrichtung 126 bestimmt unter Verwendung des ersten Temperaturwerts 128, des ersten Verlustleistungswertes 132, des zweiten Verlustleistungswertes 134, des ersten Sensorwärmewerts 140 und des zweiten Sensorwärmewerts 142 einen dem ersten Schalterbereich 102 zugeordneten ersten Temperaturhilfswert in Form eines ersten virtuellen Nullpunkts, dessen Gültigkeitsbereich durch eine rechteckige Umrahmung des ersten Schalterbereichs 102 gekennzeichnet ist. Ferner bestimmt die Vorrichtung 126 unter Verwendung des zweiten Temperaturwerts 130, des dritten Verlustleistungswertes 136, des vierten Verlustleistungswertes 138, des dritten Sensorwärmewerts 144 und des vierten Sensorwärmewerts 146 einen dem zweiten Schalterbereich 104 zugeordneten zweiten Temperaturhilfswert in Form eines zweiten virtuellen Nullpunkts, dessen Gültigkeitsbereich durch eine rechteckige Umrahmung des zweiten Schalterbereichs 104 gekennzeichnet ist. Ein dem dritten Schalterbereich 106 zugeordneter dritter Temperaturhilfswert ergibt sich beispielsweise durch eine entsprechende Kombination des ersten und des zweiten Temperaturhilfswertes, etwa durch Bildung eines Mittelwerts aus dem ersten und dem zweiten Temperaturhilfswert. Ein Gültigkeitsbereich des dritten Temperaturhilfswertes ist durch eine rechteckige Umrahmung des dritten Schalterbereichs 106 gekennzeichnet.
Die jeweilige Temperatur der fünf Schalteinheiten, insbesondere eine Temperatur eines jeweiligen Gehäuses oder einer jeweiligen Sperrschicht der Schalteinheiten, ermittelt die Vorrichtung 126 auf der Basis der vorangehend bestimmten Temperaturhilfswerte. Hierbei ermittelt die Vorrichtung 126 die jeweiligen Temperaturen der ersten Schalteinheit 114 und der zweiten Schalteinheit 116 unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes. Analog hierzu werden die jeweiligen Temperaturen der dritten Schalteinheit 120 und der vierten Schalteinheit 122 unter Verwendung des zweiten Temperaturhilfswertes ermittelt. Die Ermittlung der Temperatur der fünften Schalteinheit 125 erfolgt entsprechend auf der Basis des dritten Temperaturhilfswertes.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 126 ausgebildet, um in Abhängigkeit von den ermittelten Temperaturen der fünf Schalteinheiten ein Deaktivierungssignal 148 zu erzeugen und bereitzustellen. Das Deaktivierungssignal 148 wird beispielsweise dann erzeugt, wenn die betreffende Temperatur einen Schwellenwert überschreitet, der beispielsweise eine maximale thermische Belastung der jeweiligen Schalteinheit repräsentiert. Das Deaktivierungssignal 148 dient entsprechend zur Deaktivierung der betreffenden Schalteinheit, das heißt zum Trennen der Schalteinheit von einer Stromversorgung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Schaltvorrichtung 100 handelt es sich etwa um eine anhand von 1 beschriebene Schaltvorrichtung. Wie in 2 zu erkennen, sind die fünf Schalteinheiten 114, 116, 120, 122, 125 jeweils thermisch mit dem entsprechenden Temperatursensor 118 bzw. 124 gekoppelt. Die thermischen Verkopplungen zwischen den einzelnen Schalteinheiten sowie zwischen den einzelnen Schalteinheiten und den ihnen zugeordneten Temperatursensoren sind durch bestimmte, in 2 durch kleine Kästchen symbolisierte Z_th-Funktionen charakterisiert, die voneinander abweichen können.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 100 beispielhaft mit einem ersten Kühlkörper 200, einem zweiten Kühlkörper 202 und einem dritten Kühlkörper 204 realisiert, wobei der erste Kühlkörper 200 mit der ersten Schalteinheit 114 und der zweiten Schalteinheit 116, der zweite Kühlkörper 202 mit der dritten Schalteinheit 120 und der dritte Kühlkörper 204 mit der vierten Schalteinheit 122 und der fünften Schalteinheit 125 thermisch gekoppelt ist.
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines thermischen Netzwerks für mehrere Endstufen auf einer Steuergeräteplatine. Hierbei sind die thermischen Verkopplungen zwischen den jeweiligen Schalteinheiten und den Temperatursensoren durch Z_th-Funktionen dargestellt. Die virtuellen Temperaturwerte T-PCB1, T-PCB2, T-PCB3, vorangehend auch erster und zweiter Temperaturhilfswert genannt, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel wie folgt berechnet:

Pv: = Verlustleistung in den Bauteilen
Zth: = thermische Netzwerke
T-NTC1: = Temperatur des ersten Temperatursensors 118
T-NTC2: = Temperatur des zweiten Temperatursensors 124

T-PCB1 = T-NTC1 – Pv1·Zth4 – Pv2·Zth7

T-PCB2 = T-NTC2 – Pv3·Zht5 – Pv4·Zth9

T-PCB3 = (T-PCB1 + T-PCB2)/2

Hierbei entspricht der Wert Pv1 dem ersten Verlustleistungswert, der Wert Pv2 dem zweiten Verlustleistungswert, der Wert Pv3 dem dritten Verlustleistungswert und der Wert Pv4 dem vierten Verlustleistungswert. Bei dem Wert Pv5 handelt sich um einen eine Verlustleistung der fünften Schalteinheit 125 repräsentierenden fünften Verlustleistungswert, der von der in 2 nicht dargestellten Vorrichtung zur Berechnung der Temperaturen der Schalteinheiten zusätzlich eingelesen werden kann. Der Wert Zth4 entspricht dem ersten Sensorwärmewert, der Wert Zth7 dem zweiten Sensorwärmewert, der Wert Zth5 dem dritten Sensorwärmewert und der Wert Zth9 dem vierten Sensorwärmewert.
Daraus ergeben sich die Endstufentemperaturen wie folgt, wobei die nachfolgend aufgeführten Werte Zth1(x) bis Zth21(x) Schaltungswärmewerte darstellen, die je einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung zwischen zwei Schalteinheiten repräsentieren: T-Schalteinheit1 = Pv2·Zth1(x) + Pv3·Zth8(x) + Pv4·Zth18(x) + Pv5·Zth17(x) + T-PCB1 T-Schalteinheit2 = Pv1·Zth1(x) + Pv3·Zth2(x) + Pv4·Zth19(x) + Pv5·Zth21(x) + T-PCB1 T-Schalteinheit3 = Pv1·Zth8(x) + Pv2·Zth2(x) + Pv4·Zth3(x) + Pv5·Zth20(x) + T-PCB2 T-Schalteinheit4 = Pv1·Zth18(x) + Pv3·Zth3(x) + Pv2·Zth19(x) + Pv5·Zth16(x) + T-PCB2 T-Schalteinheit5 = Pv1·Zth17(x) + Pv3·Zth20(x) + Pv4·Zth16(x) + Pv2·Zth21(x) + T-PCB3
Die Temperaturen beschreiben beispielsweise die Umgebungstemperaturen der Schalteinheiten im eingeschwungenen Zustand und enthalten alle Temperatureinflüsse, die nicht durch die Schalteinheiten verursacht werden, wie etwa die Erwärmung von Steckern, Linearreglern oder Shunts.
Die Z_th-Funktionen werden beispielsweise durch eine Verkopplung von PT₁-Gliedern nachgebildet, wie nachfolgend anhand von 6 gezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die jeweiligen Verlustleistungen aus einem Zwischenkreisstrom und den jeweiligen Bauteilparametern der Schalteinheiten, die etwa als MOSFET-Schalter realisiert sind, berechnet. Die Bauteilparameter werden dabei in Look-up-Tables in der Software abgelegt, die als Eingangsgröße einen RMS-Wert (RMS = root mean square; „quadratisches Mittel“) eines Schalterstroms aufweisen.
Eine entsprechende Verlustleistungsberechnung wird nachfolgend anhand der 10 und 11 näher beschrieben.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schalteinheit 114 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Schalteinheit 114 handelt es sich beispielsweise um eine vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebene Schalteinheit. Die Schalteinheit 114 ist als B6-Brücke mit drei High-Side-Schaltern S1, S3, S5 und drei Low-Side-Schaltern S2, S4, S6 realisiert, die je elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung U_zk verbunden oder verbindbar sind, etwa einer wiederaufladbaren Batterie.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Modellstruktur zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 3 beschrieben ist.
Die Modellstruktur umfasst einen ersten Verarbeitungsstrang 401 zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur einer Schalteinheit mithilfe dreier High-Side-Schalter H1, H2, H3. Hierbei repräsentiert ein Kasten 400 die MOSFET-Verluste der High-Side-Schalter H1, H2, H3. Die zur Berechnung der Verluste erforderlichen Parameter sind in einer Look-up-Tabelle 402 hinterlegt.
Ein Kasten 404 repräsentiert die Body-Diode-Verluste der drei High-Side-Schalter H1, H2, H3. Entsprechend sind die zur Berechnung der Verluste erforderlichen Parameter in einer weiteren Look-up-Tabelle 406 hinterlegt.
Die aus der Berechnung der Verluste resultierenden Werte werden von einer ersten Additionseinheit 408 verarbeitet. Die erste Additionseinheit 408 ist ihrerseits mit einer ersten Divisionseinheit 410 verbunden. An die erste Divisionseinheit 410 ist eine erste Berechnungseinheit 412 gekoppelt, an die wiederum eine zweite Additionseinheit 414 gekoppelt ist.
Ein zweiter Verarbeitungsstrang 416 dient zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur dreier Low-Side-Schalter H1, H2, H3 der Schalteinheit.
Hierbei repräsentiert ein Kasten 418 die MOSFET-Verluste der Low-Side-Schalter H1, H2, H3. Die zur Berechnung der Verluste erforderlichen Parameter sind ebenfalls in einer entsprechenden Look-up-Tabelle 420 hinterlegt.
Ein Kasten 422 repräsentiert die Body-Diode-Verluste der drei Low-Side-Schalter H1, H2, H3. Entsprechend sind die zur Berechnung der Verluste erforderlichen Parameter in einer weiteren Look-up-Tabelle 424 hinterlegt. Die Verarbeitung der Werte im zweiten Verarbeitungsstrang 416 erfolgt analog zum ersten Verarbeitungsstrang 401 in einer dritten Additionseinheit 426, einer zweiten Divisionseinheit 428, einer zweiten Berechnungseinheit 430 sowie einer vierten Additionseinheit 432.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Additionseinheiten 408, 426 je an eine fünfte Additionseinheit 434 gekoppelt, die ihrerseits an eine dritte Divisionseinheit 436 gekoppelt ist. Die dritte Divisionseinheit 436 ist wiederum mit einer dritten Berechnungseinheit 438 verbunden. Mittels der dritten Berechnungseinheit 438 kann die Gehäusetemperatur aller Schalter berechnet werden.
Ein Berechnungsschritt zur Berechnung einer Umgebungstemperatur ist mit einem großen Pfeil markiert.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Modellstruktur zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der anhand von 4 beschriebenen Modellstruktur umfasst die Modellstruktur gemäß 5 einen die beiden Verarbeitungsstränge 401, 416 umfassenden ersten Block 500, der im Wesentlichen der anhand von 4 beschriebenen Modellstruktur entspricht und gemäß diesem Ausführungsbeispiel als 10-ms-Task ausführbar ist, und einen zweiten Block 502, der hier beispielhaft als 100-ms-Task ausführbar ist. Die Berechnung der Umgebungstemperatur erfolgt beispielhaft in einem dritten Verarbeitungsstrang 504, die Berechnung der Gehäusetemperatur aller Schalter in einem vierten Verarbeitungsstrang 506, wobei die beiden Verarbeitungsstränge 504, 506 Teil des zweiten Blocks 502 sind.
Der zweite Block 502 umfasst gemäß 5 die fünfte Additionseinheit 434, die dritte Divisionseinheit 436, die dritte Berechnungseinheit 438 sowie beispielhaft sechs weitere Berechnungseinheiten 508, eine weitere Additionseinheit 510, drei Additions- und Subtraktionseinheiten 512 und eine Multiplikationseinheit 514.
Eine zur Bestimmung des ersten oder zweiten Temperaturhilfswertes oder des dritten Temperaturhilfswertes durch Kombination des ersten und des zweiten Temperaturhilfswertes vorgesehene Additions- und Subtraktionseinheit ist mit einem dicken Pfeil markiert.
Der Temperaturhilfswert wird entsprechend einer Platzierung des jeweiligen Temperatursensors und der jeweiligen Schalteinheit ausgewählt.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Verkopplung von PT₁-Gliedern zum Ermitteln einer Temperatur mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Verkopplung erfolgt beispielsweise mittels einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 5 beschrieben ist, und dient der Nachbildung der Z_th-Funktionen. Hierbei erfolgt die Verkopplung einer Schalteinheit mit dem entsprechenden Temperatursensor in einem ersten Verkopplungsschritt 600, wobei die jeweiligen Verlustleistungswerte als Eingangsgrößen dienen. Die Verkopplung der Schalteinheiten erfolgt in einem weiteren Verkopplungsschritt 602, wobei die jeweiligen Gehäusetemperaturen der Schalteinheiten als Eingangsgrößen dienen.
7 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer Schalteinheit, wie sie anhand der vorangehenden Figuren beschrieben ist. Gezeigt ist ein Kennlinienfeld 700 bezüglich einer Verlustleistung PvRdsOn.
8 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 7 bezieht sich das Kennlinienfeld 800 in 8 auf eine Verlustleistung PvDiodeRms.
9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Verlustleistung einer Schalteinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den 7 und 8 bezieht sich das Kennlinienfeld 900 in 9 auf eine Verlustleistung PvDiodeAvg.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Verlustleistungsberechnung bei einer rotierenden elektrischen Maschine. Die Verlustleistungsberechnung kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 9 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.
Aus einem RMS-Stromwert 1000 der High-Side-Schalter werden die High-Side-MOSFET-Durchlassverluste 1002 berechnet. Aus einem maximalen Stromwert 1004 der High-Side-Schalter werden die High-Side-MOSFET-Schaltverluste 1006 berechnet.
Aus einem RMS-Stromwert 1008 der High-Side-Body-Diode werden die High-Side-Body-Diode-Verluste 1010 als differenzieller Widerstand berechnet. Aus einem mittleren Stromwert 1012 der High-Side-Body-Diode werden die High-Side-Body-Diode-Verluste 1014 als Schleusenspannung berechnet.
Die Verluste 1002, 1010, 1014 werden je einer Multiplikationseinrichtung 1016 zugeführt und beispielhaft mit drei multipliziert. Die Schaltverluste 1006 sowie die Ergebniswerte der mittels der Multiplikationseinrichtungen 1016 durchgeführten Multiplikationen werden einer ersten Additionseinrichtung 1018 zum Addieren der High-Side-Verlustleistungswerte zugeführt.
Analog hierzu erfolgt die Berechnung der Verlustleistungen für die Low-Side-Schalter und eine Low-Side-Body-Diode.
Aus einem RMS-Stromwert 1020 der Low-Side-Schalter werden die Low-Side-MOSFET-Durchlassverluste 1022 berechnet. Aus einem maximalen Stromwert 1024 der Low-Side-Schalter werden die Low-Side-MOSFET-Schaltverluste 1026 berechnet.
Aus einem RMS-Stromwert 1028 der Low-Side-Body-Diode werden die Low-Side-Body-Diode-Verluste 1030 als differenzieller Widerstand berechnet. Aus einem mittleren Stromwert 1032 der Low-Side-Body-Diode werden die Low-Side-Body-Diode-Verluste 1034 als Schleusenspannung berechnet.
Die Verluste 1022, 1030, 1034 werden wiederum je einer Multiplikationseinrichtung 1016 zugeführt und beispielhaft mit drei multipliziert. Die Schaltverluste 1026 sowie die Ergebniswerte der mittels der Multiplikationseinrichtungen 1016 durchgeführten Multiplikationen werden einer zweiten Additionseinrichtung 1036 zum Addieren der Low-Side-Verlustleistungswerte zugeführt.
Durch Addition der High-Side- und Low-Side-Verlustleistungswerte durch eine dritte Additionseinrichtung 1038 wird schließlich der Verlustleistungswert der Endstufe, das heißt der Schalteinheit, ermittelt, etwa des ersten Verlustleistungswertes 112.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Verlustleistungsberechnung bei einer blockierten elektrischen Maschine. Im Unterschied zu 10 erfolgt die Verlustleistungsberechnung ohne die Multiplikationseinrichtungen. Ferner entfällt die Berechnung der High-Side-Body-Diode-Verluste.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Ermitteln einer Temperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1200 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 11 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. In dem Verfahren 1200 werden in einem ersten Schritt 1210 zunächst der erste Temperaturwert, der zweite Temperaturwert, der erste Verlustleistungswert, der zweite Verlustleistungswert, der dritte Verlustleistungswert, der vierte Verlustleistungswert, der erste Sensorwärmewert, der zweite Sensorwärmewert, der dritte Sensorwärmewert und der vierte Sensorwärmewert eingelesen. In einem weiteren Schritt 1220 wird unter Verwendung des ersten Temperaturwerts, des ersten Verlustleistungswertes, des zweiten Verlustleistungswertes, des ersten Sensorwärmewerts und des zweiten Sensorwärmewerts der erste Temperaturhilfswert bestimmt. Zusätzlich wird unter Verwendung des zweiten Temperaturwerts, des dritten Verlustleistungswertes, des vierten Verlustleistungswertes, des dritten Sensorwärmewerts und des vierten Sensorwärmewerts der zweite Temperaturhilfswert bestimmt. In einem nachfolgenden Schritt 1230 wird je nach Ausführungsform unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes die Temperatur der ersten Schalteinheit oder der zweiten Schalteinheit, unter Verwendung des zweiten Temperaturhilfswertes die Temperatur der dritten Schalteinheit oder der vierten Schalteinheit oder unter Verwendung sowohl des ersten Temperaturhilfswertes als auch des zweiten Temperaturhilfswertes die Temperatur der fünften Schalteinheit ermittelt.
Die Schritte 1210, 1220, 1230 können beispielsweise fortlaufend während eines Betriebs der Schaltvorrichtung durchgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die jeweiligen Gehäuse- und Sperrschichttemperaturen der fünf Schalteinheiten wie folgt ermittelt: Gehäusetemperatur1 = virtueller Temperaturpunkt1 + Gehäusetemperaturänderung1 Sperrschichttemperatur1 = virtueller Temperaturpunkt1 + Sperrschichttemperaturänderung1 Gehäusetemperatur2 = virtueller Temperaturpunk1 + Gehäusetemperaturänderung2 Sperrschichttemperatur2 = virtueller Temperaturpunkt1 + Sperrschichttemperaturänderung2 Gehäusetemperatur3 = virtueller Temperaturpunkt2 + Gehäusetemperaturänderung3 Sperrschichttemperatur3 = virtueller Temperaturpunkt2 + Sperrschichttemperaturänderung3 Gehäusetemperatur4 = virtueller Temperaturpunkt2 + Gehäusetemperaturänderung4 Sperrschichttemperatur4 = virtueller Temperaturpunkt2 + Sperrschichttemperaturänderung4 Gehäusetemperatur5 = (virtueller Temperaturpunkt1 + virtueller Temperaturpunkt2) / 2 + Gehäusetemperaturänderung5 Sperrschichttemperatur5 = (virtueller Temperaturpunkt1 + virtueller Temperaturpunkt2) / 2 + Sperrschichttemperaturänderung5
Mit einem derartigen Verfahren ist es beispielsweise möglich, eine MOSFET- Endstufe vor Übertemperatur bei sehr schnellen thermischen Vorgängen zu schützen, da die Gehäuse- und Sperrschichttemperatur direkt innerhalb der thermischen Zeitkonstanten der Gehäuse- und Sperrschichttemperatur berechnet wird.
Weist das Steuergerät mehrere MOSFET-Endstufen auf, so kann die Gehäuse- und Sperrschichttemperatur der jeweiligen B6-Brücken-Schalter vorteilhafterweise unter Verwendung maximal zweier Temperatursensoren ermittelt werden. Dadurch können Bauteile und somit Herstellungskosten eingespart werden. Vorteilhaft ist auch, dass durch den Wegfall weiterer Heißleiter kleinere Leiterplatten verwendet werden können.
Das Verfahren 1200 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem Getriebesteuergerät eingesetzt werden, um fünf Schalteinheiten in Form von Motorendstufen vor thermischer Überlastung zu schützen.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (1200) zum Ermitteln einer Temperatur einer Mehrzahl von Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) einer Schaltvorrichtung (100) für ein Steuergerät, wobei die Schaltvorrichtung (100) einen ersten Schalterbereich (102) mit zumindest einer ersten Schalteinheit (114), einer zweiten Schalteinheit (116) und einem mit der ersten Schalteinheit (114) und der zweiten Schalteinheit (116) thermisch gekoppelten ersten Temperatursensor (118), einen außerhalb des ersten Schalterbereichs (102) befindlichen zweiten Schalterbereich (104) mit zumindest einer dritten Schalteinheit (120), einer vierten Schalteinheit (122) und einem mit der dritten Schalteinheit (120) und der vierten Schalteinheit (122) thermisch gekoppelten zweiten Temperatursensor (124) und einen mit dem ersten Schalterbereich (102) und dem zweiten Schalterbereich (104) thermisch gekoppelten dritten Schalterbereich (106) mit zumindest einer fünften Schalteinheit (125) aufweist, wobei das Verfahren (1200) folgende Schritte umfasst: Einlesen (1210) eines eine Temperatur des ersten Temperatursensors (118) repräsentierenden ersten Temperaturwerts (128), eines eine Temperatur des zweiten Temperatursensors (124) repräsentierenden zweiten Temperaturwerts (130), eines eine Verlustleistung der ersten Schalteinheit (114) repräsentierenden ersten Verlustleistungswertes (132), eines eine Verlustleistung der zweiten Schalteinheit (116) repräsentierenden zweiten Verlustleistungswertes (134), eines eine Verlustleistung der dritten Schalteinheit (120) repräsentierenden dritten Verlustleistungswertes (136), eines eine Verlustleistung der vierten Schalteinheit (122) repräsentierenden vierten Verlustleistungswertes (138), eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit (114) und des ersten Temperatursensors (118) repräsentierenden ersten Sensorwärmewerts (140), eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit (116) und des ersten Temperatursensors (118) repräsentierenden zweiten Sensorwärmewerts (142), eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit (120) und des zweiten Temperatursensors (124) repräsentierenden dritten Sensorwärmewerts (144) und eines einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der vierten Schalteinheit (122) und des zweiten Temperatursensors (124) repräsentierenden vierten Sensorwärmewerts (146); Bestimmen (1220) eines ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1) unter Verwendung des ersten Temperaturwerts (128), des ersten Verlustleistungswertes (132), des zweiten Verlustleistungswertes (134), des ersten Sensorwärmewerts (140) und des zweiten Sensorwärmewerts (142) sowie eines zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2) unter Verwendung des zweiten Temperaturwerts (130), des dritten Verlustleistungswertes (136), des vierten Verlustleistungswertes (138), des dritten Sensorwärmewerts (144) und des vierten Sensorwärmewerts (146); und Ermitteln (1230) einer Temperatur der ersten Schalteinheit (114) und/oder der zweiten Schalteinheit (116) unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1) und/oder einer Temperatur der dritten Schalteinheit (120) und/oder der vierten Schalteinheit (122) unter Verwendung des zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2) und/oder einer Temperatur der fünften Schalteinheit (125) unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1) und des zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2).
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Bildens eines Mittelwerts aus dem ersten Temperaturhilfswert (T-PCB1) und dem zweiten Temperaturhilfswert (T-PCB2), wobei im Schritt des Ermittelns (1230) die Temperatur der fünften Schalteinheit (125) unter Verwendung des Mittelwerts ermittelt wird.
Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (1220) der erste Temperaturhilfswert (T-PCB1) durch Subtraktion eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert (132) und dem ersten Sensorwärmewert (140) und eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert (134) und dem zweiten Sensorwärmewert (142) von dem ersten Temperaturwert (128) und/oder der zweite Temperaturhilfswert (T-PCB2) durch Subtraktion eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert (136) und dem dritten Sensorwärmewert (144) und eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert (138) und dem vierten Sensorwärmewert (146) von dem zweiten Temperaturwert (130) bestimmt wird.
Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Berechnens zumindest eines der Verlustleistungswerte (132, 134, 136, 138; Pv5) in Abhängigkeit von einem Zwischenkreisstrom eines zumindest einer der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) zugeordneten Zwischenkreises und zumindest eines Bauteilparameters der zumindest einen der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125).
Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einlesens (1210) ferner ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit (114) und der zweiten Schalteinheit (116) repräsentierender erster Schaltungswärmewert (Zth1) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit (114) und der dritten Schalteinheit (120) repräsentierender zweiter Schaltungswärmewert (Zth8) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit (114) und der vierten Schalteinheit (122) repräsentierender dritter Schaltungswärmewert (Zth18) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der ersten Schalteinheit (114) und der fünften Schalteinheit (125) repräsentierender vierter Schaltungswärmewert (Zth17) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit (116) und der dritten Schalteinheit (120) repräsentierender fünfter Schaltungswärmewert (Zth2) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit (116) und der vierten Schalteinheit (122) repräsentierender sechster Schaltungswärmewert (Zth19) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der zweiten Schalteinheit (116) und der fünften Schalteinheit (125) repräsentierender siebter Schaltungswärmewert (Zth21) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit (120) und der vierten Schalteinheit (122) repräsentierender achter Schaltungswärmewert (Zth3) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der dritten Schalteinheit (120) und der fünften Schalteinheit (125) repräsentierender neunter Schaltungswärmewert (Zth20) und/oder ein einen transienten Wärmewiderstand einer thermischen Verkopplung der vierten Schalteinheit (122) und der fünften Schalteinheit (125) repräsentierender zehnter Schaltungswärmewert (Zth16) und/oder ein eine Verlustleistung der fünften Schalteinheit (125) repräsentierender fünfter Verlustleistungswert (Pv5) eingelesen wird, wobei im Schritt des Ermittelns (1230) die Temperatur zumindest einer der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) ferner unter Verwendung von zumindest vier der Schaltungswärmewerte (Zth1, Zth2, Zth3, Zth8, Zth16, Zth17, Zth18, Zth19, Zth20, Zth21) und zumindest vier der Verlustleistungswerte (132, 134, 136, 138; Pv5) ermittelt wird.
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 5, bei dem im Schritt des Ermittelns (1230) die Temperatur der ersten Schalteinheit (114) durch Addition des ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1), eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert (134) und dem ersten Schaltungswärmewert (Zth1), eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert (136) und dem zweiten Schaltungswärmewert (Zth8), eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert (138) und dem dritten Schaltungswärmewert (Zth18) und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert (Pv5) und dem vierten Schaltungswärmewert (Zth17) ermittelt wird und/oder die Temperatur der zweiten Schalteinheit (116) durch Addition des ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1), eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert (132) und dem ersten Schaltungswärmewert (Zth1), eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert (136) und dem fünften Schaltungswärmewert (Zth2), eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert (138) und dem sechsten Schaltungswärmewert (Zth19) und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert (Pv5) und dem siebten Schaltungswärmewert (Zth21) ermittelt wird und/oder die Temperatur der dritten Schalteinheit (120) durch Addition des zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2), eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert (132) und dem zweiten Schaltungswärmewert (Zth8), eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert (134) und dem fünften Schaltungswärmewert (Zth2), eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert (138) und dem achten Schaltungswärmewert (Zth3) und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert (Pv5) und dem neunten Schaltungswärmewert (Zth20) ermittelt wird und/oder die Temperatur der vierten Schalteinheit (122) durch Addition des zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2), eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert (132) und dem dritten Schaltungswärmewert (Zth18), eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert (134) und dem sechsten Schaltungswärmewert (Zth19), eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert (136) und dem achten Schaltungswärmewert (Zth3) und eines Produkts aus dem fünften Verlustleistungswert (Pv5) und dem zehnten Schaltungswärmewert (Zth16) ermittelt wird und/oder die Temperatur der fünften Schalteinheit (125) durch Addition eines unter Verwendung des ersten Temperaturhilfswertes (T-PCB1) und des zweiten Temperaturhilfswertes (T-PCB2) gebildeten dritten Temperaturhilfswertes, eines Produkts aus dem ersten Verlustleistungswert (132) und dem vierten Schaltungswärmewert (Zth17), eines Produkts aus dem zweiten Verlustleistungswert (134) und dem siebten Schaltungswärmewert (Zth21), eines Produkts aus dem dritten Verlustleistungswert (136) und dem neunten Schaltungswärmewert (Zth20) und eines Produkts aus dem vierten Verlustleistungswert (138) und dem zehnten Schaltungswärmewert (Zth16) ermittelt wird.
Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermittelns (1230) eine Temperatur einer Sperrschicht und/oder eines Gehäuses zumindest einer der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) ermittelt wird.
Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bereitstellens eines Deaktivierungssignals (148) zum Deaktivieren zumindest einer der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125), wenn die Temperatur der zumindest einen der Schalteinheiten (114, 116, 120, 122, 125) einen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung (126), die ausgebildet ist, um das Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Schaltvorrichtung (100) für ein Steuergerät, wobei die Schaltvorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: einen ersten Schalterbereich (102) mit zumindest einer ersten Schalteinheit (114), einer zweiten Schalteinheit (116) und einem mit der ersten Schalteinheit (114) und der zweiten Schalteinheit (116) thermisch gekoppelten ersten Temperatursensor (118); einen außerhalb des ersten Schalterbereichs (102) befindlichen zweiten Schalterbereich (104) mit zumindest einer dritten Schalteinheit (120), einer vierten Schalteinheit (122) und einem mit der dritten Schalteinheit (120) und der vierten Schalteinheit (122) thermisch gekoppelten zweiten Temperatursensor (124); einen mit dem ersten Schalterbereich (102) und dem zweiten Schalterbereich (104) thermisch gekoppelten dritten Schalterbereich (106) mit zumindest einer fünften Schalteinheit (125); und einer Vorrichtung (126) gemäß Anspruch 9.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.