DE102018101852A1

DE102018101852A1 - Resonanz-Gate-Treiber

Info

Publication number: DE102018101852A1
Application number: DE102018101852.5A
Authority: DE
Inventors: Shuitao Yang; Fan Xu; Yan Zhou; Lihua Chen; Mohammed Khorsched Alam
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US10211827B2; US20180219546A1; CN108377145B; CN108377145A

Abstract

Ein Gate-Treiber einer Leistungsvorrichtung beinhaltet eine Stromversorgung und eine Resonanzschaltung. Die Stromversorgung kann ein positives Potenzial und ein negatives Potenzial haben. Die Resonanzschaltung kann einen Induktor aufweisen und dazu ausgelegt sein, Ladung während des Einschaltens durch Induzieren eines ersten Feldes auf Grundlage einer positiven Ladung von einem Gate, die durch das positive Potenzial hervorgerufen wird, und als Reaktion auf eine Umkehr einer Spannung über den Induktor hinweg zu rezirkulieren, wodurch das erste Feld zerstört wird, um Ladung von dem Gate zu ziehen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen einen Gate-Treiber für einen Halbleiterschalter, bei dem eine Resonanzschaltung Energie zwischen einem Induktor und Gate rezirkuliert, um Verluste beim Schalten des Gates zu verringern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge, einschließlich Hybridelektrofahrzeuge (hybrid-electric vehicles - HEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plugin hybrid electric vehicles - PHEVs) und Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs), sind davon abhängig, dass eine Traktionsbatterie einem Traktionsmotor Leistung zum Vortrieb bereitstellt und ein Leistungswechselrichter dazwischen Gleichstromleistung (direct current - DC) in Wechselstromleistung (alternating current - AC) umwandelt. Der typische AC-Traktionsmotor ist ein 3-Phasen-Motor, der durch 3 sinusförmige Signale angetrieben werden kann, die jeweils mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad angetrieben werden. Die Traktionsbatterie ist dazu ausgelegt, in einem bestimmten Spannungsbereich zu arbeiten und einen maximalen Strom bereitzustellen. Die Traktionsbatterie wird alternativ als Hochspannungsbatterie bezeichnet, wobei eine Klemmenspannung einer typischen Traktionsbatterie bei über 100 Volt DC liegt. Eine verbesserte Leistung elektrischer Maschinen kann jedoch durch das Betreiben in einem anderen Spannungsbereich erreicht werden, typischerweise bei Spannungen, die größer als die Klemmenspannung der Traktionsbatterie sind. Gleichermaßen werden die Stromanforderungen zum Antreiben einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs für gewöhnlich als Hochstrom bezeichnet. Wegen Hochspannung und Hochstrom, die typischerweise eine induktive Ladung antreiben, kann eine gegenelektromotorische Kraft (counter-electromotive force - cemf) oder Übergangsspannungsspitze erfahren werden, wenn ein Schalter eine induktive Ladung von einer Stromquelle trennt und das Feld in der Spule anfängt zusammenzufallen, um die Spannung über den Induktor hinweg zu behalten.
Außerdem beinhalten viele elektrifizierte Fahrzeuge einen DC/DC-Wandler, der auch als Wandler für variable Spannungen (variable voltage converter - VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Traktionsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Traktionsmotor beinhalten kann, kann Hochspannung und Hochstrom erfordern. Aufgrund der Spannungs-, Strom- und Schaltanforderungen wird typischerweise ein Festkörperschalter, wie zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar junction Transistor - IGBT) verwendet, um die Signale in dem Leistungswechselrichter und dem VVC zu erzeugen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Gate-Treiber einer Leistungsvorrichtung beinhaltet eine positive Versorgung, eine negative Versorgung, einen Induktor und einen High-Side-Schalter. Die negative Versorgung kann dazu ausgelegt sein, ein negatives Potenzial auf ein Gate anzulegen. Die positive Versorgung kann dazu ausgelegt sein, ein positives Potenzial auf das Gate anzulegen. Der Induktor kann dazu ausgelegt sein, während des Einschaltens ein Feld auf Grundlage des negativen Potenzials zu induzieren, und das Feld in einen Strom umzuwandeln, um eine positive Ladung in das Gate einzuspeisen. Der High-Side-Schalter kann dazu ausgelegt sein, die positive Ladung an dem positiven Potenzial einrasten zu lassen.
Ein Verfahren zum Rezirkulieren von Ladung während des Übergangs von einem Leistungsschalter mit einem isolierten Gate für einen Fahrzeugantrieb während des Einschaltens durch einen Gate-Treiber kann das Induzieren eines Feldes in einem Induktor über eine negative Ladung an einem Gate der Leistungsschaltung, das Fließen der positiven Ladung an das Gate, um den Leistungsschalter einzuschalten, und das Einrasten der positiven Ladung an dem Gate beinhalten.
Ein Gate-Treiber einer Leistungsvorrichtung beinhaltet eine Stromversorgung und eine Resonanzschaltung. Die Stromversorgung kann ein positives Potenzial und ein negatives Potenzial aufweisen. Die Resonanzschaltung kann einen Induktor aufweisen und dazu ausgelegt sein, Ladung während des Abschaltens durch Induzieren eines ersten Feldes auf Grundlage einer positiven Ladung von einem Gate, die durch das positive Potenzial hervorgerufen wird, und als Reaktion auf eine Umkehr einer Spannung über den Induktor hinweg zu rezirkulieren, wodurch das erste Feld zerstört wird, um Ladung von dem Gate zu ziehen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Komponenten zur Kraftübertragung und Energiespeicherung mit einem Wandler für variable Spannungen und Wechselrichter dazwischen veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung eines Wandlers für variable Spannungen in einem Fahrzeug, der eine Bypassdiode beinhaltet.
3 ist eine schematische Darstellung eines Wechselrichters für elektrische Maschinen eines Fahrzeugs.
4 ist eine schematische Darstellung einer typischen Gate-Treiber-Schaltung eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode.
5 ist eine graphische Darstellung eines Spannungsprofils einer Gate-Spannung in Bezug auf die Ladung während des Einschaltens eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode.
6 ist eine schematische Darstellung einer Resonanz-Gate-Treiber-Schaltung für einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode.
7 ist eine schematische Darstellung einer Resonanz-Gate-Treiber-Schaltung für einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode einschließlich strombegrenzender Widerstände.
8 ist eine graphische Darstellung von Betriebseigenschaften einer Resonanz-Gate-Treiber-Schaltung für eine Leistungsvorrichtung gegen die Zeit.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf jegliche der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Im Allgemeinen werden Festkörpervorrichtungen (solid state devices - SSD), wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-FeldeffektTransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors - MOSFETs) oder Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors - BJTs) häufig in einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen verwendet, wie etwa in Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, DC/DC-Wandlern und Leistungsmodulen. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird. Hier wird die Verwendung eines IGBT erläutert, die Struktur und die Verfahren können jedoch auf andere SSDs anwendbar sein, zum Beispiel eine isolierte Gate-SSD beinhaltet sowohl einen IGBT wie auch einen MOSFET. Der Betrieb eines IGBT wird durch eine Gatespannung, die durch einen Gateantrieb zugeführt wird, gesteuert. Herkömmliche Gateantriebe basieren typischerweise auf einer Spannung, die größer als eine Schwellenspannung ist, die an das IGBT-Gate mit einem strombegrenzenden Widerstand angelegt wird, der typischerweise aus einer schaltbaren Spannungsquelle und einem Gatewiderstand besteht. Ein geringer Gatewiderstand würde zu einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und geringem Schaltverlust führen, kann aber auch höhere Belastungen der Halbleitervorrichtungen bewirken, z. B. übermäßige Spannungsbelastungen. Daher ist der Gatewiderstand ausgewählt, um einen Kompromiss zwischen Schaltverlust, Schaltverzögerung und Belastungen anzustreben. Wenn ein IGBT ausgeschaltet wird, verringert der Gatewiderstand den Strom, der vom Gate fließt, und erhöht dadurch eine Abschaltzeit des IGBT. Außerdem kann der IGBT während des Einschaltens und des Abschaltens keine gleichen Verluste aufweisen, daher kann ein Gatetreiber verwendet werden, der einen Einschaltwiderstand bereitstellt, der sich von dem Abschaltwiderstand unterscheidet.
Wenn Schaltverluste der Schaltung einer xEV wie etwa einer HEV, PHEV oder BEV betrachtet werden, machen die Übergänge der Leistungsseite üblicherweise den Großteil der Schaltverluste aus. Zu den Übergängen der Leistungsseite zählen Einschaltübergänge, bei denen ein IGBT von einem Leerlauf in einen Durchlasszustand zwischen einem Emitter und einem Kollektor des IGBT übergeht, oder Abschaltübergänge, bei denen das IGBT von einem Durchlasszustand in einen Leerlauf zwischen dem Emitter und dem Kollektor des IGBT übergeht. Hier wird eine Schaltung dergestalt, die die Schaltverluste an der Steuerseite eines Leistungsschalters über eine Resonanzschaltung reduziert, während Übergängen zwischen Abschalten und Einschalten die Pull-Down-Energie als Pull-Up-Energie rezirkuliert. Die Schaltung ist dazu ausgelegt, während Übergängen zwischen Einschalten und Abschalten auch Pull-Up-Energie als Pull-Down-Energie zu rezirkulieren.
1 stellt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 dar, das als ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Außerdem ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist zudem mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können Vortriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem Fahrzeugemissionen verringern, indem ermöglicht wird, dass der Verbrennungsmotor 118 mit effizienteren Drehzahlen arbeitet, und ermöglicht wird, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 118 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann zudem ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) sein. In einer BEV-Konfiguration ist der Verbrennungsmotor 118 möglicherweise nicht vorhanden. In anderen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (full hybrid-electric vehicle - FHEV) ohne Plug-in-Fähigkeit sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Das Fahrzeugbatteriepack 124 kann einen Hochspannungsgleichstrom-(DC-)Ausgang bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 kann/können die Antriebsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn es/sie geöffnet ist/sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn es/sie geschlossen ist/sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist zudem elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) arbeiten können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasenwechselstrom (AC) umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasenwechselstrom (AC) von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen Wandler für variable Spannungen (VVC) 152 beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC 152 kann ein Gleichspannungsaufwärtswandler sein, der dazu konfiguriert ist, die durch die Traktionsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder zu verstärken. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung der Kabelgröße für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Vortriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-DC-Ausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung umwandelt, die mit Niederspannungslasten des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12-V-Batterie) gekoppelt sein, um die Hilfsbatterie 130 zu laden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Eine oder mehrere elektrische Lasten 146 können an den Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, die die elektrischen Lasten 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Bespiele für elektrische Lasten 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu ausgelegt sein, die Traktionsbatterie 124 von einer externen Leistungsquelle 136 wiederaufzuladen. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an ein Ladegerät oder Elektrofahrzeugversorgungsgerät (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Stromversorgungsnetz sein, wie es von einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Das EVSE 138 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann dem EVSE 138 elektrische Leistung als Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der dazu ausgelegt ist, Energie von dem EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem fahrzeugseitigen Leistungsumwandlungsmodul 132 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die Leistung bedingen, die von dem EVSE 138 zugeführt wird, um der Antriebsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit dem EVSE 138 eine Schnittstelle bilden, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 zu verlangsamen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber stellt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144 dar. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den weiteren Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Verlangsamen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann ebenfalls autonom arbeiten, um Funktionen wie etwa Stabilitätskontrolle umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus, wie zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN), sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernetnetzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Zusatzbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Software-Komponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, aber es kann impliziert werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem elektronischen Modul verbinden kann, das im Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der unterschiedlichen Komponenten zu koordinieren.
2 stellt ein Diagramm eines VVC 152 dar, der als Aufwärtswandler ausgelegt ist. Der VVC 152 kann Eingangsanschlüsse beinhalten, die durch die Schütze 142 mit Anschlüssen der Antriebsbatterie 124 verbunden sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsanschlüsse beinhalten, die an Anschlüsse des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann so betrieben werden, dass veranlasst wird, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen höher ist als eine Spannung an den Eingangsanschlüssen. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung 200 beinhalten, die elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 152 überwacht und steuert. In einigen Konfigurationen kann die VVC-Steuerung 200 als Teil des VVC 152 beinhaltet sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsspannungsreferenz bestimmen, $V_{d c}^{*} .$
Die VVC-Steuerung 200 kann basierend auf den elektrischen Parametern und der Spannungsreferenz, $V_{d c}^{*},$
ein Steuerungssignal bestimmen, das genügt, um zu verursachen, dass der VVC 152 die erwünschte Ausgangsspannung erreicht. In einigen Konfigurationen kann das Steuersignal als impulsbreitenmoduliertes (pulse-width modulated - PWM-) Signal umgesetzt sein, in dem ein Arbeitszyklus des PWM-Signals variiert ist. Das Steuersignal kann mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann dem VVC 152 befehlen, die gewünschte Ausgangsspannung unter Verwendung des Steuersignals bereitzustellen. Das bestimmte Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Ausmaß an Spannungsverstärkung in Zusammenhang stehen, die von dem VVC 152 bereitzustellen ist.
Die Ausgangsspannung des VVC 152 kann gesteuert werden, um eine gewünschte Referenzspannung zu erreichen. In einigen Konfigurationen kann der VVC 152 ein Aufwärtswandler sein. In einer Aufwärtswandlerkonfiguration, in der die VVC-Steuerung 200 den Arbeitszyklus steuert, kann die ideale Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Arbeitszyklus D unter Verwendung der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: $V_{o u t} = \frac{V_{i n}}{(1 - D)}$
Der gewünschte Arbeitszyklus, D, kann bestimmt werden, indem die Eingangsspannung (z. B. Traktionsbatteriespannung) gemessen wird und die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung eingestellt wird. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung vom Eingang zum Ausgang verringert. In einer Abwärtswandlungsauslegung kann ein anderer Ausdruck abgeleitet werden, der die Eingangs- und die Ausgangsspannung mit dem Arbeitszyklus in Beziehung stellt. In einigen Auslegungen kann der VVC 152 ein Abwärts-Aufwärts-Wandler sein, der die Eingangsspannung erhöhen oder verringern kann. Die hier beschriebene Steuerstrategie ist nicht auf eine bestimmte Topologie von Wandlern für variable Spannungen beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, aufwärts wandeln oder „hinauftransformieren“. Die Traktionsbatterie 124 kann Hochspannungs-(high voltage - HV-)DC-Leistung bereitstellen. In einigen Konfigurationen kann die Traktionsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt bereitstellen. Das Schütz 142 kann elektrisch in Reihe zwischen der Antriebsbatterie 124 und dem VVC 152 gekoppelt sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die HV-DC-Leistung von der Traktionsbatterie 124 zum VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator 202 kann elektrisch parallel an die Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und jegliche Spannungs- und Stromwelligkeit verringern. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung aufnehmen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß dem Arbeitszyklus verstärken oder „hochfahren“.
Ein Ausgangskondensator 204 kann elektrisch zwischen den Ausgangsanschlüssen des VVC 152 gekoppelt sein. Der Ausgangskondensator 204 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang des VVC 152 verringern.
Ferner unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 beinhalten, um eine Eingangsspannung zu verstärken, um die verstärkte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu ausgelegt sein, selektiv einen Strom zu einer elektrischen Last (z. B. dem Leistungselektronikmodul 126 und den elektrische Maschinen 114) fließen zu lassen. Jede Schaltvorrichtung 206, 208 kann einzeln durch eine Gate-Treiberschaltung (nicht gezeigt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann jede Art eines steuerbaren Schalters beinhalten (z. B. einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder Feldeffekttransistor (FET)). Die Gate-Treiberschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale bereitstellen, die auf dem Steuersignal basieren (z. B. Arbeitszyklus des PWM-Steuersignals). Eine Diode kann über jede der Schaltvorrichtungen 206, 208 gekoppelt sein. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können jeweils einen zugehörigen Schaltverlust aufweisen. Die Schaltverluste sind diejenigen Leistungsverluste, die während Zustandsänderungen der Schaltvorrichtung auftreten (z. B. Ein-Aus- und Aus-Ein-Übergänge). Die Schaltverluste können durch den hindurchfließenden Strom und die Spannung über der Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können ebenfalls zugehörige Leitungsverluste aufweisen, die auftreten, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird.
Das Fahrzeugsystem kann Sensoren zum Messen elektrischer Parameter des VVC 152 beinhalten. Ein erster Spannungssensor 210 kann dazu konfiguriert sein, die Eingangsspannung zu messen (z. B. Spannung der Batterie 124), und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal ( V_bat ) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Spannungssensor 210 die Spannung an dem Eingangskondensator 202 messen, die der Batteriespannung entspricht. Ein zweiter Spannungssensor 212 kann die Ausgangsspannung des VVC 152 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_dc) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der zweite Spannungssensor 212 die Spannung über dem Ausgangskondensator 204 messen, die der DC-Bus-Spannung entspricht. Der erste Spannungssensor 210 und der zweite Spannungssensor 212 können eine Schaltung beinhalten, um die Spannungen auf einen Pegel zu skalieren, der für die VVC-Steuerung 200 angemessen ist. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung beinhalten, um die Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 zu filtern und zu digitalisieren.
Ein Eingangsinduktor 214, der oft als Boost-Induktor bezeichnet wird, kann elektrisch in Reihe zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 gekoppelt sein. Der Eingangsinduktor 214 kann zwischen dem Speichern und Freisetzen von Energie in dem VVC 152 wechseln, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgang des VVC 152 und das Erreichen der gewünschten Spannungsverstärkung zu ermöglichen. Ein Stromsensor 216 kann den Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Stromsignal (I_L) bereitstellen. Der Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 kann ein Ergebnis der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des VVC 152, der Leitzeit der Schaltvorrichtungen 206, 208 und der Induktivität L des Eingangsinduktors 214 sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung beinhalten, um das Signal von dem Stromsensor 216 zu skalieren, zu filtern und zu digitalisieren.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann Eingaben von dem VVC 152 und anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und die Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale ( V_bat, V_dc, I_L, $V_{d c}^{*}$
) überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Zum Beispiel kann die VVC-Steuerung 200 der Gateantriebsschaltung Steuersignale bereitstellen, die einem Arbeitszyklusbefehl entsprechen.
Die Gateantriebsschaltung kann dann jede Schaltvorrichtung 206, 208 basierend auf dem Arbeitszyklusbefehl steuern.
Die Steuersignale zu dem VVC 152 können dazu konfiguriert sein, die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit einer bestimmten Schaltfrequenz anzutreiben. Innerhalb jedes Zyklus der Schaltfrequenz können die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit dem angegebenen Arbeitszyklus betrieben werden. Der Arbeitszyklus definiert die Zeitspanne, in der sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand befinden. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von 100 % die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich eingeschalteten Zustand ohne Abschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 0 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich ausgeschalteten Zustand ohne Anschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 50 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 für eine Hälfte des Zyklus in einem eingeschalteten Zustand und für eine Hälfte des Zyklus in einem ausgeschalteten Zustand betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. Das heißt, dass das Steuersignal, das zu einer der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, eine invertierte Version des Steuersignals sein kann, das zu der anderen Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird. Die Verwendung einer komplementären Steuerung der Schaltvorrichtungen 206, 208 ist wünschenswert, um einen Durchschusszustand zu vermeiden, bei dem Strom direkt durch eine High-Side-Schaltvorrichtung 206 und eine Low-Side-Schaltvorrichtung 208 fließt. Die High-Side-Schaltvorrichtung 206 wird auch als Durchlassvorrichtung 206 bezeichnet und die Low-Side-Schaltvorrichtung 208 wird auch als Ladevorrichtung 208 bezeichnet.
Der Strom, der durch die Schaltvorrichtungen 206, 208 gesteuert wird, kann eine Welligkeitskomponente beinhalten, die eine Höhe aufweist, die mit einer Höhe des Stroms und dem Arbeitszyklus und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. In Bezug auf den Eingangsstrom tritt die Worst-Case-Welligkeitsstromgröße unter relativ hohen Eingangsstrombedingungen auf. Wenn der Arbeitszyklus fest ist, verursacht ein Anstieg des Induktorstroms einen Anstieg der Größe des Welligkeitsstroms. Die Höhe des Welligkeitsstroms steht auch mit dem Arbeitszyklus in Verbindung. Die höchste Welligkeitsstromgröße tritt auf, wenn der Arbeitszyklus gleich 50 % ist. Die allgemeine Beziehung zwischen der Höhe des Induktorwelligkeitsstroms und dem Arbeitszyklus kann wie in 5 dargestellt sein. Basierend auf diesen Tatsachen kann es von Vorteil sein, Maßnahmen umzusetzen, um die Welligkeitsstromgröße unter Bedingungen mit Hochstrom und mittleren Arbeitszyklen zu verringern.
Bei der Konzeption des VVC 152 können die Schaltfrequenz und der Induktivitätswert des Induktors 214 ausgewählt werden, um eine maximal zulässige Welligkeitsstromgröße zu erfüllen. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Variation sein, die an einem DC-Signal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Welligkeitskomponentengröße und eine Welligkeitskomponentenfrequenz definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Harmonische aufweisen, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen, der zur Geräuschsignatur des Fahrzeugs beitragen kann. Ferner kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten mit dem genauen Steuern von Vorrichtungen verursachen, die von der Quelle versorgt werden. Während Schaltübergängen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei dem maximalen Induktorstrom (DC-Strom plus Welligkeitsstrom) ausgeschaltet werden, was über den Schaltvorrichtungen 206, 208 eine große Spannungsspitze verursachen kann. Aufgrund der Größen- und Kosteneinschränkungen kann der Induktivitätswert basierend auf dem geleiteten Strom ausgewählt werden. Im Allgemeinen kann die Induktivität aufgrund von Sättigung sinken, wenn der Strom steigt.
Die Schaltfrequenz kann so ausgewählt werden, dass eine Höhe der Welligkeitsstromkomponente in Worst-Case-Szenarien begrenzt wird (z. B. Bedingungen mit höchstem Eingangsstrom und/oder Arbeitszyklus nahe 50 %). Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann so ausgewählt sein, dass sie eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ist, die größer ist als eine Schaltfrequenz des Elektromotor/Generator-Wechselrichters (z. B. 5 kHz), der an einen Ausgang des VVC 152 gekoppelt ist. In einigen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 so ausgewählt sein, dass sie eine vorbestimmte feste Frequenz ist. Die vorbestimmte feste Frequenz ist im Allgemeinen dazu ausgewählt, Spezifikationen bezüglich Geräuschen und Welligkeitsstrom zu erfüllen. Die Auswahl der vorbestimmten festen Frequenz stellt jedoch womöglich nicht die beste Leistung über alle Betriebsregionen des VVC 152 bereit. Die vorbestimmte feste Frequenz kann beste Ergebnisse bei einer bestimmten Reihe von Betriebsbedingungen bereitstellen, kann aber bei anderen Betriebsbedingungen ein Kompromiss sein.
Das Erhöhen der Schaltfrequenz kann die Welligkeitsstromgröße verringern und Spannungsbelastungen über die Schaltvorrichtungen 206, 208 senken, kann aber zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für Worst-Case-Welligkeitsbedingungen ausgewählt sein kann, kann der VVC 152 nur für einen kleinen prozentualen Anteil der gesamten Betriebszeit unter den Worst-Case-Welligkeitsbedingungen betrieben werden. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, die die Kraftstoffeffizienz senken könnten. Außerdem kann die feste Schaltfrequenz das Geräuschspektrum in einem sehr engen Bereich konzentrieren. Die erhöhte Geräuschdichte in diesem engen Bereich kann zu spürbaren Problemen mit Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (noise, vibration, and harshness - NVH) führen.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 basierend auf dem Arbeitszyklus und dem Eingangsstrom zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann die Kraftstoffeffizienz verbessern, indem Schaltverluste verringert werden und Probleme mit NVH verringert werden, während unter Worst-Case-Betriebsbedingungen Welligkeitsstromziele eingehalten werden.
Unter relativ hohen Strombedingungen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 eine erhöhte Spannungsbelastung erfahren. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es gewünscht sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz auszuwählen, die die Welligkeitskomponentengröße bei einem angemessenen Pegel von Schaltverlusten verringert. Die Schaltfrequenz kann basierend auf der Eingangsstromgröße derart ausgewählt sein, dass sich die Schaltfrequenz erhöht, wenn sich die Eingangsstromgröße erhöht. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorbestimmten maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorbestimmte maximale Schaltfrequenz kann auf einem Pegel sein, der einen Kompromiss zwischen niedrigeren Welligkeitskomponentengrößen und höheren Schaltverlusten bereitstellt. Die Schaltfrequenz kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich über den Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu verringern, dass der Stromeingang geringer ist als ein vorbestimmter maximaler Strom. Der vorbestimmte maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Änderung der Schaltfrequenz kann auf der Größe des Stromeingangs zu den Schaltvorrichtungen 206, 208 basieren. Wenn der Strom größer ist als der vorbestimmte maximale Strom, kann die Schaltfrequenz auf eine vorbestimmte maximale Schaltfrequenz eingestellt werden. Wenn der Strom sinkt, sinkt die Größe der Welligkeitskomponente. Durch Betrieb bei niedrigeren Schaltfrequenzen, werden Schaltverluste verringert, wenn der Strom sinkt. Die Schaltfrequenz kann auf Grundlage des Leistungseingangs zu den Schaltvorrichtungen variiert werden. Wenn die Eingangsleistung eine Funktion des Eingangsstroms und der Batteriespannung ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom auf eine ähnliche Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom ebenfalls vom Arbeitszyklus beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz basierend auf dem Arbeitszyklus variiert werden. Der Arbeitszyklus kann basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung bestimmt werden. Demnach kann die Schaltfrequenz ebenfalls basierend auf dem Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn der Arbeitszyklus nahe 50 % ist, ist die vorhergesagte Welligkeitsstromgröße ein maximaler Wert, und die Schaltfrequenz kann auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden. Die vorbestimmte maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der so ausgewählt ist, dass die Welligkeitsstromgröße minimiert wird. Die Schaltfrequenz kann in einzelnen Schritten oder kontinuierlich über den Arbeitszyklusbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorbestimmten maximalen Frequenz als Reaktion auf eine Größe einer Differenz zwischen dem Arbeitszyklus und dem Arbeitszykluswert (z. B. 50 %), bei dem die vorhergesagte Welligkeitskomponentengröße ein Maximum ist, zu reduzieren. Wenn die Größe der Differenz geringer ist als ein Schwellenwert, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte Frequenz eingestellt werden. Wenn die Größe der Differenz sinkt, kann die Schaltfrequenz in Richtung der vorbestimmten maximalen Frequenz erhöht werden, um die Welligkeitskomponentengröße zu reduzieren. Wenn die Größe der Differenz geringer als ein Schwellenwert ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden.
Die Schaltfrequenz kann darauf beschränkt werden, zwischen der vorbestimmten maximalen Frequenz und einer vorbestimmten minimalen Frequenz zu sein. Die vorbestimmte minimale Frequenz kann ein Frequenzpegel sein, der höher als eine vorbestimmte Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126 ist, das an einen Ausgang des Wandlers für variable Spannungen 152 gekoppelt ist. Die Schaltfrequenz kann zudem auf parasitärer Induktivität, die dem Gate des IGBT zugeordnet ist, basieren.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein System 300 zum Steuern eines Leistungselektronikmoduls (power electronics module - PEM) 126 bereitgestellt. Das PEM 126 aus 3 beinhaltet der Darstellung nach eine Vielzahl von Schaltern 302 (z. B. IGBTs), die dazu ausgelegt sind, kollektiv als ein Wechselrichter mit einem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 316, 318, 320 zu arbeiten. Während der Wechselrichter als Drei-Phasen-Wandler gezeigt ist, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige beinhalten. Der Wechselrichter kann zum Beispiel ein Vier-Phasen-Wandler, ein Fünf-Phasen-Wandler, ein Sechs-Phasen-Wandler usw. sein. Außerdem kann das PEM 126 mehrere Umwandler enthalten, wobei jeder Umrichter in dem PEM 126 drei oder mehr Phasenzweige enthält. Das System 300 kann zum Beispiel zwei oder mehr Wechselrichter in dem PEM 126 steuern. Das PEM 126 kann ferner einen Gleichspannungswandler beinhalten, der Hochleistungsschalter (z. B. IGBTs) aufweist, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls durch Aufwärtswandlung, Abwärtswandlung oder eine Kombination davon in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein DC/AC-Wandler sein. Im Betrieb nimmt der DC/AC-Wandler DC-Leistung aus einer DC-Stromverbindung 306 durch einen DC-Bus 304 auf und wandelt die DC-Leistung in AC-Leistung um. Die AC-Leistung wird über die Phasenströme ia, ib und ic übertragen, um eine AC-Maschine anzutreiben, die auch als elektrische Maschine 114 bezeichnet wird, wie etwa einen dreiphasigen permanenterregten Synchronmotor (permanent-magnet synchronous motor - PMSM), wie in 3 dargestellt. In einem derartigen Beispiel kann die DC-Stromverbindung 306 eine DC-Speicherbatterie beinhalten, um dem DC-Bus 304 DC-Leistung bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann der Wechselrichter als AC/DC-Wandler arbeiten, der AC-Leistung aus der AC-Maschine 114 (z. B. dem Generator) in DC-Leistung umwandelt, die der DC-Bus 304 der DC-Stromverbindung 306 bereitstellen kann. Ferner kann das System 300 das PEM 126 in anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 beinhaltet jeder der Phasenzweige 316, 318, 320 in dem Wechselrichter Leistungsschalter 302, die durch verschiedene Arten von steuerbaren Schaltern umgesetzt sein können. In einer Ausführungsform kann jeder Leistungsschalter 302 eine Diode und einen Transistor (z. B. einen IGBT) enthalten. Die Dioden aus 3 sind als D_a1, D_a2, D_b1, D_b2, D_c1 und D_c2 beschriftet, während die IGBTs aus 3 jeweils als S_a1, S_a2, S_b1, S_b2, S_c1 und S_c2 beschriftet sind. Die Leistungsschalter S_a1, S_a2, D_a1 und D_a2 sind Teil eines Phasenzweigs A des Drei-Phasen-Wandlers, der in 3 als der erste Phasenzweig A 316 beschriftet ist. Gleichermaßen sind die Leistungsschalter S_b1, S_b2, D_b1 und D_b2 Teil eines Phasenzweigs B 318 und die Leistungsschalter S_c1, S_c2, D_c1 und D_c2 Teil eines Phasenzweigs C 320 des Drei-Phasen-Wandlers. Der Wechselrichter kann in Abhängigkeit von der konkreten Anordnung des Wechselrichters eine beliebige Anzahl der Leistungsschalter 302 oder Schaltungselemente beinhalten. Die Dioden (D_xx) sind mit den IGBTs (S_xx) parallel verbunden, doch da die Polaritäten für den ordnungsgemäßen Betrieb umgekehrt sind, wird diese Konfiguration häufig als antiparallel verbunden bezeichnet. Eine Diode in dieser antiparallelen Konfiguration wird auch eine Freilaufdiode genannt.
Wie in 3 veranschaulicht, sind Stromsensoren CSa, CSb und CS_c bereitgestellt, um Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 316, 318, 320 zu erfassen. 3 zeigt die Stromsensoren CSa, CSb und CS_c separat zu dem PEM 126. Die Stromsensoren CSa, CSb und CS_c können jedoch in Abhängigkeit von seiner Konfiguration als Teil des PEM 126 integriert sein. Die Stromsensoren CSa, CSb und CS_c aus 3 sind in Reihe mit jedem der Phasenzweige A, B und C (d. h. der Phasenzweige 316, 318, 320 in 3) installiert und stellen die jeweiligen Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs (ebenfalls in 3 veranschaulicht) für das System 300 bereit. Die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs können rohe Stromsignale sein, die von einer Logikvorrichtung (logic device - LD) 310 verarbeitet werden, oder können in Daten oder Informationen über den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 eingebettet oder codiert sein. Zudem können die Leistungsschalter 302 (z. B. IGBTs) eine Stromerfassungsfähigkeit beinhalten. Die Stromerfassungsfähigkeit kann beinhalten, dass sie mit einem Stromspiegelausgang konfiguriert ist, wodurch Daten/Signale bereitgestellt werden können, die für i_as, i_bs und i_cs repräsentativ sind. Die Daten/Signale können eine Richtung eines Stromflusses, eine Größe des Stromflusses oder sowohl die Richtung als auch die Größe des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C angeben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das System 300 zudem eine Logikvorrichtung (LD) oder Steuerung 310. Die Steuerung oder LD 310 kann durch verschiedene Arten oder Kombinationen von elektronischen Vorrichtungen und/oder mikroprozessorbasierten Computern oder Steuerungen umgesetzt sein. Um ein Verfahren zum Steuern des PEM 126 umzusetzen, kann die Steuerung 310 ein Computerprogramm oder einen Algorithmus ausführen, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist und in einem flüchtigen und/oder dauerhaften Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in diskreter Logik, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller oder einer Logik- oder Gate-Anordnung, die auf einem oder mehreren integrierten Schaltungschips gespeichert ist, kodiert sein. Wie in der Ausführungsform aus 3 gezeigt, empfängt und verarbeitet die Steuerung 310 die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs, um die Phasenströme i_a, i_b und i_c zu steuern, sodass die Phasenströme i_a, i_b und i_c gemäß verschiedenen Strom- oder Spannungsmustern durch die Phasenzweige 316, 318, 320 und in die jeweiligen Wicklungen der elektrischen Maschine 114 fließen. Die Strommuster können zum Beispiel Muster der Phasenströme i_a, i_b und i_c beinhalten, die in den und weg von dem DC-Bus 304 oder einem DC-Bus-Kondensator 308 fließen. Der DC-Bus-Kondensator 308 aus 3 ist separat zu dem PEM 126 gezeigt. Der DC-Bus-Kondensator 308 kann jedoch als Teil des PEM 126 integriert sein.
Wie in 3 gezeigt, kann ein Speichermedium 312 (nachfolgend „Speicher“), wie etwa ein computerlesbarer Speicher, das Computerprogramm oder den Algorithmus speichern, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist. Außerdem kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über die verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten in dem PEM 126 speichern. Der Speicher 312 kann zum Beispiel Daten oder Informationen über Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 speichern. Der Speicher 312 kann wie 3 gezeigt Teil der Steuerung 310 sein. Der Speicher 312 kann jedoch an jeder geeigneten Stelle positioniert werden, auf die durch die Steuerung 310 zugegriffen werden kann.
Wie 3 veranschaulicht, überträgt die Steuerung 310 mindestens ein Steuersignal 236 an das Leistungswandlersystem 126. Das Leistungswandlersystem 126 empfängt das Steuersignal 322, um die Schaltauslegung des Wechselrichters und daher den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318 und 320 zu steuern. Die Schaltauslegung ist ein Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 in dem Wechselrichter. Im Allgemeinen bestimmt die Schaltkonfiguration des Wechselrichters, wie der Wechselrichter Leistung zwischen der DC-Leistungsverbindung 306 und der elektrischen Maschine 114 umwandelt.
Um die Schaltkonfiguration des Wechselrichters zu steuern, ändert der Wechselrichter den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 im Wechselrichter basierend auf dem Steuersignal 322 entweder in einen EIN-Zustand oder einen AUS-Zustand. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt die Steuerung/LD 310 jedem Leistungsschalter 302 die Gatespannung (Vg) bereit, um den Leistungsschalter 302 entweder in den EIN- oder AUS-Zustand zu schalten, und treibt daher den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 an. Die Gate-Spannungen Vg_a1, Vg_a2, Vg_b1, Vg_b2, Vgci und Vg_c2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und die Eigenschaften der jeweiligen Leistungsschalter 302. Während der Wechselrichter in 3 als eine spannungsgesteuerte Vorrichtung gezeigt ist, kann der Wechselrichter eine stromgesteuerte Vorrichtung sein oder durch andere Strategien gesteuert sein, die den Leistungsschalter 302 zwischen dem AN- und AUS-Zustand schalten. Die Steuerung 310 kann den Gateantrieb für jeden IGBT basierend auf der Drehzahl der elektrischen Maschine 114, des Spiegelstroms oder einer Temperatur des IGBT-Schalters ändern. Die Änderung des Gateantriebs kann aus einer Vielzahl von Gateantriebsströmen ausgewählt sein, bei denen die Änderung des Gateantriebsstroms proportional zu einer Änderung der IGBT-Schaltgeschwindigkeit ist.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt, beinhaltet jeder Phasenzweig 316, 318 und 320 zwei Schalter 302. Es kann sich jedoch nur ein Schalter in jedem der Zweige 316, 318, 320 in dem AN-Zustand befinden, ohne die DC-Stromverbindung 306 kurzzuschließen. Daher ist in jedem Phasenzweig der Schaltzustand des unteren Schalters typischerweise dem Schaltzustand des entsprechenden oberen Schalters entgegengesetzt. Die oberen Schalter werden typischerweise als High-Side-Schalter (d. h. 302A, 302B, 302C) bezeichnet und die unteren Schalter werden typischerweise als Low-Side-Schalter (d. h. 302D, 302E, 302F) bezeichnet. Folglich bezieht sich ein HOHER Zustand eines Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter in dem Zweig im EIN-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im AUS-Zustand befindet. Gleichermaßen bezieht sich ein NIEDRIGER Zustand des Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter in dem Zweig im AUS-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im EIN-Zustand befindet. Infolgedessen können sich IGBTs mit Stromspiegelfähigkeit an allen IGBTs, einer Teilmenge der IGBTs (z. B. S_a1, S_b1, S_c1) oder einem einzigen IGBT befinden.
Zwei Situationen können während eines aktiven Zustands des beispielhaften Drei-Phasen-Wandlers auftreten, der in 3 veranschaulicht ist: (1) Zwei Phasenzweige befinden sich im HOHEN Zustand, während sich der dritte Phasenzweig im NIEDRIGEN Zustand befindet, oder (2) ein Phasenzweig befindet sich im HOHEN Zustand, während sich die beiden anderen Phasenzweige im NIEDRIGEN Zustand befinden. Daher befindet sich ein Phasenzweig in dem Drei-Phasen-Wandler, der als die „Referenz“-Phase für einen bestimmten aktiven Zustand des Wechselrichters definiert sein kann, in einem Zustand, der den anderen beiden Phasenzweigen, oder „Nicht-Referenz“-Phasen, die denselben Zustand aufweisen, entgegengesetzt ist. Folglich befinden sich die Nicht-Referenz-Phasen während eines aktiven Zustands des Wechselrichters entweder beide im HOHEN Zustand oder beide im NIEDRIGEN Zustand.
4 ist eine schematische Darstellung einer typischen Gate-Treiber-Schaltung 400 eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode. Diese herkömmliche, halbbrückenbasierte Gate-Treiber-Schaltung kann verwendet werden, um den Leistungsfluss zu MOSFETs oder IGBTs zu steuern. Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) 402 wird typischerweise von einem Pull-Up-Schalter 404, der über eine Pull-Up-Versorgung 406 mit Leistung versorgt wird, und einem Pull-Down-Schalter 408, der über eine Pull-Down-Versorgung 410 mit Leistung versorgt wird, angetrieben. Diese Gate-Treiber-Schaltung 400 ist eine beliebte Gate-Treiber-Schaltung, die für verschiedene Industrieanwendungen weitläufig verwendet wird. Ein Aspekt dieser Schaltung besteht darin, dass die Stromzufuhr für den Gate-Treiber Energie bereitstellen muss, um den Gate-Kondensator während des Einschalt/Abschaltvorgangs zu laden/entladen. Und die zum Laden/Entladen des Gate-Kondensators während des Einschalt/Abschaltvorgangs erforderliche Energie wird häufig in inneren und äußeren Gate-Widerständen abgebaut. Hier wird eine Schaltung dargestellt, die die Schaltverluste über eine Resonanzschaltung reduziert, die während Übergängen zwischen Abschalten und Einschalten Pull-Down-Energie als Pull-Up-Energie rezirkuliert. Die Schaltung ist dazu ausgelegt, auch Pull-Up-Energie als Pull-Down-Energie während Übergängen zwischen Einschalten und Abschalten zu rezirkulieren.
5 ist eine graphische Darstellung 500 eines Spannungsprofils 506 einer Gate-Spannung 502 in Bezug auf eine Ladung 504 während des Einschaltens und Abschaltens eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode. Gemäß den Gate-Kondensator-Ladeeigenschaften von MOSFET/IGBT lautet eine Gleichung zum Berechnen des Leistungsverlust in dem Gate-Widerstand R_g einer herkömmlichen Gast-Treiber-Schaltung wie in Gleichung 2 folgt. $P_{g} = f_{s} \cdot (Q_{g 1} + Q_{g 2}) \cdot (V_{c c} + V_{e e})$

wobei f_s eine Schaltfrequenz des Schalters ist, Q_g1 die Gate-Ladung von null bis Vcc ist, Q_g2 die Gate-Ladung von Vee bis null ist. Der Leistungsverlust der Gate-Treiber-Schaltung ist direkt proportional zur Umschaltfrequenz und unabhängig von dem Gate-Widerstand. Für eine Leistungsvorrichtung mit hohen Umschaltfrequenzen (z. B. SiC und GaN MOSFETs), die bis zu Hunderten kHz bis MHz hochschalten kann, ist es wünschenswert, eine Hochleistungs-Gate-Treiber-Schaltung mit extrem niedrigem Leistungsverlust bereitzustellen, um den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
6 ist eine schematische Darstellung einer Resonanz-Gate-Treiber-Schaltung 600 für einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) 602. Typischerweise beinhaltet ein Push-Pull-Ausgangstreiber einen Pull-Up-Schalter 604, der von einer Pull-Up-Versorgung 606 (z. B. Vcc) versorgt wird, und einen Pull-Down-Schalter 608, der von einer Pull-Down-Schaltung 610 (z. B. Vee) versorgt wird. Hier werden zusätzliche Resonanzschaltungskomponenten hinzugefügt, um die Schaltverluste durch erneute Rezirkulation der Gate-Ladung während Schaltübergängen zu verringern. Ein Resonanz-Pull-Up-Schalter 612 und eine Resonanz-Pull-Up-Diode 614 zusammen mit einem Resonanz-Pull-Down-Schalter 616 und eine Resonanz-Pull-Down-Diode 618 zusammen mit einem Rezirkulierungsinduktor 620 bilden eine Resonanzschaltung mit dem Gate-Kondensator 622. Analog ist 7 eine schematische Darstellung einer Resonanz-Gate-Treiber-Schaltung 700 für einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) 702 einschließlich strombegrenzender Widerstände 724, 726. Auch hier wird von einem einem Push-Pull-Ausgangstreiber einschließlich eines Pull-Up-Schalters 704, der von einer Pull-Up-Versorgung 706 (z. B. Vcc) versorgt wird, und eines Pull-Down-Schalters 708, der von einer Pull-Down-Versorgung 710 (z. B. Vee) versorgt wird, mit zusätzlichen Resonanzschaltungskomponenten ausgegangen, die hinzugefügt werden, um Schaltverluste durch das Rezirkulieren der Gate-Ladung während Schaltübergängen zu reduzieren. Die zusätzlichen Resonanzschaltungskomponenten beinhalten einen Resonanz-Pull-Up-Schalter 712 und eine Resonanz-Pull-Up-Diode 714 zusammen mit einem Resonanz-Pull-Down-Schalter 716 und eine Resonanz-Pull-Down-Diode 718 zusammen mit einem Rezirkulierungsinduktor 720, um die Resonanzschaltung mit dem Gate-Kondensator 722 zu bilden.
8 ist eine graphische Darstellung 800 der Betriebseigenschaften einer Resonanz-Gate-Treiberschaltung (z. B. der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 oder 7) für eine Leistungsvorrichtung gegen die Zeit 802. Hier beinhalten die Betriebseigenschaften ein Eingangsspannungsprofil 804, ein Pull-Up-Schalt-Gate-Spannungsprofil 806 (das z. B. dem Element 604 oder 704 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist), ein Resonanz-Pull-Up-Schalt-Gate-Spannungsprofil 808 (das z. B. dem Element 612 oder 712 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist), ein Resonanz-Pull-Down-Schalt-Gate-Spannungsprofil 810 (das z. B. dem Element 616 oder 716 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist) und ein Pull-Down-Schalt-Gate-Spannungsprofil 812 (das z. B. dem Element 608 oder 708 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist) zusammen mit einem Gate-Stromstärkenprofil 814 (das z. B. dem Element 602 oder 702 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist), ein Gate-Spannungsprofil 816A (das z. B. dem Element 622 oder 722 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist) und ein Induktorspannungsprofil 816B (das z. B. dem Element 620 oder 720 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7 zugeordnet ist).
Diese graphische Darstellung beginnt zu einer Zeit vor der Zeit t0 818, zu der ein Resonanz-Pull-Down-Schalter-Gate-Spannungsprofil 810 und ein Pull-Down-Schalter-Gate-Spannungsprofil 812 an sind (z. B. hohe Gate-Spannung angelegt), um die Gate-Spannung 816A an -Vee zu klemmen, sodass eine Leistungsvorrichtung (z. B. Element 602 oder 702 der Gate-Treiberspannung aus 6 bzw. 7) aus ist. Hier, da sich das Gate in einem Beharrungszustand befindet, was der Fall ist, wenn keine Ladung zu dem Gate hin oder von diesem weg fließt. Zu Zeitpunkt t0 werden die Schalter S₃ und S₄ (z. B. Element 616, 618 oder 716, 718 der Gate-Treiberschaltung aus 6 bzw. 7) abgeschaltet, während S₂ (z. B. Element 612 oder 712 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) eingeschaltet wird. Somit wird der Gate-Kondensator C_g (z. B. Element 622 oder 722 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) parallel mit L_r gekoppelt (z. B. Element 620 oder 720 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) über Dl (z. B. Element 614 oder 714 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) und S₂ gekoppelt. Hierdurch wird eine LC-Resonanz zwischen C_g und L_r gebildet. Erstens wandelt diese Resonanzschaltung die negative Ladung des Gates um, um ein Feld in dem Induktor zu induzieren, indem ein Strom von dem Gate durch den Induktor fließt. Wenn die Spannung über den Induktor hinweg bei null liegt, liegt die Stromstärke von dem Gate und durch den Induktor bei einem Maximum. Zu diesem Zeitpunkt wechselt der Induktor vom Induzieren eines Feldes in dem Induktor zum Zerstören des Feldes, wodurch der Stromfluss mit dem Induktor beibehalten wird und ein positives Spannungspotenzial erzeugt wird, um Strom, der von dem Feld erzeugt wird, während es zerstört wird, zu dem Gate fließen zu lassen, wodurch die Energie von dem negativen Potenzial rezirkuliert wird, um ein positives Potenzial zu erzeugen, sodass die Gate-Spannung V_g von -Vee zu +Vee wechselt, um die Leistungsvorrichtung Q einzuschalten. Zum Zeitpunkt t1 820 wird der Schalter S₁ (z. B. Element 604 oder 704 der Gate-Treiberschaltung aus 6 bzw. 7) eingeschaltet. Wenn der Schalter S₁ eingeschaltet wird, wird das Spannungsniveau der Leistungsvorrichtung Q an der positiven Spannung Vcc gehalten, gesperrt oder eingerastet (z. B. Element 606 oder 706 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7).
Zwischen den Zeiten t1 820 ~ t2 822 befindet sich der Gate-Treiber in einem Beharrungszustand, in dem das Gate eingerastet ist Insbesondere wird bei t1 820 S₁ eingeschaltet, um die Gate-Spannung an der positiven Versorgungsspannung einrasten zu lassen (z. B. Element 606 oder 706 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7). Wenn sich die positive Versorgungsspannung (z. B. Element 606 oder 706 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) jedoch von der negativen Versorgungsspannung (z. B. Element 610 oder 710 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) unterscheidet, so wird die Gate-Spannung weiter auf +Vcc geladen/entladen (z. B. 606 oder 706 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7), wenn Vcc größer als Vee ist. Danach wird die Gate-Spannung 816A auf +Vcc geklemmt. Ferner schwankt die Induktorspannung 816B, während der Strom durch den Induktor fließt. Wenn der Schalter S2 erstmals eingeschaltet wird, nimmt der Stromfluss schnell zu, was eine negative Spannung über den Induktor hinweg gemäß V=L (di/dt) zur Folge hat. Da der Strom von dem Gate der Leistungsvorrichtung (602 oder 702) fließt, geht die Spannung von einem negativen Potenzial zu einem positiven Potenzial über, und zu einem Zeitpunkt t1 820 wird das Rastschalten S1 eingeschaltet, um die Spannung bei Vcc einrasten zu lassen.
Zu Zeitpunkt t2 822 werden die Schalter S₁ und S₂ (z. B. Element 604, 612 oder 704, 712 der Gate-Treiberschaltung aus 6 bzw. 7) abgeschaltet, während S₃ (z. B. Element 616 oder 716 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) eingeschaltet wird. Somit wird der Gate-Kondensator C_g (z. B. Element 622 oder 722 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) anschließend parallel mit L_r gekoppelt (z. B. Element 620 oder 720 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) über D2 (z. B. Element 618 oder 718 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) und S₃ gekoppelt. Hierdurch wird eine LC-Resonanz zwischen C_g und L_r gebildet. Erstens wandelt diese Resonanzschaltung die positive Ladung des Gates um, um ein Feld in dem Induktor zu induzieren, indem ein Strom von dem Gate durch den Induktor fließt. Wenn die Spannung über den Induktor hinweg bei null liegt, liegt die Stromstärke von dem Gate und durch den Induktor bei einem Maximum. Zu diesem Zeitpunkt wechselt der Induktor vom Induzieren eines Feldes in dem Induktor zum Zerstören des Feldes, wodurch der Stromfluss mit dem Induktor beibehalten wird und ein negatives Spannungspotenzial erzeugt wird, um Strom, der von dem Feld erzeugt wird, während es zerstört wird, zu dem Gate fließen zu lassen, wodurch die Energie von dem positiven Potenzial rezirkuliert wird, um ein negatives Potenzial zu erzeugen, sodass die Gate-Spannung V_g von +Vcc zu -Vcc wechselt, um die Leistungsvorrichtung Q einzuschalten, wenn Vee größer als Vcc ist. Andernfalls sind die antiparallelen Dioden von S3 und S4 an, um die Gate-Spannung an -Vee zu klemmen. Zum Zeitpunkt t3 824 wird der Schalter S₄ (z. B. Element 608 oder 708 der Gate-Treiberschaltung aus 6 bzw. 7) eingeschaltet. Wenn der Schalter S₄ eingeschaltet wird, wird das Spannungsniveau der Leistungsvorrichtung Q an der negativen Spannung -Vee gehalten, gesperrt oder eingerastet (z. B. Element 610 oder 710 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7).
Nach der Zeit t2 824 befindet sich der Gate-Treiber in einem Beharrungszustand, in dem das Gate eingerastet ist. Insbesondere wird bei t3 824 S₄ eingeschaltet, um die Gate-Spannung an der negativen Versorgungsspannung einrasten zu lassen (z. B. Element 610 oder 710 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7). Wenn sich die negative Versorgungsspannung (z. B. Element 610 oder 710 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) jedoch von der positiven Versorgungsspannung (z. B. Element 606 oder 706 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7) unterscheidet, so wird die Gate-Spannung weiter auf -Vee geladen/entladen (z. B. 610 oder 710 der Gate-Treiber-Schaltung aus 6 bzw. 7), wenn Vee größer als Vcc ist. Danach wird die Gate-Spannung auf -Vee geklemmt.
Die Steuerlogik oder die von der Steuerung ausgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder -logik bereit, die unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, umgesetzt werden kann bzw. können. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Wenngleich dies nicht immer ausdrücklich veranschaulicht ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen in Abhängigkeit von der konkreten verwendeten Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden kann bzw. können. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Verbrennungsmotor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung in Software kann die Steuerlogik in einer bzw. einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen darstellen, der bzw. die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird bzw. werden. Zu den computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe von bekannten physikalischen Vorrichtungen gehören, die ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen elektronisch, magnetisch und/oder optisch speichern.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die/der eine bereits bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie Nur-Lese-Speicher(ROM)-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeicher-(Random Access Memory - RAM)-Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können auch in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten wie zum Beispiel anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Auslegungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten ausgeführt sein.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen eventuell so beschrieben wurden, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellen oder bevorzugt werden, wird der Durchschnittsfachmann doch erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die sich nach der spezifischen Anwendung und Umsetzung richten. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Gate-Treiber einer Leistungsvorrichtung, umfassend: eine negative Versorgung, die dazu ausgelegt ist, ein negatives Potenzial auf ein Gate anzulegen; eine positive Versorgung, die dazu ausgelegt ist, ein positives Potenzial auf das Gate anzulegen; einen Induktor, der dazu ausgelegt ist, während des Einschaltens ein Feld auf Grundlage des negativen Potenzials zu induzieren und das Feld in einen Strom umzuwandeln, um eine positive Ladung in das Gate einzuspeisen; und einen High-Side-Schalter, der dazu ausgelegt ist, die positive Ladung an dem positiven Potenzial einrasten zu lassen.
Gate-Treiber nach Anspruch 1, ferner umfassend einen strombegrenzenden High-Side-Widerstand, der dazu ausgelegt ist, den Stromfluss zu verringern, während der High-Side-Schalter die positive Ladung an dem positiven Potenzial einrasten lässt.
Gate-Treiber nach Anspruch 1, wobei die negative Versorgung eine Höhe der negativen Versorgung hat und die positive Versorgung eine Höhe der positiven Versorgung hat, sodass die Höhe der positiven Versorgung größer ist als die Höhe der negativen Versorgung.
Gate-Treiber nach Anspruch 1, wobei der Induktor ferner dazu ausgelegt ist, während des Abschaltens ein Ausschaltfeld auf Grundlage des positiven Potenzials zu induzieren und das Ausschaltfeld in einen Ausschaltstrom umzuwandeln, um eine negative Ladung in das Gate einzuspeisen.
Gate-Treiber nach Anspruch 4, ferner umfassend einen Low-Side-Schalter, der dazu ausgelegt ist, die negative Ladung an dem negativen Potenzial einrasten zu lassen.
Gate-Treiber nach Anspruch 5, ferner umfassend einen strombegrenzenden Low-Side-Widerstand, der dazu ausgelegt ist, den Stromfluss zu verringern, während der Low-Side-Schalter die negative Ladung an dem negativen Potenzial einrasten lässt.
Verfahren zum Rezirkulieren von Ladung während des Übergangs eines Leistungsschalters mit einem isolierten Gate für einen Fahrzeugantrieb, umfassend: durch einen Gate-Treiber während des Einschaltens Induzieren eines Feldes in einem Induktor über eine negative Ladung an einem Gate des Leistungsschalters; Umwandeln des Feldes in eine positive Ladung; Fließen der positiven Ladung an das Gate, um den Leistungsschalter einzuschalten; und Einrasten der positiven Ladung an dem Gate.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Feld durch das Fließen von negativer Ladung durch einen Resonanz-Pull-Up-Schalter und eine Resonanz-Pull-Up-Diode unter Vorspannung zu dem Induktor induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend während des Abschaltens Induzieren eines Feldes in einem Induktor über eine positive Ladung, die sich an dem Gate befindet, durch einen Gate-Treiber; Umwandeln des Feldes in eine negative Ladung; Fließen der negativen Ladung an das Gate, um den Leistungsschalter auszuschalten; und Einrasten der negativen Ladung an dem Gate.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Feld durch das Fließen von positiver Ladung durch einen Resonanz-Pull-Down-Schalter und eine Resonanz-Pull-Down-Diode unter Vorspannung zu dem Induktor induziert wird.
Gate-Treiber einer Leistungsvorrichtung, umfassend: eine Stromversorgung mit einem positiven Potenzial und einem negativen Potenzial; und eine Resonanzschaltung, die einen Induktor aufweist und dazu ausgelegt ist, Ladung während des Abschaltens durch Induzieren eines ersten Feldes auf Grundlage einer positiven Ladung von einem Gate, die durch das positive Potenzial hervorgerufen wird, und als Reaktion auf eine Umkehr einer Spannung über den Induktor hinweg zu rezirkulieren, wodurch das erste Feld zerstört wird, um Ladung von dem Gate zu ziehen.
Gate-Treiber nach Anspruch 11, wobei die Resonanzschaltung ferner einen Low-Side-Schalter aufweist, der dazu ausgelegt ist, das Gate an dem negativen Potenzial einrasten zu lassen.
Gate-Treiber nach Anspruch 12, ferner umfassend einen strombegrenzenden Negativpotenzialwiderstand, der dazu ausgelegt ist, den Stromfluss zu verringern, während der Low-Side-Schalter das Gate an dem negativen Potenzial einrasten lässt.
Gate-Treiber nach Anspruch 11, wobei die Resonanzschaltung ferner dazu ausgelegt ist, Ladung während des Einschaltens durch Induzieren eines zweiten Feldes auf Grundlage einer negativen Ladung von einem Gate, die durch das negative Potenzial hervorgerufen wird, und als Reaktion auf eine Umkehr der Spannung über den Induktor hinweg zu rezirkulieren, wodurch das erste Feld zerstört wird, um Ladung von dem Gate zu ziehen.
Gate-Treiber nach Anspruch 14, ferner umfassend einen High-Side-Schalter, der dazu ausgelegt ist, das Gate an dem positiven Potenzial einrasten zu lassen.