DE102018113382A1

DE102018113382A1 - Doppelimpulsprüfsysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE102018113382A1
Application number: DE102018113382.0A
Authority: DE
Inventors: Xi LU; Chingchi Chen; Zhuxian Xu; Krishna Prasad BHAT; Lan Yu; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2018-12-13
Also published as: US10640003B2; US20180354384A1; CN109031081A

Abstract

Beschrieben werden die Verfahren und Systeme zum Korrigieren einer induktiven Last beim Prüfen von Hochspannungsvorrichtungen. Eine Hochspannungsvorrichtung ist eine geprüfte Vorrichtung (DUT) in einer Doppelimpulsprüfung, die die induktive Last erfordern kann. Das Verfahren kann, in einem Zeitraum mit niedrigem Strom und hoher Spannung, das Schätzen eines Induktorstrombeitragsbereichs nach einem Einschalten der geprüften Vorrichtung beinhalten, die mit einer induktiven Last mit einem Luftkerninduktor verbunden ist. Das Verfahren subtrahiert den geschätzten Induktorstrombeitrag von einem Kollektorstrom der geprüften Vorrichtung, um einen korrigierten Kollektorstrom auszugeben. So kann die Doppelimpulsprüfung mit einem Luftkerninduktor durchgeführt werden. Fahrzeuge können die DUT in Traktionsleistungsanwendungen verwenden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Prüfen von Leistungshalbleitervorrichtungen und insbesondere Verfahren und Systeme die Doppelimpulsprüfung von Vorrichtungen, z. B. Fahrzeugleistungselektronik.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Doppelimpulsprüfungen können zum Bestimmen der Betriebscharakteristiken eines Leistungshalbleiters verwendet werden. Als eine Stromquelle für den Leistungshalbleiter wird ein typischer Induktor mit einem Magnetkern verwendet. Ein Magnetkerninduktor kann leicht eine hohe Induktivität erzielen; allerdings weist er einige Nachteile auf, z. B. (1) variiert seine Induktivität mit dem Strompegel und (2) kann er auch bei einem höheren Strom gesättigt werden. Eine Umschaltverlustbeurteilung mithilfe einer Doppelimpulsprüfung erfordert normalerweise eine breite Spanne von Strompegeln (z. B. 1 A bis 1000 A), weshalb ein Induktor mit einem Magnetkern kein idealer Kandidat für diese Anwendung ist.
KURZDARSTELLUNG
Beschrieben werden ein Doppelimpulsprüfverfahren und -systeme, die eine Korrektur im gemessenen Strom durch Korrigieren des Beitrags des Induktors bereitstellen. In einem Beispiel eines Zeitraums mit niedrigem Strom und hoher Spannung wird ein Induktorstrombeitragsbereich nach einem Einschalten der geprüften Vorrichtung geschätzt, die mit einer induktiven Last mit einem Luftkerninduktor verbunden ist. Dann wird der geschätzte Induktorstrombeitrag von einem Kollektorstrom der geprüften Vorrichtung subtrahiert, um einen korrigierten Kollektorstrom auszugeben.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren das Schätzen des Induktorstroms das Messen einer ersten Spannung an einem Versorgungskondensator, Messen einer zweiten Spannung an der geprüften Vorrichtung und Verwenden der ersten Spannung und der zweiten Spannung zum Schätzen der Veränderung des Induktorstroms.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren Schätzen, was Berechnen unter Verwendung der Gleichung $d i_{L} = \frac{v_{L}}{L} d t = \frac{v_{C} - v_{c e}}{L} d t$
beinhaltet, wobei v_C die erste Spannung ist, v_ce die zweite Spannung ist, L die Induktivität des Lastinduktors ist und dt eine Veränderung im Zeitverlauf ist.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Schätzen des Induktorstroms das Einstellen einer ersten Spannung als eine Konstante zum Darstellen einer Versorgungsspannung oder Extrahieren des High-Anteils der gemessenen zweiten Spannung, Messen einer zweiten Spannung an der geprüften Vorrichtung und Verwenden der ersten Spannung und der zweiten Spannung zum Schätzen der Veränderung des Induktorstroms.
Als die geprüfte Vorrichtung kann ein Fahrzeug verwendet werden. Das Fahrzeug beinhaltet eine Hochspannungstraktionsbatterie, eine Leistungssteuerschaltungsanordnung, die mit der Traktionsbatterie verbunden sind, und eine elektrische Maschine. Eine leistungsintegrierte Schaltung ist vorgesehen, und ihre Leistung kann in einem Zeitraum mit niedrigem Strom und hoher Spannung gemessen werden, indem ein Induktorstrombeitragsbereich nach einem Einschalten der geprüften Vorrichtung geschätzt wird, die mit einer induktiven Last mit einem Luftkerninduktor verbunden ist, und der geschätzte Induktorstrombeitrag von einem Kollektorstrom der geprüften Vorrichtung subtrahiert wird, um einen korrigierten Kollektorstrom auszugeben. Das Fahrzeug kann auch eine Steuerung aufweisen, um eine Leistung in der Traktionsbatterie zu schätzen.
In einem Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs beinhaltet das Schätzen des Induktorstroms das Messen einer ersten Spannung an einem Versorgungskondensator, Messen einer zweiten Spannung an der geprüften Vorrichtung und Verwenden der ersten Spannung und der zweiten Spannung zum Schätzen der Veränderung des Induktorstroms.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Induktor ein Luftkerninduktor in einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Induktor, der in einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele verwendet wird, eine Induktivität von etwa 1 uH bis 1 mH oder etwa 10-20 µH auf.
Figurenliste

1A ist eine schematische Ansicht eines Prüfsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B ist eine schematische Ansicht eines Prüfsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist ein Kurvendiagramm einer Prüfwellenform.
3 ist ein Kurvendiagramm einer Prüfwellenform nach der Korrektur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 ist eine Ansicht eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 ist eine Ansicht eines elektrischen Leistungssystems für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für eine Doppelimpulsprüfung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Erfindung sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, den Fachmann hinsichtlich der unterschiedlichen Anwendungsweisen der vorliegenden Erfindung lehren soll.
Eine Doppelimpulsprüfung stellt Verfahren und Systeme zum Prüfen des Gate-Antriebs und des Dynamikverhaltens von Leistungselektronikkomponenten unter verschiedenen Bedingungen mit nahezu vernachlässigbarer Leistung bereit. Die vorliegend beschriebenen Verfahren und Systeme können zum Prüfen von Leistungsschaltungsanordnungen und Leistungsschaltelementen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge verwendet werden. Die Leistungselektronik schaltet, um 100 oder mehr Volt von einer Traktionsbatterie bereitzustellen. Die Doppelimpulsprüfung kann ein Prüfsignal, das zwei Impulse enthält, an eine geprüfte Vorrichtung assertieren. In der Doppelimpulsprüfung einer geprüften Vorrichtung (device under test - DUT) beinhaltet die Prüfvorrichtung in der Regel einen großen magnetischen Induktor mit einem Magnetkern, um eine Last in Annäherung an eine Stromquelle bereitzustellen, die die DUT speist. Der große Induktor soll sicherstellen, dass der Strom im Beharrungszustand während der Dauer einer Umschalttransiente in der DUT nahezu flach ist. Allerdings bringt ein solcher Induktor Nachteile während des Prüfens ein, z. B. variiert seine Induktivität mit dem Strompegel, und er kann bei einem höheren Strom gesättigt werden. Eine Umschaltverlustbeurteilung der DUT mithilfe einer Doppelimpulsprüfung erfordert normalerweise eine breite Spanne von Strompegeln (z. B. 1 A bis 1000 A), weshalb ein Induktor mit einem Magnetkern kein idealer Kandidat für diese Anwendung ist. Auf diese Weise kann in einem System ein Luftkerninduktor für die Prüfung verwendet werden. Ein Luftkerninduktor kann verschiedene Vorteile bereitstellen. Der Luftkerninduktor weist über einen breiten Bereich von Strompegeln eine annähernd konstante Induktivität auf. In verschiedenen Beispielen kann die Induktivität etwa 10,0 µH, +/- 0,5 µH oder +/- 1,0 betragen. In einem Beispiel beträgt die Induktivität bis zu etwa 20 µH, +/- 0,5 µH oder +/- 1,0. In einem Beispiel beträgt die Induktivität bis zu etwa 80 µH, +/- 0,5 µH oder +/- 1,0. In einem Beispiel kann die Induktivität etwa 1 uH bis 1 mH, +/- 5 % oder 10 % betragen. Der Induktor kann eine Induktivität in einem Bereich von etwa 10 µH bis zu etwa 20 µH, +/- 10 % bereitstellen. Der Induktor kann eine Induktivität in einem Bereich von etwa 10 µH bis zu etwa 40 µH, +/- 10 % oder 80 µH, +/- 10 % bereitstellen. Der Luftkerninduktor weist das Sättigungsproblem nicht auf, da er keinen Magnetkern aufweist. Allerdings können Luftkerninduktoren einen Nachteil einbringen, indem sie eine geringe Energiedichte aufweisen, die zu einer großen Größe und einer geringen Induktivität führt.
Um einen nahezu konstanten Strom während der Umschalttransiente während der Prüfung sicherzustellen, ist die Lastinduktivität sehr hoch, um die Anforderungen an Betriebspunkten mit niedrigem Strom und hoher Spannung zu erfüllen. Infolgedessen ist das Induktorvolumen groß, und somit ist auch die im Induktor gespeicherte elektrische Energie hoch. Dies führt jedoch dazu, dass die für den Stromanstieg benötigte Zeit bei Betriebspunkten mit starkem Strom und niedriger Spannung lang ist. Dies erfordert auch ein hohes Maß an Kompensation für Spannung, die beim Aufladen des Induktors verloren geht. Um die Nachteile von Luftkerninduktoren zu beseitigen, werden unterschiedliche Luftkerninduktoren, jeder mit einer anderen Induktivität, für unterschiedliche Betriebsbedingungen verwendet. Beispielsweise wird ein kleiner Induktor für Fälle mit niedrigem Strom ausgewählt, während für Fälle mit starkem Strom ein großer Induktor ausgewählt wird. Die vorliegenden Erfinder haben den Bedarf an einem Prüfsystem mit einem einzigen Luftkerninduktor festgestellt, der eine kompakte Prüfvorrichtung ergibt. Allerdings ist der einzelne Luftkerninduktor eine nicht ideale Stromquelle. Die vorliegenden Erfinder haben ferner den Bedarf an einer Korrektur des nicht idealen Stromquellenverhaltens eines einzelnen Luftkerninduktors festgestellt.
Figur (FIG.) 1A zeigt eine schematische Ansicht eines Doppelimpulsprüfsystems 100, das eine geprüfte Vorrichtung (DUT) 101 beinhaltet, die mit einer induktiven Last 103 verbunden ist. Eine Hochspannungsgleichstromquelle 105 führt die Hauptleistung für die Prüfung zu. Eine Treiberschaltung 107 empfängt das Umschaltsignal vom Prozessor 110 und stellt das Ansteuersignal an die geprüfte Vorrichtung 101 bereit. Die induktive Last 103 beinhaltet einen einzelnen, angemessen kleinen Luftkerninduktor mit einer minimalen Parasitärkapazität.
Die Doppelimpulsprüfung kann in Halbbrückentopologie durchgeführt werden, wobei das Verhalten der geprüften Vorrichtung 101, z. B. eines Bipolartransistors mit isolierter Gateelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT) mit der Diode in der entsprechenden Halbbrücke unter verschiedenen Lastbedingungen geprüft wird. Die Doppelimpulsprüfung ermöglicht es, den Gate-Antrieb und das Dynamikverhalten von Leistungselektronikkomponenten unter verschiedenen Bedingungen mit nahezu vernachlässigbarer Leistung zu prüfen. Eine Doppelimpulsprüfung kann neben anderen Prüfungen das Vorrichtungsverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen, das Kurzschlussverhalten, Abschalten bei Kurzschluss, Verhalten des Gate-Antriebs, Einstellung von RG_ON und RG_OFF , Überspannungsverhalten beim Ausschalten, Stromverteilung bei paralleler Schaltung, Diodenerhohlung, Messung von Umschaltenergien prüfen.
1B zeigt eine Doppelimpulsprüfschaltung 120 zum Prüfen der DUT 101. Die Spannung an der DUT wird als v_ce gemessen. Ein Induktor 123 ist parallel mit der oberen Vorrichtung 127 der Halbbrücke geschaltet. Die Spannung am Induktor ist v_L . Induktor 123 kann ein einzelner, angemessen kleiner Luftkerninduktor mit einer minimalen Parasitärkapazität sein. Der Strom durch den Induktor 123 ist i_L . Die obere Vorrichtung 127 der Halbbrücke kann einen Hochspannungsschalter beinhalten, z. B. einen IGBT mit einer damit verbundenen umgekehrt montierten Diode oder einfach einer Diode. Die Leistungsquelle ist als ein Kondensator 125 gezeigt. Die Spannung am Kondensator 125 ist v_dc . Ein erster, positiver Knoten 128 verbindet die positiven Anschlüsse des Induktors 123, des Kondensators 125 und der oberen Vorrichtung 127 der Halbbrücke. Die negativen Anschlüsse der DUT 101 und des Kondensators 125 sind verbunden. Ein Prozessor 110 kann eine Schaltungsanordnung zum Berechnen der elektrischen Leistung der DUT oder anderer elektrischer Signale im System 100 beinhalten.
Der Induktor 123 kann ein Luftkerninduktor zur Verwendung in der Doppelimpulsprüfung sein. Der Induktor 123 beinhaltet eine Induktivität, die über eine breite Spanne von Strompegeln (z. B. 1 A bis 1000 A) während der Prüfung annähernd konstant ist. Der Induktor 123 weist nicht das Sättigungsproblem des Magnetkerninduktors auf, da er keinen Magnetkern aufweist. Allerdings weisen Luftkerninduktoren mit ihrer geringen Energiedichte, die zu einer großen Größe und einer geringen Induktivität führt, einen eigenen Nachteil auf. Um einen nahezu konstanten Strom während der Umschalttransienten sicherzustellen, ist die Lastinduktivität am Induktor 123 sehr hoch, um die Anforderungen an Betriebspunkten mit niedrigem Strom und hoher Spannung zu erfüllen. Infolgedessen ist das Induktorvolumen groß, und somit ist auch die im Induktor gespeicherte Energie hoch. Die für den Stromanstieg benötigte Zeit bei Betriebspunkten mit starkem Strom und niedriger Spannung lang ist, und erfordert ein hohes Maß an Kompensation für Spannung, die beim Aufladen des Induktors verloren geht. Um dieses Problem zu lösen, werden unterschiedliche Luftkerninduktoren, jeder mit einer anderen Induktivität, für unterschiedliche Betriebsbedingungen verwendet. Mit anderen Worten wird eine geringe Induktivität für Fälle mit niedrigem Strom ausgewählt, während für Fälle mit starkem Strom eine hohe Induktivität ausgewählt wird.
2 zeigt ein Kurvendiagramm 200 einer resultierenden Wellenform aus einem Doppelimpulsprüfsystem ohne Korrektur, das den einzelnen, angemessen kleinen Luftkerninduktor mit minimaler Parasitärkapazität verwendet. In extremen Fällen wie etwa Fällen mit niedrigem Strom und hoher Spannung kann der Einschaltkollektorstrom der DUT 101 einen sehr steilen Anstieg nach der Stromspitze während der Sperrerholung der DUT aufweisen, was auf die niedrige für den Induktor 123 ausgewählte Induktivität zurückzuführen ist. Der steile Anstieg kann einen High-Anteil des gemessenen elektrischen Signals darstellen, der einen Anstieg des Stroms im Zeitverlauf verursacht. Die DUT wird zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet, wenn der Kollektorstrom rasch anzusteigen beginnt. Wenn der Strom den Laststrom erreicht hat, flacht der Strom nicht wieder ab, sondern erscheint aufgrund des Sperrerhohlstroms der oberen Vorrichtung der Halbbrücke als ein Überschwingen über den Laststrom hinaus. Nach dem Überschwingen des Stroms/Sperrerhohlstrom zwischen t2 und t3 (Δt) nimmt der Laststrom jedoch weiter zu, obwohl er konstant sein sollte.
3 zeigt ein Kurvendiagramm 300 einer resultierenden Wellenform aus einem Doppelimpulsprüfsystem mit Korrektur des Laststroms. Das heißt, der Strom ist zwischen Zeitpunkt t2 und t3 (Δt) im Wesentlichen flach. Der flache Anteil der gemessenen Wellenform in Kurvendiagramm 300 ist in 3 als flach gekennzeichnet. Er ist im Vergleich zum nicht korrigierten ähnlichen Bereich aus 2 flach. Der Induktorbeitrag zum Strom kann anhand der folgenden Gleichung geschätzt werden. Die Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L , kann vom Strom der DUT während Δt subtrahiert werden, um die Wellenform 200 zu verändern und in die Wellenform 300 umzuwandeln. Der Induktorwert ist L. Die Zeit ist t. Wenn v_dc nicht gemessen wird oder werden kann, kann es mit v_ce genähert werden. $d i_{L} = \frac{v_{L}}{L} d t = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
Der Induktorstrom kann mithilfe der gemessenen Werte der Spannungen im Prüfsystem 100 geschätzt werden. Im Betrieb ist eine erste Spannung als konstant eingestellt, um eine Versorgungsspannung darzustellen. Die erste Spannung kann in verschiedenen Beispielen auf einen extrahierten High-Anteil einer gemessenen zweiten Spannung eingestellt sein. Hier kann der High-Pegel v_ce als die Spannung v_dc verwendet werden. Der High-Anteil von v_ce findet vor dem Einschalten der DUT statt, z. B. vor dem Zeitpunkt t₁ in den Kurvendiagrammen 200, 300. Das heißt, die Spannung kann mit dem Wert während des Stromanstiegs, z. B. dem Anstieg des Kurvendiagramms 200, korreliert werden. In einem anderen Beispiel kann die zweite Spannung an der geprüften Vorrichtung gemessen werden. Diese zwei Spannungen können verwendet werden, um eine Veränderung des Induktorstroms, wie z. B. in Kurvendiagramm 200 gezeigt, zu schätzen, und die Veränderung des Induktorstroms kann subtrahiert werden, um das korrekte Kurvendiagramm 300 auszugeben.
4 zeigt ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug 412, das eine oder mehrere elektrische Maschine(n) 414 umfassen kann, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 416 verbunden sind. Die Elektromaschinen 414 können als Motor oder Generator betrieben werden. Bei Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 416 mechanisch mit einem Motor 418 verbunden. Das Getriebe 416 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 420 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 422 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 414 können einen Antrieb oder eine Abbremsung bereitstellen, wenn der Motor 418 ein- oder ausgeschaltet wird. Die Elektromaschinen 414 dienen außerdem als Generatoren und können eine vorteilhafte Kraftstoffeinsparung bereitstellen, indem Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren ginge, zurückgewonnen wird. Die Elektromaschinen 414 können außerdem die Emissionen des Fahrzeugs verringern, indem der Motor 418 mit effizienteren Drehzahlen arbeiten kann und das Hybrid-Elektrofahrzeug 412 in einem elektrischen Modus betrieben werden kann, bei dem der Motor 418 bei bestimmten Bedingungen abgeschaltet ist. Ähnliche Vorteile können mit einem Elektrofahrzeug erzielt werden, das keinen Verbrennungsmotor 418 beinhaltet.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 424 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 414 genutzt werden kann. Der Fahrzeugakkusatz 424 stellt in der Regel eine Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Ausgabe bereit. Die Traktionsbatterie 424 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodule 126 verbunden. Ein oder mehrere Schaltschütze (nicht gezeigt) können im geöffneten Zustand die Traktionsbatterie 424 von anderen Komponenten isolieren und im geschlossenen Zustand die Traktionsbatterie 424 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 426 ist ebenfalls elektrisch mit den elektrischen Maschinen 414 verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Traktionsbatterie 424 und den elektrischen Maschinen 414 bereit. Beispielsweise kann eine typische Traktionsbatterie 424 eine Gleichstromspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 414 für ihre Funktion Dreiphasenwechselstrom benötigen können. Das Leistungselektronikmodul 426 kann die Gleichstromspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, den die Elektromaschinen 414 benötigen. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungsstrommodul 426 den Dreiphasen-Wechselstrom von den Elektromaschinen 414, die als Generatoren wirken, in Gleichstromspannung umwandeln, die von der Traktionsbatterie 424 benötigt wird. Die vorliegende Beschreibung gilt gleichermaßen für ein reines Elektrofahrzeug. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 416 ein Getriebe sein, das mit einer elektrischen Maschine 414 verbunden ist, und der Motor 418 kann wegfallen, wie zuvor beschrieben. Das Leistungselektronikmodul 426 kann eine Vielzahl von leistungsintegrierten Schaltungen, z. B. IGBTs, beinhalten, die gemäß hier beschriebenen Systemen und Verfahren geprüft werden.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 424 Energie für andere elektrische Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Ein typisches System kann einen DC/DC-Wandlermodul 428 beinhalten, das den Hochspannungsgleichstromausgang der Traktionsbatterie 424 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugverbrauchern kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie etwa Verdichter und elektrische Fahrgastzellen- oder Komponentenheizvorrichtungen, können ohne Verwendung eines DC/DC-Wandlermoduls 428 direkt mit der Hochspannung verbunden sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 430 (z. B. einer 12-V- oder 24-V-Batterie) verbunden sein.
Ausführungsformen der Offenbarung können Fahrzeuge wie etwa das Fahrzeug 412 beinhalten, das ein Hybrid- oder ein Reichweitenverlängererhybrid- oder ein Elektrofahrzeug oder ein Plugin-Hybridfahrzeug sein kann, bei dem die Traktionsbatterie 424 durch eine externe Leistungsquelle 436 wieder aufgeladen wird. Die externe Leistungsquelle 436 kann eine Verbindung mit einer Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 436 kann elektrisch mit einer Elektrofahrzeugversorgungsausrüstung (electric vehicle supply equipment - EVSE) 438 verbunden sein. Die EVSE 438 kann eine Schaltungsanordnung und Steuerelemente bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 436 und dem Fahrzeug 412 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 436 kann einen Gleichstrom oder Wechselstrom für die EVSE 438 bereitstellen. Die EVSE 438 kann einen Ladesteckverbinder 440 aufweisen, der in einen Ladeanschluss 434 des Fahrzeugs 412 eingesteckt werden kann. Der Ladeanschluss 434 kann jede Art von Anschluss sein, der konfiguriert ist, um Leistung von der EVSE 438 zum Fahrzeug 412 zu übertragen. Der Ladeanschluss 434 kann elektrisch mit einer Ladevorrichtung oder einem bordeigenen Leistungsumwandlungsmodul 432 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 432 kann die von der EVSE 438 zugeführte Leistung anpassen, um die geeigneten Spannungs- und Strompegel an die Traktionsbatterie 424 bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 432 kann mit der EVSE 438 über eine Schnittstelle verbunden sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 412 zu koordinieren. Der EVSE-Ladeverbinder 440 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeanschlusses 434 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben werden, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen. Das Leistungsumwandlungsmodul 432 kann Halbleiterleistungsschaltungen, z. B. IGBTs, beinhalten, die gemäß hier beschriebenen Systemen und Verfahren geprüft werden können.
Die verschiedenen in 1 dargestellten Komponenten können eine oder mehrere zugehörige Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. CAN (Controller Area Network)) oder über separate Leiter kommunizieren. Eine oder mehrere Steuerungen auch unabhängig arbeiten, ohne mit einer oder mehreren anderen Steuerungen zu kommunizieren. Eine der Steuerungen kann durch ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Control Module - BECM) 446 implementiert sein, um beispielsweise verschiedene Lade- und Entladefunktionen und Batteriezellenlastausgleich zu steuern. Das BECM 446 kann im Traktionsbatteriepack 424 angeordnet sein und mit einem oder mehreren Sensormodulen verbunden sein, um die Spannung an den Superkondensatoren zu messen.
Fahrzeugtraktionsbatteriepacks können aus verschiedenen chemischen Rezepturen konstruiert sein. Zu typischer Batteriepackchemie gehören Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithium-Ion (Li-Ion). Es kann auch eine andere Art von Traktionsbatteriechemie verwendet werden.
5 zeigt ein elektrisches System für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Die Niederspannungshilfsbatterie 430 kann durch eine Niederspannungsleistungsversorgung 510 elektrische Energie an eine Steuerung 501 bereitstellen. Die Hochspannungsbatterie 424 ist eine Traktionsbatterie und stellt elektrische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs 412 bereit. Ein Gleichstromzwischenkreiskondensator 511 glättet das elektrische Signal von der Hochspannungsbatterie an die Umschaltstufe 515. Die Umschaltstufe 515 kann als ein Wechselrichter dienen, um das elektrische Antriebssignal an die elektrischen Maschine(n) 414 zu leiten und Antriebskraft für das Fahrzeug 412 bereitzustellen. Die Umschaltstufe 515 kann leistungsintegrierte Schaltungen, z. B. IGBTs, beinhalten. Die Umschaltstufe 515 sollte zur Minimierung von Umschaltverlusten und Maximierung der Wärmeeffizienz ausgelegt sein. Der Wechselrichter 515 treibt nicht nur den Elektromotor 414 an, sondern kann auch Energie aufnehmen, die durch regeneratives Bremsen freigesetzt wird, und sie zurück an die Hochspannungsbatterie 424 leiten. Die Umschaltstufe 515 und individuelle Komponenten davon können unter Verwendung der hier beschriebenen Systeme und Verfahren geprüft werden, um Umschaltverluste zu minimieren. Eine Phasenstrom- und Spannungsmessstufe 503 misst die elektrischen Signale, die von der Umschaltstufe 515 gemessen werden, und gibt die Ergebnisse an die Steuerung 501 aus. Die Steuerung 501 kann die Messungen von der Stufe 503 zur Ausgabe von Steuersignalen an die Treiberstufe 505 verwenden, die wiederum den Betrieb der Umschaltstufe 515 steuert. Die Steuerung 501 Phasenstrommessungen und/oder Spannungsmessungen von der Messstufe 503 zum Steuern der Treiberstufe 505 verwenden.
Das Fahrzeug 412 kann Leistungssteuerschaltungen beinhalten, die eine geprüfte Vorrichtung (DUT) wie hier beschrieben beinhalten. Die DUT kann eine elektronische Leistungsvorrichtung, z. B. IGBTs, FETs und dergleichen, beinhalten. Mit den hier beschriebenen Systemen und Strukturen zur Doppelimpulsprüfung kann der Umschaltverlust der elektronischen Leistungsvorrichtung geschätzt werden. Die Doppelimpulsprüfung kann auch durchgeführt, indem ein Luftkerninduktor als die induktive Last dient, um die Kollektorstromschätzung mit der DUT im Einschaltzustand oder andere Verluste zu korrigieren. Eine Steuerung, z. B. das BECM 446 oder andere Fahrzeugverarbeitungsschaltungen, kann die verbleibende Traktionsbatterieladung mithilfe der durch die Doppelimpulsprüfung geschätzten Verluste schätzen. Je genauer die Schätzung der Verluste ist, z. B. durch Kenntnis des genauen Verhaltens der DUT oder jeder DUT im Fahrzeug, desto genauer kann die Schätzung von SOC, Ladungserinnerung oder verbleibende Reichweite sein. Diese werden von den Fahrzeugführern gewünscht.
6 zeigt ein Verfahren 600 zur Doppelimpulsprüfung mit einem Prüfsystem mit nur einem einzigen, angemessen kleinen Luftkerninduktor mit minimaler Parasitärkapazität, der als die Last verwendet wird. Bei 601 wird eine Doppelimpulsprüfung gestartet. Bei 602 kann ein optionaler Schritt des Messens der Spannung am Quellkondensator, v_dc , durchgeführt werden. Bei 603 wird die Spannung an der DUT, v_ce , gemessen. Bei 604 wird der Strom durch die DUT, i_c , gemessen. Bei 605 wird die Veränderung des Stroms an der induktiven Last mithilfe der obenstehenden Gleichung berechnet. Bei 606 wird der korrigierte Strom durch Subtrahieren der berechneten Veränderung des Stroms vom gemessenen Strom erlangt. Bei 607 wird der endgültige korrigierte Strom ausgegeben, z. B. auf eine Anzeige an einer elektrischen Vorrichtung, die mit einem Computer verbunden ist. Die Anzeige kann ähnliche Kurvendiagramme wie diejenigen aus 3-4 zeigen. Obwohl das Verfahren 600 in den Schritten wie dargelegt durchgeführt werden kann, können einige Schritte, z. B. die Schritte 602-604, in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Die vorliegende Beschreibung konzentriert sich auf den Einschaltvorgang der DUT. Es versteht sich, dass eine ähnliche Verfahrensweise auch für das Ausschalten der DUT ausgeführt werden kann. Es können ähnliche Berechnungen durchgeführt werden, um eine Korrektur für die Veränderung des Stroms an der DUT durchzuführen
Der Betrieb der Diode während des Ein- oder Ausschaltens benötigt diese Kompensation nicht, da die Spannung am Induktor während der Einschaltung der Diode gering ist, da die Diodenspannung im Einschaltzustand nur einige Volt beträgt. Daher ist die Veränderung des Stroms, Δi, während der Einschaltung der Diode äußerst gering.
Es wird angenommen, dass die Verwendung eines einzelnen und kleinen Luftkerninduktors, der nur ein kleines Volumen einnimmt und leicht ist, für eine breite Spanne von Betriebsbedingungen verwendet werden kann, ohne den Induktor zu wechseln. Durch Kompensieren des Induktoranstiegsstroms kann die höchste Genauigkeit für eine Berechnung des Umschaltverlusts sichergestellt werden. Der Induktor kann eine Induktivität von etwa 10 µH bis etwa 20 µH oder in einem Bereich von etwa 1 uH bis 1 mH bereitstellen, oder andere Werte descro.
Die Doppelimpulsprüfung wie hier beschrieben kann zum Bestimmen verschiedener Eigenschaften der geprüften Vorrichtung verwendet werden. Zu den Eigenschaften können das Vorrichtungsverhalten bei unterschiedlichen Temperaturpegeln, Kurzschlussverhalten und Abschaltung bei Kurzschluss, Verhalten des Gate-Antriebs, Einstellung des Gate-Widerstands oder Ausschaltung des Gate-Widerstands, Überspannungsverhalten beim Ausschalten der Vorrichtung, z. B. Einstellung des aktiven Festhaltens, Stromverteilung bei paralleler Schaltung, Diodenerhohlung oder Messung von Umschaltenergien gehören. Die vorliegende hier beschriebene Doppelimpulsprüfung kann mit Leistungselektronikvorrichtungen, z. B. IGBT, oder anderen elektronischen Vorrichtungen, z. B. MOSFETs, verwendet werden.
Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Begriffe beschreibende, aber keine einschränkenden Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Funktionen von verschiedenen implementierenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Doppelimpulsprüfverfahren, umfassend: durch einen Prozessor, Betreiben einer geprüften Vorrichtung (DUT), die an eine induktive Last gekoppelt ist, die durch einen Luftkerninduktor definiert ist, gemäß einem Doppelimpulsprüfungsplan; und Ausgeben eines korrigierten Kollektorstroms, der aus einer Differenz zwischen einem Kollektorstrom der DUT, der nach dem Einschalten der DUT gemessen wird, und einem Induktorstrom abgeleitet wird, der nach dem Einschalten der DUT abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Induktorstrom auf einer ersten gemessenen Spannung an einem Versorgungskondensator und einer zweiten gemessenen Spannung an der DUT beruht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L, die erste gemessene Spannung, v_ce und die zweite gemessene Spannung, v_dc, in Beziehung gesetzt werden gemäß $d i_{L} = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
wobei L eine Induktivität der induktiven Last ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Induktorstrom auf einer ersten Spannung beruht, die als eine Konstante eingestellt ist, um eine Versorgungsspannung oder einen High-Anteil darzustellen, der aus einer gemessenen zweiten Spannung extrahiert wird, ferner umfassend Messen einer zweiten Spannung an der DUT, und Verwenden der ersten Spannung und der zweiten Spannung zum Schätzen einer Veränderung des Induktorstroms.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L, die erste Spannung, v_ce und die zweite Spannung, v_dc, in Beziehung gesetzt werden gemäß $d i_{L} = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
wobei L eine Induktivität der induktiven Last ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die induktive Last eine Induktivität von etwa 10-20 µH aufweist.
Fahrzeug, umfassend: eine Traktionsbatterie; eine Leistungssteuerschaltungsanordnung, an die Traktionsbatterie und eine elektrische Maschine gekoppelt sind, und beinhaltend eine leistungsintegrierte Schaltung mit einer geprüften Vorrichtung (DUT), die elektrisch an eine induktive Last gekoppelt ist, die durch einen Luftkerninduktor definiert ist; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, die DUT gemäß einem Doppelimpulsprüfungsplan zu betreiben, und einen korrigierten Kollektorstrom auszugeben, der von einer Differenz zwischen einem Kollektorstrom der DUT und einem Induktorstrom abgeleitet wird, der nach dem Einschalten der DUT erlangt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Induktorstrom auf einer ersten gemessenen Spannung an einem Versorgungskondensator und einer zweiten gemessenen Spannung an der DUT beruht.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei eine Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L, die erste gemessene Spannung, v_ce und die zweite gemessene Spannung, v_dc, in Beziehung gesetzt werden gemäß $d i_{L} = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
wobei L eine Induktivität der induktiven Last ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Induktorstrom auf einer ersten Spannung, die als eine Konstante eingestellt ist, um eine Versorgungsspannung darzustellen, und einer zweiten Spannung an der DUT beruht, und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, eine Veränderung des Induktorstroms auf Grundlage der ersten Spannung und der zweiten Spannung abzuleiten.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei eine Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L, die erste Spannung, v_ce und die zweite Spannung, v_dc, in Beziehung gesetzt werden gemäß $d i_{L} = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
wobei L eine Induktivität der induktiven Last ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die geprüfte Vorrichtung (DUT) einen Umschaltverlust aufweist, der durch eine Doppelimpulsprüfung geschätzt wird, und ein Luftkerninduktor als eine induktive Last dient, um die Kollektorstromschätzung mit der DUT in einem eingeschalteten Zustand zu korrigieren; und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Restladung der Traktionsbatterie mithilfe des Umschaltverlusts zu schätzen.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei die leistungsintegrierte Schaltung ein Schalter ist, der die Traktionsbatterie steuerbar mit der elektrischen Maschine verbindet, und wobei die Doppelimpulsprüfung betrieben wird, um einen korrigierten Kollektorstrom auszugeben, der aus einer Differenz zwischen einem Kollektorstrom der DUT und einem Induktorstrom abgeleitet wird, der nach dem Einschalten der DUT erlangt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei eine Veränderung des Stroms durch die DUT, di_L, eine erste Spannung, v_ce und eine zweite Spannung, v_dc, in Beziehung gesetzt werden gemäß $d i_{L} = \frac{v_{d c} - v_{c e}}{L} d t$
wobei L eine Induktivität der induktiven Last ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 7-14, wobei die induktive Last eine Induktivität von 10-20 µH aufweist.