DE102018114719A1

DE102018114719A1 - Sperrschichttemperaturkompensierter gatetreiber

Info

Publication number: DE102018114719A1
Application number: DE102018114719.8A
Authority: DE
Inventors: Yan Zhou; Shuitao Yang; Fan Xu; Lihua Chen; Mohammed Khorshed Alam; Baoming Ge
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US20180366970A1; CN109104113A

Abstract

Ein Fahrzeugantriebsstrang enthält einen Leistungswechselrichter und eine Steuerung. Der Leistungswechselrichter beinhaltet einen monolithisch mit einem Spiegelschalter integrierten Lastschalter und einen Stromsensor, der dazu konfiguriert ist, den Strom durch den Lastschalter zu messen, um Stromrückkopplung für eine Vektorsteuerung eines Motors bereitzustellen. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf eine Differenz zwischen einem Spiegelstrom des Spiegelschalters und einer Ausgabe des Stromsensors infolge von Temperaturänderungen des Lastschalters den Leistungswechselrichter so zu betreiben, dass eine Temperatur des Lastschalters reduziert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen einen Gatetreiber für einen Festkörperschalter eines Leistungsmoduls, bei dem ein Vergleich zwischen einer Ausgabe des Stromsensors des Leistungsmoduls und einem Signal vom Stromspiegel des Schalters verwendet wird, um den Betrieb des Schalters so anzupassen, dass die Temperatur des Schalters reduziert wird.
HINTERGRUND
Elektrifizierte Fahrzeuge, einschließlich Hybridelektrofahrzeugen (Hybrid-Electric Vehicles - HEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen (Plugin Hybrid Electric Vehicles - PHEVs) und Batterieelektrofahrzeugen (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 Sinussignale angetrieben werden kann, die jeweils mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad erzeugt werden. Die Traktionsbatterie ist dazu konfiguriert, in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben zu werden und einen Maximalstrom bereitzustellen. Die Traktionsbatterie wird alternativ als Hochspannungsbatterie bezeichnet.
Zudem 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 etwa 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 Fahrzeugantriebsstrang enthält einen Leistungswechselrichter und eine Steuerung. Der Leistungswechselrichter beinhaltet einen monolithisch mit einem Spiegelschalter integrierten Lastschalter und einen Stromsensor, der dazu konfiguriert ist, den Strom durch den Lastschalter zu messen, um Stromrückkopplung für eine Vektorsteuerung eines Motors bereitzustellen. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf eine Differenz zwischen einem Spiegelstrom des Spiegelschalters und einer Ausgabe des Stromsensors infolge von Temperaturänderungen des Lastschalters den Leistungswechselrichter so zu betreiben, dass eine Temperatur des Lastschalters reduziert wird.
Ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugantriebsstrangs beinhaltet als Reaktion darauf, dass ein Spiegelstrom einen Schwellenwert überschreitet, das Deaktivieren eines Wechselrichterschalters, der monolithisch mit einem Spiegelschalter integriert ist, der den Spiegelstrom fließen lässt. Das Verfahren steuert den Antriebsstrang zudem auf Grundlage eines Signals von einem Wechselrichterstromsensor, und als Reaktion auf eine Differenz zwischen dem Spiegelstrom und dem Signal infolge von Temperaturänderungen des Wechselrichterschalters wird der Antriebsstrang so betrieben, dass eine Temperatur des Wechselrichterschalters reduziert wird.
Ein Fahrzeugantriebsstrangwechselrichter beinhaltet einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), der monolithisch mit einem Spiegel-IGBT integriert ist, einen Stromsensor, der dazu konfiguriert ist, den Strom durch den IGBT zu messen, und eine Steuerung. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf eine Differenz zwischen einem Spiegelstrom des Spiegel-IGBT und einer Ausgabe des Stromsensors infolge von Temperaturänderungen des IGBT den IGBT so zu betreiben, dass eine Temperatur des IGBT reduziert wird.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Komponenten zum Antrieb und zur Energiespeicherung mit einem Wandler für variable Spannungen und einem Leistungswechselrichter dazwischen veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Wandlers für variable Spannungen in einem Fahrzeug.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Wechselrichters für elektrische Maschinen eines Fahrzeugs.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung, die eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode mit einem Stromspiegel und einem Erfassungswiderstand.
6 ist eine grafische Darstellung eines Kollektorstroms in Bezug auf eine Spannung über einen Kollektor und einen Emitter eines IGBT und eines Spiegelstroms in Bezug auf eine Spannung über einen Kollektor und einen Emitter einer Spiegelvorrichtung, die monolithisch mit dem IGBT integriert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaften Charakters sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Dementsprechend sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Unterschiedliche Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
Wenn ein xEV, wie etwa ein HEV, PHEV oder BEV in Betracht gezogen wird, variieren die Betriebsbedingungen während der Lebensdauer des xEV stark. Beispielsweise kann eine Leistungsvorrichtung, die in einem Antriebsstrangsystem, wie etwa einem Transistor in einem Wandler, einschließlich eines DC/DC-Wandlers oder eines DC/AC-Wandlers, über einen breiten Temperaturbereich hinweg betrieben werden, und somit kann die Leistungsvorrichtung im Wandler eine Sperrschichttemperatur (Tj) aufweisen, die von einer extrem niedrigen Temperatur (z. B. -40 °C) bis zu einer sehr hohen Temperatur (z. B. 150 °C) variiert. Wenn die Betriebsspannung variiert, variiert eine Durchbruchsspannung (Breakdown Voltage - VB) der Leistungsvorrichtung ebenfalls, da VB eine Funktion von Tj ist. Hier wird eine Schaltung offenbart, welche die Änderung der Vorrichtungssperrschichttemperatur automatisch anpasst, um einen größeren Schutz gegen Durchbruchsspannung in Gegenrichtung der Komponente bereitzustellen. Im Allgemeinen beträgt die Raumtemperatur 25 °C und eine niedrige Temperatur ist eine beliebige Temperatur, die unter der Raumtemperatur liegt, wobei eine sehr niedrige Temperatur eine beliebige Temperatur ist, die unter 0 °C liegt (d. h. der Temperatur, bei der Wasser gefriert). Typischerweise wird die Durchbruchsspannung des Schalters bei Raumtemperatur (d. h. 25 °C) gemessen. Ein Durchbruch eines IGBT kann als eine Durchbruchsspannung vom Kollektor zum Emitter beschrieben werden, wobei das Gate zum Emitter hin kurzgeschlossen ist (BVces), während die Bedingung, die der Beschreibung zugeordnet ist, beschränkt wird. Zum Beispiel kann die Beschreibung die Durchbruchsbedingungen auf eine Temperatur von 25 °C beschränken, während ein Kollektorstrom 1 mA beträgt und Vge 0 V beträgt. Während der Verwendung in einer rauen Umgebung können die Durchbruchspannungs-BVces jedoch um zusätzliche 5 % bei -25 °C und um zusätzliche 7 % bei -50 °C abfallen.
Daher kann ein elektrisches Modul in einem Fahrzeug, wie etwa ein DC/DC-Wandler oder ein DC/AC-Wandler Spannungsspitzen aufweisen, die unter der Durchbruchsspannung liegen, wenn Tj über der Raumtemperatur liegt, jedoch bei niedrigen Temperaturen die Durchbruchsspannung übersteigen können. Die Spannungsspitzen basieren auf einer Gatestromstärke, einer Änderungsrate eines Stroms durch den Schalter und einer Stärke des Stroms. Oft beruht die Durchbruchsspannung eines Schalters auf der Schaltungstopologie und dem Herstellungsprozess. Für eine bestimmte Stromkapazität weisen Schalter, die höhere Durchbruchsspannungen aufweisen, typischerweise höhere Kosten auf, und in einigen Fällen sind Schalter mit höheren Durchbruchsspannungen aufgrund von Materialbeschränkungen des Schalters nicht verfügbar. Ein Schaltungsdesigner, der den Schalter verwendet, möchte den Schalter oft nahe der Durchbruchsspannung betreiben, ohne diese zu überschreiten. Daher ist ein System typischerweise unter Verwendung einer Minimaldurchbruchsspannung über den gesamten Betriebstemperaturbereich ausgestaltet, um den Anforderungen und Einschränkungen der Schalter zu entsprechen. Die Schalter werden jedoch bei den sehr niedrigen oder extrem niedrigen Temperaturen (z. B. -50, -40, -35, -25, -15 oder -5) oft nur über einen kurzen Zeitraum hinweg betrieben, wonach sich die Komponenten aufwärmen (entweder intern oder über die Verwendung eines externen Heizelements) und sich die Durchbruchsspannung erhöht. Um Kosten zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern, werden Verfahren und Schaltungen zum Anpassen eines Gatestroms eines Schalters auf Grundlage einer Temperatur des Schalters zum proportionalen Anpassen eines Laststroms, wenn der Schalter bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen betrieben wird, offenbart.
Im Allgemeinen werden Festkörpervorrichtungen (Solid State Devices - SSDs), wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), Metall-Oxid-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 beruht, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom beruht, der an eine Basis des BJT angelegt wird. Hier wird die Verwendung eines IGBT erläutert, die Struktur und Verfahren können jedoch auf andere SSDs anwendbar sein, beispielsweise beinhaltet eine isolierte Gate-SSD sowohl einen IGBT als auch einen MOSFET. Der Betrieb eines IGBT wird durch eine Gatespannung, die durch einen Gatetreiber zugeführt wird, gesteuert. Herkömmliche Gatetreiber beruhen typischerweise auf einer Spannung, die größer als eine Schwellenwertspannung ist, die mithilfe eines strombegrenzenden Widerstands an das IGBT-Gate 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. Überspannungsbelastungen. Daher wird der Gatewiderstand ausgewählt, um einen Kompromiss zwischen Schaltverlust, Schaltverzögerung und Belastungen anzustreben. Wenn ein IGBT ausgeschaltet wird, reduziert der Gatewiderstand den Strom, der vom Gate fließt, und erhöht dadurch eine Abschaltzeit des IGBT. Zudem kann der IGBT während des Einschaltens und Abschaltens keine gleichen Verluste aufweisen, sodass ein Gatetreiber verwendet werden kann, der einen Einschaltwiderstand bereitstellt, der sich vom Abschaltwiderstand unterscheidet.
Hier wird ein IGBT-Sperrschichttemperaturüberwachungssystem und -verfahren offenbart, das bei Umsetzung sowohl eine hohe Genauigkeit als auch geringe Kosten aufweist. Dieses System und Verfahren leitet die Tj auf Grundlage von Daten von mindestens einem Wechselrichterausgabestromsensor und einem IGBT-Stromspiegelsensor ab. Der Hauptgrundsatz nutzt die Eigenschaft, dass die Ausgabe des IGBT-Stromspiegelsensors empfindlich gegenüber einer Änderung der Tj ist, während die Ausgabe des Wechselrichterausgabestromsensors kaum durch die Änderung der Tj beeinflusst wird. Dementsprechend kann eine Tj eines IGBT abgeleitet werden, indem die Ausgabe des IGBT-Stromspiegels und die Ausgabe des Wechselrichterausgabestromsensors verglichen werden.
Im Allgemeinen werden Wechselrichterstromsensoren in einem elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs verwendet, um ausgegebenen Strom zu steuern und eine Schutzfunktion gegen Störungen bereitzustellen, die gelegentlich aufgrund von Steuerinstabilität oder eines externen Kurzschlusses auftreten. Ein IGBT-Stromspiegelsensor überwacht den Strom lokal. Der IGBT-Stromspiegelsensor kann verwendet werden, um den IGBT gegen Störungen zu schützen, die entweder durch externen oder internen Kurzschluss hervorgerufen werden. Ein interner Kurzschluss beinhaltet einen Kurzschluss, der durch ein gleichzeitiges Anschalten sowohl des oberen als auch des unteren IGBT hervorgerufen wird. Im Allgemeinen verwenden Ausgabestromsensoren Halleffekt-Sensoren oder Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Sensoren mit hoher Genauigkeit. Und der IGBT-Stromspiegelsensor ist ein Spiegel-IGBT-Chip, der einen Bruchteil des Stroms des Haupt-IGBT fließen lässt.
1 bildet ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 ab, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (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 unter Umständen als Motor oder Generator betrieben werden. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist ferner mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Antriebs- und Abbremsfunktion bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 ein- 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 reduzieren, indem sie ermöglichen, dass der Verbrennungsmotor 118 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 118 bei bestimmten Bedingungen abgeschaltet ist. Bei einem elektrifizierten Fahrzeug 112 kann es sich ferner um ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) handeln. In einer BEV-Konfiguration ist der Verbrennungsmotor 118 unter Umständen nicht vorhanden. In anderen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (Full Hybrid Electric Vehicle - FHEV) ohne Plug-in-Funktion sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Das Fahrzeugbatteriepack 124 kann eine Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Ausgabe bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen 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. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom zum Betreiben der elektrischen Maschinen 114 umwandeln. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom 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 DC/DC-Aufwärtswandler sein, der zum Erhöhen oder Hochsetzen der von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellten Spannung konfiguriert ist. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung des Verdrahtungsumfangs für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Zudem können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Neben dem Bereitstellen von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere 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 Gleichspannungswandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12-Volt-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, welche die elektrischen Lasten 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Zu Beispielen für elektrische Lasten 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor gehören.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu konfiguriert sein, die Traktionsbatterie 124 über eine externe Leistungsquelle 136 wiederaufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung zu einer Steckdose handeln. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Supply Equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann Schaltungen und Steuerungen zum Regulieren und Verwalten der Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 bereitstellen. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Leistung als DC oder AC bereitstellen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Bei dem Ladeanschluss 134 kann es sich um eine beliebige Art von Anschluss handeln, der dazu konfiguriert ist, Leistung von der EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder ein bordeigenes Leistungswandlermodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungswandlermodul 132 kann die von der EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlermodul 132 kann mit der EVSE 138 über eine Schnittstelle verbunden sein, 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 dazu 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 abzubremsen 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 zum Betätigen der Radbremsen 144 beinhalten. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 150 beinhalten. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 so steuern, dass sie das Fahrzeug abbremsen. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zudem autonom arbeiten, um Funktionen wie etwa Stabilitätskontrolle umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Aufbringen einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module in dem 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 sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk laut Definition der 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 Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Beispielsweise 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 Softwarekomponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem beliebigen Elektronikmodul verbinden kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (Vehicle System Controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
2 bildet ein Diagramm eines VVC 152 ab, der als Aufwärtswandler konfiguriert ist. Der VVC 152 kann Eingangsanschlüsse beinhalten, die durch die Schütze 142 mit Anschlüssen der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsanschlüsse beinhalten, die an Anschlüsse des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann derart betrieben werden, dass veranlasst wird, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen größer einer Spannung an den Eingangsanschlüssen ist. 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 enthalten sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsspannungsreferenz, $V_{d c}^{*} .,$
bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann auf Grundlage der elektrischen Parameter und der Spannungsreferenz, $V_{d c}^{*},$
ein Steuersignal bestimmen, das ausreicht, um zu veranlassen, dass der VVC 152 die erwünschte Ausgangsspannung erreicht. In einigen Konfigurationen kann das Steuersignal als impulsbreitenmoduliertes (Pulse-Width Modulated - PWM)-Signal umgesetzt sein, wobei ein Tastverhältnis des PWM-Signals variiert wird. Das Steuersignal kann mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann den VVC 152 unter Verwendung des Steuersignals anweisen, die gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen. Das konkrete Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Grad der Spannungshochsetzung in Zusammenhang stehen, die durch den VVC 152 bereitgestellt werden soll.
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 das Tastverhältnis steuert, kann die ideale Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Tastverhältnis D unter Verwendung der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: $V_{o u t} = \frac{V_{i n}}{(1 - D)}$
Das gewünschte Tastverhältnis D kann bestimmt werden, indem die Eingangsspannung (z. B. Traktionsbatteriespannung) gemessen und die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung festgesetzt wird. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung von Eingang zu Ausgang reduziert. In einer Abwärtswandlerkonfiguration kann ein anderer Ausdruck abgeleitet werden, der die Eingangs- und die Ausgangsspannung mit dem Tastverhältnis in Beziehung setzt. In einigen Konfigurationen kann der VVC 152 ein Abwärts-AufwärtsWandler sein, der die Eingangsspannung erhöhen oder verringern kann. Die hier beschriebene Steuerstrategie ist nicht auf eine bestimmte Topologie von Wandlern für variable Spannung beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die durch die Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, aufwärts wandeln oder „hochtransformieren“. 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 zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem VVC 152 in Reihe 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 mit der Traktionsbatterie 124 parallel gekoppelt sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und etwaige Spannungs- und Stromwelligkeit reduzieren. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung empfangen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß des Tastverhältnisses hochsetzen oder „hochtransformieren“.
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 reduzieren.
Zudem kann der VVC 152 unter Bezugnahme auf 2 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 beinhalten, um eine Eingangsspannung aufwärts zu wandeln, um die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu konfiguriert 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 Gatetreiberschaltung (nicht gezeigt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann eine beliebige Art eines steuerbaren Schalters (z. B. einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder Feldeffekttransistor (FET)) beinhalten. Die Gatetreiberschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale bereitstellen, die auf dem Steuersignal beruhen (z. B. Tastverhältnis 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 (z. B. Ein-Aus- und Aus-Ein-Übergängen) auftreten. Die Schaltverluste können durch den hindurchfließenden Strom und die Spannung an der Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können zudem 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. die Spannung der Batterie 124) und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_bat ) bereitzustellen. 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 an 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 geeignet ist. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung zum Filtern und Digitalisieren der Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 beinhalten.
Ein Eingangsinduktor 214, der oft als Aufwärtsinduktor bezeichnet wird, kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrisch in Reihe gekoppelt sein. Der Eingangsinduktor 214 kann zwischen dem Speichern und Freisetzen von Energie im VVC 152 wechseln, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgabe 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 zum Skalieren, Filtern und Digitalisieren des Signals vom Stromsensor 216 beinhalten.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann Eingaben vom VVC 152 und von anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und die Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale (V_bat , V_dC1 I_L , $V_{d c}^{*}$
) überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Beispielsweise kann die VVC-Steuerung 200 der Gatetreiberschaltung Steuersignale bereitstellen, die einem Tastverhältnisbefehl entsprechen. Die Gatetreiberschaltung kann dann die Schaltvorrichtungen 206, 208 jeweils auf Grundlage des Tastverhältnisbefehls steuern.
Die Steuersignale an den 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 vorgegebenen Tastverhältnis betrieben werden. Das Tastverhältnis definiert die Zeitspanne, in der sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand befinden. Beispielsweise kann ein Tastverhältnis von 100 % die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich angeschalteten Zustand ohne Abschalten betreiben. Ein Tastverhältnis von 0 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich abgeschalteten Zustand ohne Anschalten betreiben. Ein Tastverhältnis von 50 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 für eine Hälfte des Zyklus in einem eingeschalteten Zustand und für eine Hälfte des Zyklus in einem abgeschalteten Zustand betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. Das heißt, das Steuersignal, das an eine der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, kann eine umgekehrte Version des Steuersignals sein, das an die andere Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird. Die Verwendung einer komplementären Steuerung der Schaltvorrichtungen 206, 208 ist wünschenswert, um einen Shoot-Through-Zustand 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 Stärke aufweist, die je nach einer Stärke des Stroms und dem Tastverhältnis und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. In Bezug auf den Eingangsstrom tritt die ungünstigste Welligkeitsstromstärke unter Bedingungen mit relativ hohem Eingangsstrom auf. Wenn das Tastverhältnis fest ist, verursacht ein Anstieg des Induktorstroms einen Anstieg der Stärke des Welligkeitsstroms. Die Stärke des Welligkeitsstroms steht ferner mit dem Tastverhältnis in Verbindung. Die höchste Welligkeitsstromstärke liegt vor, wenn das Tastverhältnis gleich 50 % ist. Die allgemeine Beziehung zwischen der Stärke des Induktorwelligkeitsstroms und dem Tastverhältnis kann wie in 5 gezeigt sein. Auf Grundlage dieser Tatsachen kann es von Vorteil sein, Maßnahmen umzusetzen, um die Welligkeitsstromstärke unter Bedingungen mit Hochstrom und mittleren Tastverhältnissen zu reduzieren.
Bei der Ausgestaltung des VVC 152 können die Schaltfrequenz und der Induktivitätswert des Induktors 214 so ausgewählt werden, dass eine maximal zulässige Welligkeitsstromstärke erfüllt wird. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Variation sein, die an einem DC-Signal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Welligkeitskomponentenstärke und eine Welligkeitskomponentenfrequenz definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Oberwellen aufweisen, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen, der zur Geräuschsignatur des Fahrzeugs beitragen kann. Zudem kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten beim genauen Steuern von Vorrichtungen verursachen, die durch die Quelle gespeist werden. Bei Schaltübergängen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei dem maximalen Induktorstrom (DC-Strom plus Welligkeitsstrom) ausgeschaltet werden, was an den Schaltvorrichtungen 206, 208 zu einer hohen Spannungsspitze führen kann. Aufgrund der Größen- und Kosteneinschränkungen kann der Induktivitätswert auf Grundlage des geleiteten Stroms ausgewählt werden. Im Allgemeinen kann die Induktivität bei steigendem Strom aufgrund von Sättigung abnehmen.
Die Schaltfrequenz kann so ausgewählt werden, dass eine Stärke der Welligkeitsstromkomponente in Worst-Case-Szenarien begrenzt wird (z. B. Bedingungen mit höchstem Eingangsstrom und/oder einem Tastverhältnis nahe 50 %). Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann so ausgewählt sein, dass sie eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ist, die größer als eine Schaltfrequenz des Motor/Generator-Wechselrichters (z. B. 5 kHz) ist, der an einen Ausgang des VVC 152 gekoppelt ist. Bei einigen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 so ausgewählt sein, dass sie eine vorher festgelegte feste Frequenz ist. Die vorher festgelegte feste Frequenz ist im Allgemeinen so ausgewählt, dass sie Spezifikationen bezüglich Geräuschen und Welligkeitsstrom erfüllt. Die Auswahl der vorher festgelegten festen Frequenz stellt jedoch unter Umständen nicht die beste Leistung über alle Betriebsbereiche des VVC 152 bereit. Die vorher festgelegte feste Frequenz kann beste Ergebnisse bei einem bestimmten Satz von Betriebsbedingungen bereitstellen, kann jedoch bei anderen Betriebsbedingungen ein Kompromiss sein.
Ein Erhöhen der Schaltfrequenz kann die Welligkeitsstromstärke verringern und Spannungsbelastungen an den Schaltvorrichtungen 206, 208 senken, kann jedoch zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für Worst-Case-Welligkeitsbedingungen ausgewählt sein kann, kann der VVC 152 nur über einen kleinen Anteil der gesamten Betriebszeit unter den Worst-Case-Welligkeitsbedingungen betrieben werden. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, welche die Kraftstoffeffizienz senken können. Zusätzlich 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 auf Grundlage des Tastverhältnisses und des Eingangsstroms zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann die Kraftstoffeffizienz verbessern, indem Schaltverluste reduziert werden und NVH-Probleme reduziert werden, während die Welligkeitsstromziele unter Worst-Case-Betriebsbedingungen eingehalten werden.
Unter Bedingungen mit relativ hohem Strom können die Schaltvorrichtungen 206, 208 einer erhöhten Spannungsbelastung ausgesetzt sein. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es erwünscht sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz auszuwählen, welche die Welligkeitskomponentenstärke bei einem angemessenen Niveau von Schaltverlusten reduziert. Die Schaltfrequenz kann auf Grundlage der Eingangsstromstärke so ausgewählt sein, dass die Schaltfrequenz steigt, wenn die Eingangsstromstärke steigt. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorher festgelegten maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorher festgelegte maximale Schaltfrequenz kann bei einem Pegel liegen, der einen Kompromiss zwischen niedrigeren Welligkeitskomponentenstärken und höheren Schaltverlusten bereitstellt. Die Schaltfrequenz kann in Einzelschritten oder kontinuierlich über den Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu reduzieren, dass der Stromeingang geringer als ein vorher festgelegter maximaler Strom ist. Der vorher festgelegte maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Änderung der Schaltfrequenz kann auf der Stärke des Stromeingangs zu den Schaltvorrichtungen 206, 208 beruhen. Wenn der Strom stärker als der vorher festgelegte maximale Strom ist, kann die Schaltfrequenz auf eine vorher festgelegte maximale Schaltfrequenz festgesetzt werden. Wenn der Strom abnimmt, nimmt die Stärke der Welligkeitskomponente ab. Durch einen Betrieb bei niedrigeren Schaltfrequenzen werden Schaltverluste reduziert, wenn der Strom abnimmt. Die Schaltfrequenz kann auf Grundlage des Leistungseingangs zu den Schaltvorrichtungen variiert werden. Wenn die Eingangsleistung von dem Eingangsstrom und der Batteriespannung abhängig ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom auf eine ähnliche Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom auch von dem Tastverhältnis beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz auf Grundlage des Tastverhältnisses variiert werden. Das Tastverhältnis kann auf Grundlage eines Verhältnisses der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung bestimmt werden. Demnach kann die Schaltfrequenz ebenfalls auf Grundlage des Verhältnisses zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn das Tastverhältnis nahe 50 % liegt, ist die vorhergesagte Welligkeitsstromstärke ein maximaler Wert und die Schaltfrequenz kann auf die vorher festgelegte maximale Frequenz festgesetzt werden. Die vorher festgelegte maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der so ausgewählt ist, dass die Welligkeitsstromstärke minimiert wird. Die Schaltfrequenz kann in Einzelschritten oder kontinuierlich über den Tastverhältnisbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorher festgelegten maximalen Frequenz in Reaktion auf einen Betrag einer Differenz zwischen dem Tastverhältnis und dem Tastverhältniswert (z. B. 50 %), bei dem die vorhergesagte Welligkeitskomponentenstärke maximal ist, zu reduzieren. Wenn der Betrag der Differenz kleiner als ein Schwellenwert ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorher festgelegte Frequenz festgesetzt werden. Wenn der Betrag der Differenz abnimmt, kann die Schaltfrequenz zur vorher festgelegten maximalen Frequenz hin erhöht werden, um die Welligkeitskomponentenstärke zu reduzieren. Wenn der Betrag der Differenz kleiner als ein Schwellenwert ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorher festgelegte maximale Frequenz festgesetzt werden.
Die Schaltfrequenz kann darauf begrenzt werden, dass sie zwischen der vorher festgelegten maximalen Frequenz und einer vorher festgelegten minimalen Frequenz liegt. Die vorher festgelegte minimale Frequenz kann ein Frequenzwert sein, der größer als eine vorher festgelegte Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126 ist, das an einen Ausgang des Wandlers 152 für variable Spannungen gekoppelt ist. Die Schaltfrequenz kann zudem auf dem Gate des IGBT zugeordneter parasitärer Induktivität beruhen.
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 konfiguriert sind, kollektiv als ein Wechselrichter mit einem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 316, 318, 320 betrieben zu werden. Während der Wechselrichter als Dreiphasen-Wandler gezeigt ist, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige beinhalten. Der Wechselrichter kann beispielsweise ein Vierphasen-Wandler, ein Fünfphasen-Wandler, ein Sechsphasen-Wandler usw. sein. Darüber hinaus kann das PEM 126 mehrere Wandler beinhalten, wobei jeder Wechselrichter im PEM 126 drei oder mehr Phasenzweige beinhaltet. Das System 300 kann beispielsweise zwei oder mehr Wechselrichter im PEM 126 steuern. Das PEM 126 kann ferner einen DC/DC-Wandler beinhalten, der Hochleistungsschalter (z. B. IGBTs) aufweist, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls durch Hochsetzen, Tiefsetzen oder eine Kombination davon in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein DC/AC-Wandler sein. Bei Betrieb empfängt der DC/AC-Wandler DC-Leistung durch einen DC-Bus 304 von einer DC-Leistungsverbindung 306 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 Permanentmagnet-Synchronmotor (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM), wie in 3 abgebildet. In einem derartigen Beispiel kann die DC-Leistungsverbindung 306 eine DC-Speicherbatterie beinhalten, um dem DC-Bus 304 DC-Leistung bereitzustellen. In einem anderen Beispiel kann der Wechselrichter als AC/DC-Wandler betrieben werden, der AC-Leistung von der AC-Maschine 114 (z. B. einem Generator) in DC-Leistung umwandelt, die der DC-Bus 304 der DC-Leistungsverbindung 306 bereitstellen kann. Darüber hinaus kann das System 300 das PEM 126 mit anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet jeder der Phasenzweige 316, 318, 320 im 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) beinhalten. Die Dioden aus 3 sind als D_a1 , D_a2 , D_b1 , D_b2 , D_c1 und D_c2 gekennzeichnet, während die IGBTs aus 3 jeweils als S_a1 , S_a2 , S_b1 , S_b2 , S_c1 und S_c2 gekennzeichnet 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 gekennzeichnet ist. Gleichermaßen sind die Leistungsschalter S_b1 , Sb₂ , 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 abhängig von der konkreten Konfiguration des Wechselrichters eine beliebige Anzahl der Leistungsschalter 302 oder Schaltungselemente beinhalten. Die Dioden (D_xx ) sind mit den IGBT (S_xx ) parallel geschaltet, da die Polaritäten für den ordnungsgemäßen Betrieb jedoch umgekehrt sind, wird diese Konfiguration häufig als antiparallel geschaltet bezeichnet. Eine Diode in dieser antiparallelen Konfiguration wird auch als Freilaufdiode bezeichnet.
Wie in 3 veranschaulicht, werden Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c bereitgestellt, um den Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 316, 318, 320 zu erfassen. 3 zeigt die Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c getrennt von dem PEM 126. Die Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c können jedoch je nach seiner Konfiguration als Teil des PEM 126 integriert sein. Die Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c aus 3 sind jeweils mit den Phasenzweigen A, B und C (d. h. den Phasenzweigen 316, 318, 320 in 3) in Reihe installiert und stellen die entsprechenden 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 einer Stromspiegelausgabe konfiguriert ist, die Daten/Signale bereitstellen kann, die i_as , i_bs und i_cs wiedergeben. Die Daten/Signale können eine Richtung eines Stromflusses, eine Stärke des Stromflusses oder sowohl die Richtung als auch die Stärke des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C angeben.
Erneut unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das System 300 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 und in einem flüchtigen und/oder permanenten Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in diskreter Logik, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller oder einer Logik- oder Gateanordnung, die auf einem oder mehreren integrierten Schaltungschips gespeichert ist, codiert 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 so zu steuern, dass 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. Beispielsweise können die Strommuster Muster der Phasenströme i_a , i_b und i_c beinhalten, die in den und weg von dem DC-Bus 304 oder einem DC-Buskondensator 308 fließen. Der DC-Bus-Kondensator 308 aus 3 ist getrennt von dem PEM 126 gezeigt. Der DC-Buskondensator 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. Zusätzlich kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über die verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten in dem PEM 126 speichern. Beispielsweise kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über den 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 sein, auf die durch die Steuerung 310 zugegriffen werden kann.
Wie in 3 veranschaulicht, überträgt die Steuerung 310 mindestens ein Steuersignal 236 an das Leistungswandlersystem 126. Das Leistungswandlersystem 126 empfängt das Steuersignal 322 zum Steuern der Schaltkonfiguration des Wechselrichters und somit des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318 und 320. Bei der Schaltkonfiguration handelt es sich um einen Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 im 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 der jeweiligen Leistungsschalter 302 im Wechselrichter auf Grundlage des Steuersignals 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 den AUS-Zustand zu schalten, und treibt somit den Schaltzustand des jeweiligen Leistungsschalters 302 an. Die Gatespannungen Vg_a1 , Vg_a2 , Vg_b1 , Vg_b2 , Vg_c1 und Vg_c2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und die Eigenschaften der entsprechenden 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 EIN- und AUS-Zustand schalten. Die Steuerung 310 kann den Gateantrieb für den jeweiligen IGBT auf Grundlage 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, wobei 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 im EIN-Zustand befinden, ohne die DC-Leistungsverbindung 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 Stromspiegelfunktion an allen IGBT, einer Teilmenge der IGBT (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 im Drei-Phasen-Wandler, der als „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 den gleichen 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 ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung, die eine Temperaturschätzschaltung aufweist. Der Gatetreiber/Die Steuerschaltung empfängt typischerweise ein Eingangssignal von einem Prozessor, einer Steuerung oder einer anderen Schaltung und der Ausgang/die Ausgänge ist/sind mit (einem) Gate(s) eines/von IGBT(s) verbunden. Das Eingangssignal kann durch eine Pufferstufe, die aus Schaltern (z. B. BJTs oder MOSFETs) besteht, geformt werden. Das Formen kann Puffern, Verzögern, Verstärken oder Anpassen einer/s Anstiegs-/Abfalls-Steigung oder -musters beinhalten.
Die in 4 gezeigte Schaltung verwendet einen Stromtaststift (z. B. einen Stromspiegelstift) eines Festkörperschalters (z. B. eines IGBT), um Hybridfahrzeug-Antriebsstrangsysteme (z. B. einen DC/DC-Wandler/VVC oder einen Traktionswechselrichter) zu betreiben. Wenn während des Betriebs der Laststrom und daher der Spiegelstrom einen Schwellenwert überschreitet (z. B. während eines Kurzschlusses), kann eine Steuerung den Lastschalter deaktivieren. Ebenfalls unter Bezugnahme auf 3 können Stromsensoren des EV/HEV-Traktionswechselrichters oder des EV-/HEV-DC/DC-Wandlers (z. B. die Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c aus 3 oder der Stromsensor 216 aus 2) verwendet werden, um eine Vektorsteuerung der elektrischen Maschine (z. B. 114) bereitzustellen oder eine direkte Drehmomentsteuerung (z. B. Id und Iq) bereitzustellen. Hier ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, den Betrieb des Wechselrichters und des DC/DC-Wandlers auf Grundlage einer Differenz zwischen dem Spiegelstrom des Spiegelschalters und den Stromsensoren des EV/HEV-Traktionswechselrichters oder des EV/HEV-DC/DC-Wandlers (z. B. den Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c aus 3 oder dem Stromsensor 216 aus 2) zu kompensieren.
Das Spannung-über-Widerstand R_S -Signal wird durch eine Signalverarbeitung 406 und eine Isolierschaltung 412 an den Mikroprozessor gesendet. Gleichzeitig empfängt die Steuerung 414 eine Signalausgabe von den Stromsensoren. Das Signal kann analog sein und über einen ADC empfangen werden oder ein digitales Signal sein, das von einem digitalen Eingabe/Ausgabe-Stift 416 empfangen wird. Die Steuerung 414 kann eine IGBT-Sperrschichttemperatur ableiten oder anpassen, indem sie das der Spannung über dem Widerstand Rs zugehörige Signal und das ausgegebene Stromsensorsignal vergleicht. Hier kann das Filtern 406 und die Signalisolierung 412 durch eine digitale Schaltung, wie etwa einen DSP, ausgeführt werden, wobei es sich bei dem Filtern um IIR, FIR oder eine andere Filterart handeln kann.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Antriebsstrangsteuerung und -schaltung 400, die eine Temperaturschätzschaltung aufweist. Die Antriebsstrangsteuerschaltung 400 treibt ein Gate eines IGBT 402 an, der einen Stromspiegel aufweist. Der IGBT 402 weist einen Lastschalter und einen Spiegelschalter auf, wobei der Lastschalter dazu konfiguriert ist, eine Last 408 anzutreiben. Die Last ist in dieser Darstellung so gezeigt, dass sie mit dem Emitter gekoppelt ist, wobei der IGBT 402 als ein High-Side-Schalter verwendet wird; die Last kann jedoch zudem mit dem Kollektor gekoppelt sein, sodass der IGBT 402 als ein Low-Side-Schalter konfiguriert ist. Die Antriebsstrangsteuerschaltung 400 beinhaltet einen Gatetreiberblock 404, der einen Strom zum und vom Gate des IGBT 402 fließen lässt. Der Gatetreiberblock 404 kann Festkörpervorrichtungen (SSDs) beinhalten, wie etwa einen MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET), einen Bipolartransistor (BJT), einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder eine andere Art von gängigem Gatetreiberschalter. Das Steuern des Gateblocks 404 wird durch Steuerlogik 410 durchgeführt, die eine Steuerung 414 (z. B. einen Prozessor, eine Steuerung, einen Mikrocontroller, Kombinationslogik oder eine andere elektrische/elektromechanische Schaltung) beinhaltet, die durch einen Offenschleifen-Filterkomparator 406 angetrieben wird, der einen Signalisolator 412 der Steuerlogik 410 speist. Die Steuerlogik 410 wird ferner durch negative Rückkopplung angepasst, bei der es sich um analoge Signale 418 oder digitale Signale 416 handeln kann. Die analogen Signale 418 oder digitalen Signale 416 können von (einem) Stromsensor(en) (z. B. den Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c aus 3 oder dem Stromsensor 216 aus 2) stammen und werden durch die Steuerung 414 empfangen. Die Steuerung schätzt die IGBT-Sperrschichttemperatur auf Grundlage des Stromsensorsignals und der Stromspiegelausgabe. Die Steuerung kann Schutzmaßnahmen treffen, wenn die Sperrschichttemperatur hoch ist.
Die derzeitige Spiegelstruktur des IGBT 402 ist typischerweise eine mit dem Spiegel-IGBT monolithisch integrierte Vorrichtung, die einen Bruchteil des IGBT-Kollektorstroms i_c fließen lässt. Die Stromspiegelausgabe wird normalerweise verwendet, um Überstrom und/oder Kurzschlussbedingungen zu erfassen. Hier wird die Stromspiegelausgabe verwendet, um den Betrieb des Antriebsstrangs aktiv zu steuern. Die Steuerlogik 410 wird durch den Offenschleifen-Filterkomparator 406 gesteuert, was auf einer Ausgabe des Stromspiegel-Taststifts beruht, der mit einem Erfassungswiderstand Rs verbunden ist, um das Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln. Da das Stromspiegelsignal während Schaltübergängen des IGBT 402 Spitzen aufweisen kann, kann ein RC-Filter verwendet werden, um die Geräusche zu filtern. Hier wird ein Filter durch Rf und Cf gebildet, wobei es sich um einen Tiefpassfilter handelt, bei dem der Filter zu einer Frequenz dämpft, die auf der Frequenzreaktion des Kondensators beruht; in anderen Ausführungsformen kann ein Bandsperrfilter verwendet werden. Die Ausgabe des RC-Filters wird mit einer Referenzspannung Vref verglichen, die einem Strompegelschwellenwert entspricht. Die Referenzspannung kann ein konstanter Wert sein oder sie kann bei Betrieb variieren. Beispielsweise kann die Referenzspannung eine Ausgabe der Steuerung 410 sein (z. B. ein integriertes PWM-Signal oder eine Ausgabe eines D/A-Wandlers) oder die Referenzspannung kann von einem Regulator für variable Spannung stammen, der durch eine Steuerung gesteuert wird. Wenn der Strom einen Schwellenwert überschreitet, gibt der Komparator ein hohes Signal aus, dass die Steuerlogik 410 erfasst, nachdem es einen Signalisolator 412 passiert, und die Steuerung 414 kann ein Signal an den Antriebsstrang und die Gatesteuerlogik 404 ausgeben.
Typischerweise ist der Stromspiegelsensor ein kleiner IGBT, der monolithisch mit dem Haupt-IGBT integriert ist (d. h. chipintern oder Einzelchip). Daher werden Eigenschaften des Stromspiegelsensors durch Änderungen der Temperaturen des kleinen IGBT und des Haupt-IGBT beeinflusst. Wenn eine konstante Vref als Eingabe in den Filterkomparator 416 verwendet wird, wird der Spiegelstromschwellenwert, der verwendet wird, um den Komparator in Block 406 umzuschalten, mit den Änderungen der Temperatur variieren (z. B. wird er bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich sein).
Hier wird eine neue IGBT-Sperrschichttemperaturschätzung unter Verwendung eines Ausgabestromsensors (z. B. eines Wechselrichters oder DC/DC-Wandlers) und eines IGBT-Stromspiegelsensors offenbart. Dieses System kann im Vergleich zum modellbasierten Sperrschichttemperatur-Schätzverfahren eine größere Genauigkeit bereitstellen. Zudem kann dies mit dem modellbasierten Verfahren kombiniert werden. Dieses System kann zudem im Vergleich mit der integrierten Temperaturerfassungsdiode unter Verwendung kostengünstigerer Komponenten umgesetzt werden, was die IGBT-Chip-/Herstellungskosten reduzieren kann. Außerdem verwendet dieses System einen Wechselrichterausgabestromsensor und einen IGBT-Stromspiegelsensor, die es in den meisten Traktionswechselrichtern gibt, wodurch die zusätzlichen Schaltungen auf einen Tiefpassfilter, einen Komparator und einen Signalisolator beschränkt werden können.
Die Schaltung aus 4 setzt das vorgeschlagene Konzept um, bei dem das Ausgangsspannungssignal des IGBT-Stromspiegelsensors V_Rs mit einem Schwellenwert V_ref verglichen wird. V_Rs wird zunächst durch einen Tiefpassfilter gefiltert, der aus R_f und C_f besteht. Wenn der Schwellenwert ausgelöst wird, wird ein Signal an die Steuerlogik 414 (z. B. einen Mikroprozessor, eine Steuerung oder eine Schaltung) gesendet. Gleichzeitig liest die Steuerlogik den Ausgabestromsensor (z. B. die Stromsensoren CS_a , CS_b und CS_c aus 3 oder den Stromsensor 216 aus 2) (z. B. über den ADC (Analog-zu-Digital-Wandler) der Steuerung 420). Eine Differenz des empfangenen Stroms (z. B. des Stromspiegels und der Stromsensoren) entspricht zu diesem Zeitpunkt einer anderen IGBT-Sperrschichttemperatur Tj. Eine beispielhafte theoretische Beziehung zwischen T_j und V_Rs ist in 6 veranschaulicht.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) mit einem Haupt-IGBT 502, einem Stromspiegel-IGBT 504 und einem Erfassungswiderstand 506. Hier ist das interne Schema einer IGBT-Vorrichtung 500 so gezeigt, dass sie einen Haupt-IGBT 502 und einen Spiegel-IGBT 504 in paralleler Verbindung aufweist. Der Emitter-Stift des Spiegel-IGBT 504 ist mit einem Erfassungswiderstand (Rs) 506 verbunden. Wenn eine Spannung über Rs (d. h. VRs) Vref erreicht, kann der Strom, der durch den Spiegelstrom fließt, iSpiegel, durch die nachstehend gezeigte Gleichung 1 wiedergegeben werden: $i_{S p i e g e l_S c h w e l l e n w e r t} = V_{r e f} / R_{s}$
6 ist eine grafische Darstellung 600 eines Kollektorstroms 602 in Bezug auf eine Spannung über einen Kollektor und einen Emitter eines IGBT 604 und eines Spiegelstroms 606 in Bezug auf eine Spannung über einen Kollektor und Emitter einer Spiegelvorrichtung 608, in der die Spiegelvorrichtung monolithisch mit dem IGBT integriert ist. Diese Darstellung zeigt Vce- gegen ic 610-Verläufe und Vce_Spiegel + VRs- gegen iSpiegel 612-Verlaufe bei 150 °C mit Vce gegen ic 614-Verläufen und Vce_Spiegel + VRs- gegen iSpiegel 616-Verläufe bei - 40 °C. Bei einer bestimmten Vce_Spiegel+VRs, die einer Vce entspricht, entspricht ein iSpiegel_Schwellenwert unterschiedlichen ic-Strom-Schwellenwerten bei -40 C und 150 C. Diese unterschiedlichen Stromschwellenwerte sind als iSchwellenwert_-40 C bzw. iSchwellenwert_150 C gezeigt. IGBTs weisen typischerweise einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, wobei sich die Anschaltspannung bei erhöhten Temperaturen verringert, wodurch der Kollektor-zu-Emitter-Strom und somit die Spannung Vce erhöht wird. Bei hohen Strompegeln ist iSchwellenwert_-40 C größer als iSchwellenwert_150 C, wie in der 6 veranschaulicht.
Wenn auf eine traditionelle Gatetreiberschaltung angewendet, würde die Schaltung das schnelle Schalten bei einem höheren Strompegel deaktivieren, wenn die Temperatur niedriger ist. Der Betrieb der traditionellen Gatetreiberschaltung ist nicht bevorzugt, da eine Abschaltdi/dt (z. B. Stoßspannung) bei höheren Strompegeln höher sein kann. Des Weiteren ist eine Vorrichtungsdurchbruchsspannung niedriger bei niedrigen Temperaturen. Um die Temperaturauswirkung auf die Eigenschaften des Spiegel-IGBT zu kompensieren, passt die Schaltung aus 4 Vref für unterschiedliche Temperaturen an. Und verringert Vref insbesondere bei niedrigerer Temperatur, was zu einem niedrigeren Stromschwellenwert bei niedrigeren Temperaturen führt.
Die Steuerlogik oder die durch die Steuerung durchgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme wiedergegeben 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 können. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Wenngleich dies nicht immer ausdrücklich veranschaulicht ist, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass eine/r oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen je nach konkreter verwendeter Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden können. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erzielen, sondern soll der einfacheren Veranschaulichung und Beschreibung dienen. Die Steuerlogik kann hauptsächlich als Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Verbrennungsmotor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik je nach konkreter 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/einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen wiedergeben, der/die von einem Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird/werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe bekannter physischer Vorrichtungen beinhalten, die elektrischen, magnetischen und/oder optischen Speicher nutzen, um ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen zu 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, einschließlich unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Festwertspeicher(Read Only Memory - 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 anderen magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können zudem in einem durch Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, welche durch die Ansprüche umfasst 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 Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie vorstehend 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. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeugantriebsstrang, umfassend: einen Leistungswechselrichter, der Folgendes beinhaltet: einen monolithisch mit einem Spiegelschalter integrierten Lastschalter und einen Stromsensor, der dazu konfiguriert ist, den Strom durch den Lastschalter zu messen, um Stromrückkopplung für eine Vektorsteuerung eines Motors bereitzustellen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Differenz zwischen einem Spiegelstrom des Spiegelschalters und einer Ausgabe des Stromsensors infolge von Temperaturänderungen des Lastschalters den Leistungswechselrichter so zu betreiben, dass eine Temperatur des Lastschalters reduziert wird.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend das Deaktivieren des Lastschalters als Reaktion darauf, dass der Spiegelstrom einen Schwellenwert überschreitet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Betreiben das Reduzieren eines Pulsbreitemodulations-Tastverhältnisses des Lastschalters beinhaltet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Betreiben das Reduzieren eines Drehmomentbedarfs des Antriebsstrangs beinhaltet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Betreiben das Verringern einer Schaltfrequenz des Lastschalters zum Verringern einer Übergangszeit des Lastschalters beinhaltet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Betreiben das Deaktivieren des Schalters und das Bereitstellen von Kraft über einen Verbrennungsmotor beinhaltet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Stromsensor ein Halleffekt-Sensor oder ein Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Sensor ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Differenz auf einer Spiegelschalterspannung beruht, die über einen Widerstand gemessen wird, der den Spiegelstrom senkt.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Lastschalter und der Spiegelschalter Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden (IGBTs) sind.
Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugantriebsstrangs, umfassend: als Reaktion darauf, dass ein Spiegelstrom einen Schwellenwert überschreitet, Deaktivieren eines Wechselrichterschalters, der monolithisch mit einem Spiegelschalter integriert ist, der den Spiegelstrom fließen lässt; Steuern des Antriebsstrangs auf Grundlage eines Signals von einem Wechselrichterstromsensor; und als Reaktion auf eine Differenz zwischen dem Spiegelstrom und dem Signal infolge von Temperaturänderungen des Wechselrichterschalters Betreiben des Antriebsstrangs so, dass eine Temperatur des Wechselrichterschalters reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Steuerung des Fahrzeugantriebsstrangs eine Vektorsteuerung ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner beinhaltend das Filtern des Spiegelstroms.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Betreiben das Reduzieren eines Pulsbreitemodulations-Tastverhältnisses eines Lastschalters des Fahrzeugantriebsstrangs beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Betreiben das Verringern einer Schaltfrequenz eines Lastschalters des Fahrzeugantriebsstrangs zum Verringern einer Übergangszeit des Lastschalters beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Betrieb auf einem modellbasierten Sperrschichttemperaturschätzmodell beruht, das Fehler über die Zeit akkumuliert, wobei das Verfahren ferner das Anpassen des modellbasierten Sperrschichttemperaturschätzmodells auf Grundlage der Differenz umfasst, um die Fehler zu minimieren.