DE102016206590A1

DE102016206590A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors, Steuergerät und Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE102016206590A1
Application number: DE102016206590.4A
Authority: DE
Inventors: Mathias Häuslmann; Markus Bauernfeind
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors (102). Hierbei wird der Transistor (102) durch Anlegen einer vorgegebenen Steuerspannung an den Transistor (102) derart angesteuert, dass der Transistor (102) leitend geschaltet wird. Des Weiteren wird ein Stromwert eines durch den Transistor (102) fließenden Stroms (I) bestimmt, wenn der Transistor (102) leitend geschaltet wurde. Schließlich werden der Stromwert und ein die Steuerspannung oder eine vorgegebene Stromanstiegszeit des Stroms (I) repräsentierender Referenzwert unter Verwendung zumindest einer vorgegebenen Temperaturkennlinie des Transistors (102) verarbeitet, um die Temperatur zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors, auf ein Steuergerät, auf ein Computerprogramm und auf eine Schaltvorrichtung.
Die Temperatur eines Transistors kann beispielsweise mithilfe eines an dem Transistor angebrachten Thermoelements ermittelt werden.
Die DE 10 2007 063 228 A1 beschreibt eine entsprechende Temperaturüberwachung in einem Halbleiterbauelement durch Thermoelemente, die in der Kontaktstruktur verteilt sind.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors, ein verbessertes Steuergerät, ein verbessertes Computerprogramm und eine verbesserte Schaltvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Messen eines durch einen Transistor fließenden Stroms und durch Zuordnen des gemessenen Stroms zu einer bekannten Kennlinie des Transistors eine stetige Temperaturüberwachung des Transistors realisiert werden kann, ohne dass hierzu zusätzliche Bauelemente oder Komponenten wie beispielsweise ein Voltmeter, eine Infrarotkamera oder ein auf den Transistor aufgebrachtes Thermoelement erforderlich sind. Da eine derartige Temperaturüberwachung gemäß einer Ausführungsform bei bekannter Steuerspannung des Transistors über eine Software realisiert werden kann, kann die Temperaturüberwachung mit geringem Kostenaufwand durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Eichfähigkeit einer derartigen Temperaturüberwachung.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Ansteuern des Transistors durch Anlegen einer vorgegebenen Steuerspannung an den Transistor, um den Transistor leitend zu schalten;
Bestimmen eines Stromwerts eines durch den Transistor fließenden Stroms, wenn der Transistor leitend geschaltet wurde; und
Bestimmen der Temperatur unter Verwendung des Stromwerts und eines die Steuerspannung und/oder eine vorgegebene Stromanstiegszeit des Stroms repräsentierenden Referenzwerts unter Verwendung zumindest einer vorgegebenen Temperaturkennlinie des Transistors.
Bei dem Transistor kann es sich beispielsweise um einen Bipolartransistor, einen Feldeffekttransistor, kurz FET, oder einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MOSFET, handeln. Insbesondere kann der Transistor normal sperrend sein. Der Transistor kann beispielsweise als Leistungsschalter einer Schaltvorrichtung in Form einer Brückentreiberschaltung zum Schalten eines Aktors, etwa eines Aktors zum Betätigen eines automatischen Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs, realisiert sein. Unter einer Steuerspannung kann je nach Typ des Transistors beispielsweise eine vorgegebene Basis-Emitter- oder Gate-Source-Spannung verstanden werden, durch die der Transistor leitend geschaltet werden kann. Beispielsweise kann es sich bei der Steuerspannung um eine Versorgungsspannung der Schaltvorrichtung oder eine durch Herabsetzen der Versorgungsspannung auf einen vorgegebenen Wert erzeugte Spannung handeln. Unter einer Temperaturkennlinie kann eine einer bestimmten Temperatur des Transistors zugeordnete Kennlinie verstanden werden, die den durch den Transistor fließenden Strom, etwa einen Emitter- oder Drain-Strom, in Abhängigkeit von der Steuerspannung oder der Stromanstiegszeit darstellt. Die Temperaturkennlinie kann beispielsweise eine zulässige Maximal- oder Minimaltemperatur des Transistors oder eine zwischen der Maximal- und Minimaltemperatur liegende Temperatur repräsentieren. Die Temperaturkennlinie kann beispielsweise in Form einer Tabelle oder einer Funktion bereitgestellt sein. Unter einer Stromanstiegszeit kann eine Zeitspanne verstanden werden, nach deren Ablauf der durch den Transistor fließende Strom einen im Wesentlichen konstanten Wert erreicht hat.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Herabsetzens der Steuerspannung umfassen, um eine herabgesetzte Steuerspannung zu erhalten. Hierbei kann im Schritt des Ansteuerns der Transistor durch Anlegen der herabgesetzten Steuerspannung leitend geschaltet werden. Dementsprechend kann im Schritt des Bestimmens ein die herabgesetzte Steuerspannung repräsentierender Wert als der Referenzwert verwendet werden. Dadurch kann die Belastung des Transistors während der Temperaturermittlung reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns der Transistor in Abhängigkeit von einem Schaltzeitpunkt, zu dem ein mit dem Transistor gekoppelter Aktor geschaltet wird, angesteuert werden. Unter einem Schaltzeitpunkt kann ein Zeitpunkt verstanden werden, zu dem ein Betriebsstrom durch den Aktor geleitet oder umgekehrt wird. Beispielsweise kann der Transistor kurz nach dem Schaltzeitpunkt angesteuert werden. Dadurch kann die Temperatur des Transistors bei laufendem Betrieb des Aktors ermittelt werden.
Des Weiteren kann das Verfahren einen Schritt des Sperrens des Transistors umfassen. Hierbei kann im Schritt des Ansteuerns der Transistor nachfolgend auf das Sperren leitend geschaltet werden. Dadurch kann die Temperatur in Abhängigkeit von der vorgegebenen Stromanstiegszeit ermittelt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Ansteuerns zumindest ein mit dem Transistor in Reihe geschalteter zusätzlicher Transistor angesteuert wird, um den zusätzlichen Transistor leitend zu schalten, bevor der Transistor leitend geschaltet wird. Der Transistor und der zusätzliche Transistor können beispielsweise zu einer Halbbrücke zum Schalten des Aktors verschaltet sein. Durch diese Ausführungsform kann sichergestellt werden, dass beim Ansteuern des Transistors ein Strom durch den Transistor fließt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns zumindest ein mit dem Transistor parallel geschalteter weiterer Transistor angesteuert werden, um den weiteren Transistor zu sperren, bevor der Transistor leitend geschaltet wird. Der weitere Transistor kann beispielsweise Teil einer mit der Halbbrücke parallel geschalteten weiteren Halbbrücke zum Schalten des Aktors sein. Durch diese Ausführungsform kann verhindert werden, dass beim Ansteuern des Transistors ein Strom durch den weiteren Transistor fließt. Dadurch können Fehler und Ungenauigkeiten beim Ermitteln der Temperatur des Transistors vermieden werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das 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 eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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.
Schließlich schafft der hier vorgeschlagene Ansatz eine Schaltvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
zumindest einem Transistor;
zumindest einem Strommesselement zum Messen eines durch den Transistor fließenden Stroms; und
einem mit dem Transistor und dem Strommesselement gekoppelten Steuergerät gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.
Unter einem Strommesselement kann insbesondere ein Messwiderstand verstanden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Strommesselement mit dem Transistor in Reihe geschaltet sein. Beispielsweise kann das Strommesselement als Shunt realisiert sein. Dadurch wird eine einfache und zuverlässige Messung des durch den Transistor fließenden Stroms ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung einen ersten Potenzialanschluss, einen zweiten Potenzialanschluss und zumindest eine Halbbrücke umfassen. Die Halbbrücke kann den Transistor, zumindest einen zusätzlichen Transistor, das Strommesselement und einen Aktoranschluss zum Anschließen eines Aktors an die Halbbrücke und eine den ersten Potenzialanschluss umfassen. Der Transistor kann zwischen den ersten Potenzialanschluss und den Aktoranschluss geschaltet sein. Eine Reihenschaltung aus dem zusätzlichen Transistor und dem Strommesselement kann zwischen den Aktoranschluss und den zweiten Potenzialanschluss geschaltet sein. Hierbei kann das Steuergerät ausgebildet sein, um ferner den zusätzlichen Transistor anzusteuern. Beispielsweise kann das Steuergerät ausgebildet sein, um unter Verwendung des Strommesselements ferner eine Temperatur des zusätzlichen Transistors zu ermitteln. Unter einem Aktor kann beispielsweise ein ein-, zwei- oder dreiphasiger Elektromotor verstanden werden. Der Transistor und der zusätzliche Transistor können beispielsweise baugleich sein oder zumindest identische Eigenschaften, insbesondere identische Temperaturkennlinien, aufweisen. Durch diese Ausführungsform wird eine zuverlässige und kostengünstige Temperaturüberwachung eines innerhalb einer Halbbrücke angeordneten Transistors ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung zumindest eine weitere Halbbrücke aufweisen. Die weitere Halbbrücke kann mit der Halbbrücke parallel geschaltet sein und zumindest einen ersten weiteren Transistor und einen zweiten weiteren Transistor, ein weiteres Strommesselement sowie einen weiteren Aktoranschluss zum Anschließen des Aktors an die weitere Halbbrücke umfassen. Der erste weitere Transistor kann zwischen den ersten Potenzialanschluss und den weiteren Aktoranschluss geschaltet sein. Eine Reihenschaltung aus dem zweiten weiteren Transistor und dem weiteren Strommesselement kann zwischen den weiteren Aktoranschluss und den zweiten Potenzialanschluss geschaltet sein. Hierbei kann das Steuergerät ausgebildet sein, um ferner den ersten weiteren Transistor und/oder den zweiten weiteren Transistor anzusteuern. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuergerät ausgebildet sein, um unter Verwendung des weiteren Strommesselements eine Temperatur des ersten weiteren Transistors und/oder des zweiten weiteren Transistors zu ermitteln. Die Transistoren der Halbbrücke und der weiteren Halbbrücke können beispielsweise baugleich sein oder zumindest identische Eigenschaften, insbesondere identische Temperaturkennlinien, aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine kostengünstige und zuverlässige Temperaturüberwachung einer Brückentreiberschaltung, etwa zum Schalten eines automatischen Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung den Aktor, der zwischen den Aktoranschluss und den weiteren Aktoranschluss geschaltet ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung dreier Temperaturkennlinien eines Transistors aus 1;
3 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter 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 umfasst zumindest einen Transistor 102, hier einen normal sperrenden MOSFET, und ein Strommesselement 104, hier einen Shunt, zum Messen eines durch den Transistor 102 fließenden Stroms I. Eine Fließrichtung des Stroms I ist in 1 beispielhaft mit vier Pfeilen gekennzeichnet. Der Transistor 102 und das Strommesselement 104 sind mit einem Steuergerät 106 gekoppelt, das ausgebildet ist, um eine Temperatur des Transistors 102 unter Verwendung des unter Verwendung des Strommesselements 104 gemessenen Stroms I und zumindest einer Temperaturkennlinie des Transistors 102 zu ermitteln. Hierzu ist das Steuergerät 106 ausgebildet, um eine vorgegebene Steuerspannung V_GS an den Transistor 102 anzulegen, durch die der Transistor 102 leitend geschaltet wird. Der hierauf durch den Transistor 102 fließende Strom I erzeugt einen Spannungsabfall im Strommesselement 104, der von dem Steuergerät 106 verwendet wird, um einen Messwert des Stroms I zu bestimmen. Durch Zuordnen des Messwerts des Stroms I und der zum Ansteuern verwendeten Steuerspannung V_GS zu ein und demselben Punkt auf der Temperaturkennlinie ist das Steuergerät 106 schließlich ausgebildet, um die aktuelle Temperatur des Transistors 102 zu bestimmen.
Der Transistor 102 ist beispielsweise derart dimensioniert, dass er eine gewünschte Lebensdauer erreicht, ohne dabei überdimensioniert zu sein. Die gewünschte Lebensdauer des Transistors 102 hängt im Wesentlichen von seiner Bausteintemperatur ab. Bei der Bausteintemperatur handelt es sich um einen der kritischsten Parameter bei der Dimensionierung von Halbleiterchips für die Leistungselektronik. Im Vergleich zu elektronischen Parametern, die mit einem Oszilloskop und Strom- oder Spannungstastköpfen relativ einfach erfasst werden können, ist die Messung und permanente Überwachung der Bausteintemperatur während des Betriebs deutlich aufwendiger. Der beschriebene Ansatz kann ergänzend oder alternativ zu Verfahren zu Überwachung und Messung der Temperatur eines Leistungshalbleiterchips verwendet werden, bei denen beispielsweise die Temperaturüberwachung durch eine Software simuliert wird oder ein Thermoelement auf den Chip aufgebracht wird, durch das die Temperatur des Chips punktuell wiedergegeben werden kann.
Ferner kann der beschriebene Ansatz zusätzlich oder alternativ zu einer Temperaturmessung durch Anschließen eines Spannungsmessgeräts und einer Auswertung einer dazugehörigen Transistorkennlinie durchgeführt werden. Hierzu sind in der Regel zusätzliche elektronische Komponenten wie Bauteile oder Schaltungen erforderlich. Auch beim Einsatz dieser zusätzlich angebrachten Komponenten wie etwa eines Thermoelements ist es schwer, eine genaue Temperaturmessung zu gewährleisten.
So kann beispielsweise durch ein punktuell aufgebrachtes Thermoelement nur die Temperatur einer bestimmten Stelle des Chips gemessen werden. Der Chip kann jedoch an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Wird mittels des Thermoelements beispielsweise eine verhältnismäßig niedrige Temperatur an einer Messstelle, an der das Thermoelement aufgebracht ist, gemessen, so kann der Chip an einer anderen Stelle eine weit höhere Temperatur aufweisen. Zudem wird durch das aufgebrachte Thermoelement ein großer Teil einer Fläche des Chips bedeckt, womit der bedeckte Teil der Fläche nicht mehr für die Leistungsführung zur Verfügung steht. Weiterhin ist das Messsignal nicht potenzialgetrennt, was zu zusätzlichem Aufwand führen kann.
Der hier vorgestellte Ansatz in Form der Schaltvorrichtung 100 ermöglicht hingegen eine Temperaturüberwachung ohne zusätzliche Bauteile oder zusätzliche elektrische Schaltkreise. Zudem ermöglicht die Schaltvorrichtung 100 eine sehr genaue und zuverlässige Temperaturüberwachung.
Prinzipiell basiert der hier beschriebene Ansatz auf einer Transistorkennlinienauswertung. Vorteilhafterweise kann hierbei eine Spannungsmessung wie beispielsweise eine Drop-Voltage-Messung über einen Motoranschluss und eine Masse entfallen, indem die Temperaturmessung lediglich über die in der Schaltvorrichtung 100 befindlichen Bauteile durchgeführt wird.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 100 als Brückentreiberschaltung zum Ansteuern eines Aktors 108 für ein automatisches Schaltgetriebe eines Fahrzeugs realisiert. Hierzu ist die Schaltvorrichtung 100 mit einer Halbbrücke 110 und einer zu der Halbbrücke 110 parallel geschalteten weiteren Halbbrücke 112 realisiert. Die Halbbrücke 110 umfasst neben dem Transistor 102 und dem Strommesselement 104 einen zusätzlichen Transistor 114, hier ebenfalls ein normal sperrender MOSFET, einen Aktoranschluss 116 zum Anschließen des Aktors 108 an die Halbbrücke 110 und eine Versorgungsleitung 118, die die Transistoren 102, 114 mit dem Aktoranschluss 116 verbindet. Beispielhaft handelt es sich bei dem ersten Potenzialanschluss 120 um einen positiven Pol einer Versorgungsspannung von beispielsweise 12 V zum Versorgen des Aktors 108 und bei dem zweiten Potenzialanschluss 122 um einen negativen Pol eines Massepotenzials. Die beiden Transistoren 102, 114 und das Strommesselement 104 sind über die Versorgungsleitung 118 miteinander in Reihe geschaltet. Der Aktoranschluss 116 liegt zwischen den beiden Transistoren 102, 114, wobei der zusätzliche Transistor 114 zwischen dem Aktoranschluss 116 und dem Strommesselement 104 angeordnet ist.
Die weitere Halbbrücke 112 umfasst analog zur Halbbrücke 110 einen ersten weiteren Transistor 124, einen zweiten weiteren Transistor 126, hier ebenfalls zwei normal sperrende MOSFETs, ein weiteres Strommesselement 128, hier ebenfalls einen Shunt, sowie einen weiteren Aktoranschluss 130 zum Anschließen des Aktors 108 an die weitere Halbbrücke 112. Über eine weitere Versorgungsleitung 132 sind die beiden weiteren Transistoren 126, 128 mit dem weiteren Aktoranschluss 130 verbunden. Hierbei ist der weitere Aktoranschluss 130 zwischen den beiden weiteren Transistoren 124, 126 angeordnet, während der zweite weitere Transistor 126 zwischen dem Aktoranschluss 130 und dem weiteren Strommesselement 128 angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 106 ausgebildet, um den Transistor 102 oder zumindest einen der drei übrigen Transistoren der Schaltvorrichtung 100 durch Anlegen der Versorgungsspannung als der Steuerspannung V_GS anzusteuern. Alternativ setzt das Steuergerät 106 die Versorgungsspannung um einen vorgegebenen Wert auf die Steuerspannung V_GS herab, um die betreffenden Transistoren anzusteuern, beispielsweise um 7 V von 12 V auf 5 V.
Das Schalten des Aktors 108 mittels der Schaltvorrichtung 100 erfolgt beispielsweise in zwei Phasen. Hierbei ist das Steuergerät 106 ausgebildet, um neben dem Transistor 102 den zusätzlichen Transistor 114 sowie die zwei weiteren Transistoren 124, 126 anzusteuern. Zu einem ersten Schaltzeitpunkt steuert das Steuergerät 106 die vier Transistoren derart an, dass der Transistor 102 und der zweite weitere Transistor 126 leitend geschaltet sind und der zusätzliche Transistor 114 und der erste weitere Transistor 124 gesperrt sind. Somit fließt der Strom I zum ersten Schaltzeitpunkt vom ersten Potenzialanschluss 120 durch den Transistor 102, den Aktor 108, den zweiten weiteren Transistor 126 zum zweiten Potenzialanschluss 122. Umgekehrt steuert das Steuergerät 106 die vier Transistoren zu einem zweiten Schaltzeitpunkt derart an, dass der Transistor 102 und der zweite weitere Transistor 126 gesperrt sind und der zusätzliche Transistor 114 und der erste weitere Transistor 124 leitend geschaltet sind. Somit fließt der Strom I zum zweiten Schaltzeitpunkt vom ersten Potenzialanschluss 120 durch den ersten weiteren Transistor 124, den Aktor 108, den zusätzlichen Transistor 114 zum zweiten Potenzialanschluss 122. Der Strom I fließt somit in einer Richtung durch den Aktor 108, die einer Richtung des zum ersten Schaltzeitpunkt durch den Aktor 108 fließenden Stroms I entgegengesetzt ist.
Optional ermittelt das Steuergerät 106 die Temperatur des Transistors 102 oder eine jeweilige Temperatur zumindest eines der drei übrigen Transistoren der Schaltvorrichtung 100 unter Berücksichtigung des ersten oder zweiten Schaltzeitpunkts.
Die Messung einer jeweiligen Temperatur der drei Transistoren 114, 124, 126 durch das Steuergerät 106 erfolgt beispielsweise analog zu einer vorangehend anhand des Transistors 102 beschriebenen Weise unter Verwendung der jeweiligen Steuerspannung V_GS und der jeweiligen Temperaturkennlinie oder des jeweiligen Temperaturkennlinienfelds des zu überwachenden Transistors. Hierbei dient das weitere Strommesselement 128 zum Messen des durch den ersten weiteren Transistor 124 oder zweiten weiteren Transistor 128 fließenden Stroms I.
Bei der Strommessung handelt es um eine Kurzschlussstrommessung innerhalb derjenigen der beiden Halbbrücken 110, 112, die den zu überwachenden Transistor aufweist. Soll beispielsweise der durch die Halbbrücke 110 fließende Strom I gemessen werden, so wird hierzu über eine auf dem Steuergerät 106 laufende Software die weitere Halbbrücke 112 abgeschaltet, d. h., die beiden weiteren Transistoren 124, 126 werden gesperrt, bevor die Strommessung und somit die Temperaturmessung erfolgt. Hierauf wird in der Halbbrücke 110 die Kurzschlussstrommessung mittels des Strommesselements 104 durchgeführt. Hierzu schaltet das Steuergerät 106 die beiden Transistoren 102, 114 der Halbbrücke 110 leitend. Soll beispielsweise die Temperatur des Transistors 102 ermittelt werden, so steuert das Steuergerät 106 die beiden Transistoren 102, 114 derart an, dass der zusätzliche Transistor 114 bereits leitend geschaltet ist, wenn die Steuerspannung V_GS an den Transistor 102 angelegt wird. Optional wird der Transistor 102 durch das Steuergerät 106 zunächst gesperrt, bevor er zur Temperaturermittlung leitend geschaltet wird.
Das Steuergerät 106 führt die Temperaturmessung jedoch nur dann durch, wenn der Aktor 108 nicht schalten muss. Beispielsweise führt das Steuergerät 106 die Temperaturmessung nach einem Schaltvorgang oder nach bestimmten Zeitintervallen in Abgleich mit einer Aktorschaltung durch. Mittels der Temperaturmessung kann sichergestellt werden, dass die überwachten Transistoren ihre jeweilige Arbeitstemperatur nicht überschreiten. Somit können thermisch verursachte Beschädigungen der Transistoren vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 106 ausgebildet, um die Transistoren 102, 114, 124, 126 während eines Normalbetriebs der Schaltvorrichtung 100 so anzusteuern, dass der Aktor 108 mit zum Betrieb des Aktors 108 erforderlichen Betriebsspannungen und/oder Betriebsströmen versorgt wird, und ausgebildet, um die Transistoren 102, 114, 124, 126 während eines Messbetriebs der Schaltvorrichtung 100 so anzusteuern, dass die Temperatur zumindest eines der Transistoren 102, 114, 124, 126 ermittelt werden kann. Das Steuergerät 106 kann ausgebildet sein, um den Aktor 108 vor Beginn des Messbetriebs in einen sicheren Zustand, beispielsweise in den Stillstand, zu überführen oder ausgebildet sein, um den Messbetrieb so in den Normalbetrieb zu integrieren, dass der Betrieb des Aktors 108 durch die im Messbetrieb durchgeführte Messung nicht störend beeinflusst wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung dreier Temperaturkennlinien 200, 202, 204 eines Transistors aus 1. Bei den drei Temperaturkennlinien handelt es sich um temperaturabhängige Spannungs-Strom-Kennlinien, die jeweils beispielhaft einen von der Steuerspannung V_GS abhängigen Verlauf eines Drain-Stroms I_D des Transistors wiedergeben. Hierbei repräsentiert eine erste Temperaturkennlinie 200 einen Stromverlauf bei einer Temperatur von 175 °C, eine zweite Temperaturkennlinie 202 einen Stromverlauf bei einer Temperatur von 25 °C und eine dritte Temperaturkennlinie 204 einen Stromverlauf bei einer Temperatur von minus 55 °C. Beispielsweise sollte der Transistor die Temperatur von 175 °C nicht überschreiten. Die drei Temperaturkennlinien 200, 202, 204 können beispielsweise in einem Steuergerät, wie es vorangehend anhand von 1 beschrieben ist, hinterlegt sein. In entsprechender Weise können zu jedem weiteren Transistor der Schaltvorrichtung aus 1 entsprechende Temperaturkennlinien in dem Steuergerät hinterlegt sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Steuergerät 106 kann es sich um ein vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenes Steuergerät handeln. Das Steuergerät 106 umfasst eine Ansteuereinheit 310, die ausgebildet ist, um ein Ansteuersignal 315 zum Ansteuern zumindest eines Transistors der Schaltvorrichtung zu erzeugen. Mittels des Ansteuersignals 315 wird beispielsweise die Steuerspannung an den Transistor angelegt, um diesen leitend zu schalten. Eine Bestimmungseinheit 320 ist ausgebildet, um das Ansteuersignal 315 von der Ansteuereinheit 310 zu empfangen und unter Verwendung des Ansteuersignals 315 einen Stromwert 325 des infolge des Ansteuerns durch das Strommesselement fließenden Stroms zu bestimmen. Beispielsweise ist die Bestimmungseinheit mit dem mit dem Transistor in Reihe geschalteten Strommesselement gekoppelt, um einen Spannungsabfall im Strommesselement beim Ansteuern des Transistors zu messen und in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall den Stromwert zu bestimmen. Eine Verarbeitungseinheit 330 ist ausgebildet, um den Stromwert 325 von der Bestimmungseinheit 320 zu empfangen und den Stromwert 325 unter Verwendung eines Referenzwerts, der je nach Ausführungsbeispiel die Steuerspannung oder eine vorgegebene Stromanstiegszeit des Transistors repräsentiert, sowie unter Verwendung der dem Transistor zugeordneten Temperaturkennlinie oder eines dem Transistor zugeordneten Temperaturkennlinienfelds zu verarbeiten. Als Ergebnis des Verarbeitens erzeugt die Verarbeitungseinheit 330 einen die Temperatur des Transistors repräsentierenden Temperaturwert 335. Der Referenzwert, die Temperaturkennlinie oder das Temperaturkennlinienfeld ist beispielsweise im Steuergerät 106 hinterlegt.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Schaltvorrichtung 100 kann es sich um eine vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebene Schaltvorrichtung handeln. Gezeigt ist ein Ausschnitt aus einer Brückentreiberschaltung mit den beiden Halbbrücken 110, 112. Die Brückentreiberschaltung dient zum Ansteuern eines automatischen Schaltgetriebes, kurz ASG, und wird deshalb auch als ASG-Brückentreiberschaltung bezeichnet.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Steuergerät durchgeführt werden. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 510, in dem der Transistor durch Anlegen der vorgegebenen Steuerspannung angesteuert wird. Hierbei wird der Transistor leitend geschaltet. In einem weiteren Schritt 520 wird ansprechend auf das Ansteuern des Transistors ein Stromwert eines durch den Transistor fließenden Stroms, etwa eines Drain-Stroms, gemessen. Dies erfolgt beispielsweise mithilfe eines Shunts als Strommesselement. Schließlich werden in einem Schritt 530 der Stromwert sowie ein Referenzwert, der die Steuerspannung zum Ansteuern des Transistors oder auch eine dem Transistor zugeordnete Stromanstiegszeit repräsentiert, unter Verwendung zumindest einer Temperaturkennlinie des Transistors verarbeitet, um die Temperatur des Transistors zu ermitteln.
Wie bereits erwähnt, kann der Transistor Teil einer Brückenschaltung zum Steuern eines Aktors sein. Hierbei können die Schritte 510, 520, 530 fortlaufend durchgeführt werden, um die Temperatur des Transistors während des Betriebs des Aktors zu überwachen. Optional erfolgt das Ansteuern im Schritt 510 unter Berücksichtigung zumindest eines Schaltzeitpunkts des Aktors.
Das Verfahren 500 kann auf eine beliebige H-Brückenschaltung angewandt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte 510, 520, 530 des Verfahrens 500 unter Verwendung einer Software ausgeführt. In der Software, die beispielsweise auf einem vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Steuergerät ausgeführt werden kann, ist ein Zeitpunkt hinterlegt, zu dem der Schritt 510 durchgeführt wird, um eine Transistortemperaturmessung zu starten. Der Zeitpunkt ist so gewählt, dass die Transistortemperaturmessung entweder direkt nach Schalten des Aktors oder nach bestimmten Zeitintervallen in Abgleich mit einer entsprechenden Aktorschaltung erfolgt. Hierbei hat die Aktorschaltung Priorität.
Um die Bauteile der H-Brückenschaltung nicht unnötig zu belasten, wird die Steuerspannung, bei der es sich um eine Treiberspannung der Transistoren oder eine Versorgungsspannung handeln kann, in einem optionalen Verfahrensschritt über die Software kurzzeitig von beispielsweise 12 V auf 5 V herabgesetzt. Alternativ kann eine Impulsdauer angepasst werden, sodass die Stromanstiegsverzögerung den durch den zu überwachenden Transistor fließenden Kurzschlussstrom begrenzt.
Die Software steuert im Schritt 510 die Transistoren derjenigen Halbbrücke, in der keine Strom- oder Temperaturmessung stattfinden soll, derart an, dass die Transistoren dieser Halbbrücke gesperrt sind.
Die Transistoren der anderen Halbbrücke, darunter der Transistor, dessen Temperatur gemessen werden soll, werden im Schritt 510 durch einen kurzen Steuerimpuls angesteuert. Soll nur ein Transistor überwacht werden, so kann der andere Transistor in der H-Brücke länger angeschaltet bleiben, um eine gegenseitige Beeinflussung der Stromanstiegszeiten auszuschließen.
Der Stromwert wird im Schritt 520 beispielsweise über Strommessungsshunts ermittelt. Hierbei ist die Steuerspannung oder ein dynamisches Anschaltverhalten des zu überwachenden Transistors bekannt. Die Kennlinien des Transistors sind beispielsweise in der Software hinterlegt.
Schließlich wird im Schritt 530 über einen Schnittpunkt des ermittelten Stromwerts und der festgelegten Steuerspannung oder Stromanstiegszeit mit einer der Temperaturkennlinien die aktuelle Temperatur des Transistors bestimmt.
Beispielsweise wird über den Strommessungsshunt ein Stromwert von 50 A bestimmt. Hierbei beträgt die Steuerspannung 5 V. Entsprechend den Temperaturkennlinien, wie sie vorangehend anhand von 2 beschrieben sind, beträgt die aktuelle Temperatur des Transistors folglich 25 °C.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, 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.
Bezugszeichenliste

100: Schaltvorrichtung
102: Transistor
104: Strommesselement
106: Steuergerät
108: Aktor
110: Halbbrücke
112: weitere Halbbrücke
114: zusätzlicher Transistor
116: Aktoranschluss
118: Versorgungsleitung
120: erster Potenzialanschluss
122: zweiter Potenzialanschluss
124: erster weiterer Transistor
126: zweiter weiterer Transistor
128: weiteres Strommesselement
130: weiterer Aktoranschluss
132: weitere Versorgungsleitung
200: erste Temperaturkennlinie
202: zweite Temperaturkennlinie
204: dritte Temperaturkennlinie
310: Ansteuereinheit
315: Ansteuersignal
320: Bestimmungseinheit
325: Stromwert
330: Verarbeitungseinheit
335: Temperaturwert
500: Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors
510: Schritt des Ansteuerns
520: Schritt des Bestimmens
530: Schritt des Verarbeitens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007063228 A1 [0003]

Claims

Verfahren (500) zum Ermitteln einer Temperatur eines Transistors (102), wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Ansteuern (510) des Transistors (102) durch Anlegen einer vorgegebenen Steuerspannung (V_GS) an den Transistor (102), um den Transistor (102) leitend zu schalten; Bestimmen (520) eines Stromwerts (325) eines durch den Transistor (102) fließenden Stroms (I), während der Transistor (102) leitend geschaltet ist; und Bestimmen (530) der Temperatur unter Verwendung des Stromwerts (325) und eines die Steuerspannung (V_GS) und/oder eine vorgegebene Stromanstiegszeit des Stroms (I) repräsentierenden Referenzwerts sowie zumindest einer vorgegebenen Temperaturkennlinie (200, 202, 204) des Transistors (102).
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt des Herabsetzens der Steuerspannung (V_GS), um eine herabgesetzte Steuerspannung (V_GS) zu erhalten, wobei im Schritt des Ansteuerns (510) der Transistor (102) durch Anlegen der herabgesetzten Steuerspannung (V_GS) leitend geschaltet wird, wobei im Schritt des Bestimmens (530) ein die herabgesetzte Steuerspannung (V_GS) repräsentierender Wert als der Referenzwert verwendet wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ansteuerns (510) der Transistor (102) in Abhängigkeit von einem Schaltzeitpunkt, zu dem ein mit dem Transistor (102) gekoppelter Aktor (108) geschaltet wird, angesteuert wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Sperrens des Transistors (102), wobei im Schritt des Ansteuerns (510) der Transistor (102) nachfolgend auf das Sperren leitend geschaltet wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ansteuerns (510) zumindest ein mit dem Transistor (102) in Reihe geschalteter zusätzlicher Transistor (114) angesteuert wird, um den zusätzlichen Transistor (114) leitend zu schalten, bevor der Transistor (102) leitend geschaltet wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ansteuerns (510) zumindest ein mit dem Transistor (102) parallel geschalteter weiterer Transistor (124, 126) angesteuert wird, um den weiteren Transistor (124, 126) zu sperren, bevor der Transistor (102) leitend geschaltet wird.
Steuergerät (106) mit Einheiten (310, 320, 330), die ausgebildet sind, um das Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder anzusteuern.
Schaltvorrichtung (100) mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Transistor (102); zumindest einem Strommesselement (104) zum Messen eines durch den Transistor (102) fließenden Stroms (I); und einem mit dem Transistor (102) und dem Strommesselement (104) gekoppelten Steuergerät (106) gemäß Anspruch 7.
Schaltvorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strommesselement (104) mit dem Transistor (102) in Reihe geschaltet ist.
Schaltvorrichtung (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen ersten Potenzialanschluss (120), einen zweiten Potenzialanschluss (122) und zumindest eine Halbbrücke (110), wobei die Halbbrücke (110) den Transistor (102), zumindest einen zusätzlichen Transistor (114), das Strommesselement (104) und einen Aktoranschluss (116) zum Anschließen eines Aktors (108) an die Halbbrücke (110) umfasst, wobei der Transistor (102) zwischen den ersten Potenzialanschluss (120) und den Aktoranschluss (116) geschaltet ist, eine Reihenschaltung aus dem zusätzlichen Transistor (114) und dem Strommesselement (104) zwischen den Aktoranschluss (116) und den zweiten Potenzialanschluss (122) geschaltet ist, und wobei das Steuergerät (106) ausgebildet ist, um ferner den zusätzlichen Transistor (114) anzusteuern.
Schaltvorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch zumindest eine weitere Halbbrücke (112), wobei die weitere Halbbrücke (112) mit der Halbbrücke (110) parallel geschaltet ist und zumindest einen ersten weiteren Transistor (124) und einen zweiten weiteren Transistor (126), ein weiteres Strommesselement (128) und einen weiteren Aktoranschluss (130) zum Anschließen des Aktors (108) an die weitere Halbbrücke (112) umfasst, wobei der erste weitere Transistor (124) zwischen den ersten Potenzialanschluss (120) und den weiteren Aktoranschluss (130) geschaltet ist, eine Reihenschaltung aus dem zweiten weiteren Transistor (126) und dem weiteren Strommesselement (128) zwischen den weiteren Aktoranschluss (130) und den zweiten Potenzialanschluss (122) geschaltet ist, wobei das Steuergerät (106) ausgebildet ist, um ferner den ersten weiteren Transistor (124) und/oder den zweiten weiteren Transistor (126) anzusteuern und/oder unter Verwendung des weiteren Strommesselements (128) eine Temperatur des ersten weiteren Transistors (124) und/oder des zweiten weiteren Transistors (126) zu ermitteln.
Schaltvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (100) den Aktor (108) umfasst, der zwischen den Aktoranschluss (116) und den weiteren Aktoranschluss (130) geschaltet ist.