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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung von Schaltverlusten von zumindest zwei komplementären, resonant betriebenen Halbleiterschaltern zumindest einer Schaltbrücke eines Leistungsmoduls für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Regelungsvorrichtung, ein Leistungsmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf leistungselektronische Topologien bzw. Leistungsmodule, welche beispielsweise im Automobilbereich eingesetzt werden können. Solche Leistungsmodule können beispielsweise Stromrichter sein und als Inverswandler, PFC-Schaltungen, Resonanzwandler, Inverter, etc. ausgebildet sein. Die Leistungsmodule weisen dabei üblicherweise zumindest zwei aktiv schaltende Bauelemente bzw. Halbleiterschalter in Halb- oder Vollbrückenkonfiguration zum Schalten von passiven induktiven Lasten, beispielsweise Energiespeicher im Wandler oder Wicklungen in einem Elektromotor, auf. Solche aktiv schaltenden Bauelemente können feldgesteuerte bzw. spannungsgesteuerte Transistoren, beispielweise Feldeffekttransistoren (FETs), sein. Zur effizienten Optimierung der Leistungsdichte eines Leistungsmoduls ist es wünschenswert, den für das Leistungsmodul im Kraftfahrzeug bereitzustellenden Bauraum, die Systemkosten sowie die Verlustleistung zu minimieren.
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Die von den Halbleiterschaltern abgegebene Verlustleistung setzt sich dabei insbesondere aus statischen Leitverlusten und transienten Schaltverlusten zusammen. Während die statischen Leitverluste in Phasen eines voll ausgesteuerten stationären Transistors vergleichsweise einfach zu beschreiben sind, müssen zum Charakterisieren der transienten Schaltverluste komplexe physikalische Effekte in dem Halbleiter und in der Peripherie bei transienten Schaltvorgängen berücksichtigt werden. Da schaltungstechnisch nur bis zu einem gewissen Grad Einfluss auf die Schaltverluste genommen werden kann, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Schaltverluste regelungstechnisch zu beeinflussen, nämlich über das Auffinden von verlustoptimalen Schaltbedingungen. Solche verlustoptimalen Schaltbedingungen können beispielsweise durch sogenanntes Schalten bei Nullspannung (ZVS- „Zero Voltage Switching“) bzw. resonantes Schalten erreicht werden. Dazu können verlustoptimale Schaltzeitpunkte, zu welchen die Transistoren mittels einer abgestimmten Stelleinrichtung geschaltet werden, bestimmt werden.
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In der
DE 10 2014 111 109 A1 ist dazu eine PFC-Schaltung mit einer Reglerschaltung beschrieben. Die PFC-Schaltung umfasst ferner einen Induktor, dem eine Eingangsspannung und ein Eingangsstrom zugeführt werden, einen Halbleiterschalter mit einem in Reihe mit dem Induktor geschalteten Laststromweg und einen mit dem Induktor gekoppelten Ausgangsanschluss, der eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom bereitstellt. Die Reglerschaltung ist zum Regeln des zyklischen Schaltvorgangs des Halbleiterschalters ausgebildet. Dazu überwacht die Reglerschaltung ein Rückkopplungssignal, das den Spannungsabfall über den Laststromweg des Halbleiterschalters repräsentiert, und detektiert wenigstens ein lokales Minimum im Rückkopplungssignal, während der Halbleiterschalter ausgeschaltet ist. Der Halbleiterschalter wird ansprechend auf das Detektieren des N-ten lokalen Minimums im Rückkopplungssignal eingeschaltet. N ist dabei eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 und wird in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung und/oder dem Ausgangsstrom bestimmt. Nach Verstreichen einer einstellbaren Einschaltzeit wird der Halbleiterschalter ausgeschaltet.
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Die
US 2010/0118573 A1 offenbart einen Regler zur Verwendung in einer PFC-Schaltung. Der Regler umfasst eine PFC-Reglerschaltung zum Einschalten und Ausschalten eines Schalters sowie eine Schaltfrequenz-Einstelleinrichtung zum Ausgeben eines Schaltfrequenzsignals für die PFC-Steuerschaltung, wobei das Schaltfrequenzsignal in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Lastbedingungen einer an die PFC-Schaltung angeschlossenen Last bestimmt wird.
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Aus dem Stand der Technik ergibt sich der Nachteil, dass eine messtechnische Detektion von verlustoptimalen Schaltzeitpunkten nur indirekt möglich ist. Vielmehr werden diese über semi-prädiktive Modelle bestimmt, welche die Kenntnis weiterer schaltungstechnischer Parameter voraussetzen. Wie in allen modellbasierten prädiktiven Ansätzen können nämlich nur solche physikalischen Effekte Berücksichtigung finden, deren zugrunde liegenden Mechanismen und Parameter ausreichend exakt beschrieben vorliegen. Dies limitiert in der Praxis sowohl semi-prädiktive Modelle mit Messgrößenrückführung als auch rein prädiktive Modelle in ihrer Genauigkeit und damit in ihrer Effektivität, tatsächliche verlustminimale Schaltbedingungen zu erzielen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie verlustoptimale Schaltbedingungen einer Schaltbrücke eines Leistungsmoduls für ein Kraftfahrzeug zum verlustoptimalen Betreiben der Schaltbrücke auf einfache und zuverlässige Weise bestimmt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Regelungsvorrichtung, ein Leistungsmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Minimierung von Schaltverlusten von zumindest zwei komplementären, resonant betriebenen Halbleiterschaltern zumindest einer Schaltbrücke eines Leistungsmoduls für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren wird für einen Einschaltvorgang eines jeweiligen Halbleiterschalters einem Steuereingang des einzuschaltenden Halbleiterschalters unter Berücksichtigung einer Totzeit der Schaltbrücke ein Einschaltsignal zugeführt. Nach Zuführen des Einschaltsignals wird ein Wert eines totzeitabhängigen und schaltverlustabhängigen Indikationssignals erfasst, welches während des Einschaltvorgangs an den Steuereingang des Halbleiterschalters rückgekoppelt wird. Der Wert des Indikationssignals wird auf einen mit minimalen Schaltverlusten korrespondierenden und einen einsetzenden Gradienten kennzeichnenden Kipppunkt geregelt. Dazu wird die Totzeit für zumindest einen weiteren Einschaltvorgang des jeweiligen Halbleiterschalters angepasst.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Regelungsvorrichtung für ein Leistungsmodul eines Kraftfahrzeugs, welche zur Minimierung von Schaltverlusten von zumindest zwei komplementären, resonant betriebenen Halbleiterschaltern zumindest einer Schaltbrücke des Leistungsmoduls ausgelegt ist. Dazu umfasst die Regelungsvorrichtung für zumindest einen Halbleiterschalter eine Stelleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, für einen Einschaltvorgang eines jeweiligen Halbleiterschalters einem Steuereingang des einzuschaltenden Halbleiterschalters unter Berücksichtigung einer Totzeit der Schaltbrücke ein Einschaltsignal zuzuführen. Außerdem kann die Regelungsvorrichtung eine Messeinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, nach Zuführen des Einschaltsignals einen Wert eines totzeitabhängigen, schaltverlustabhängigen und während des Einschaltvorgangs an den Steuereingang des Halbleiterschalters rückgekoppelten Indikationssignals zu erfassen. Ferner kann die Regelungsvorrichtung einen Regler aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, den Wert des Indikationssignals auf einen mit minimalen Schaltverlusten korrespondierenden und einen einsetzenden Gradienten kennzeichnenden Kipppunkt zu regeln und dazu die Totzeit für zumindest einen weiteren Einschaltvorgang des jeweiligen Halbleiterschalters anzupassen.
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Das Leistungsmodul ist insbesondere ein Stromrichter, beispielsweise eine PFC-Schaltung, welche beispielsweise in einem Ladegerät für einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs angeordnet sein kann. Das Leistungsmodul umfasst dabei zumindest eine Schaltbrücke, welche durch zumindest zwei spannungsgesteuerte Halbleiterschalter bzw. Leistungsschalter in Brückenkonfiguration, beispielweise Halbbrücken- oder Vollbrückenkonfiguration, gebildet ist. Solche Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren auf Siliziumbasis oder auf Basis sogenannter „Wide-Bandgap“-Materialien, wie Silizium-Carbid (SiC) oder Gallium-Nitrid (GaN), sein. Transistoren auf Basis von „Wide-Bandgap“-Materialien werden auch als High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT) bezeichnet. Die Halbleiterschalter bzw. Transistoren weisen einen Steuereingang bzw. Gate-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss auf.
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Die Schaltbrücke ist dabei zwischen zwei Klemmen eines Zwischenkreises geschaltet. Eine Last, welche durch die Halbleiterschalter geschaltet wird, ist mit einem Punkt bzw. einer Ausgangsklemme zwischen den zwei Halbleiterschaltern elektrisch verbunden. Um einen bestimmten Arbeitspunkt für die Last bereitzustellen, werden die zumindest zwei Halbleiterschalter durch eine Stelleinrichtung, welche als ein Gate-Treiber bzw. eine Treiberschaltung ausgebildet ist, nach einem vorbestimmten Schaltmuster geöffnet und geschlossen. Die Stelleinrichtung, welche mit dem Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des zu schaltenden Halbleiterschalters verbunden ist, kann dem Steuereingang dazu ein entsprechendes Schaltsignal zum Öffnen oder Schließen zuführen.
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Um Schaltverluste während des Schaltens der Halbleiterschalter zumindest zu minimieren, sollen die Halbleiterschalter resonant betrieben werden. Das bedeutet, dass die Halbleiterschalter zu verlustoptimalen Schaltzeitpunkten geschaltet werden. Die Schaltzeitpunkte sind insbesondere dann optimal, wenn die Ausgangsspannung bzw. Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters vor dem Einschalten bereits null oder zumindest minimal ist, da dann eine parasitäre Ausgangskapazität des Halbleiterschalters nicht oder nur kaum geladen ist. Zum Bereitstellen der verlustoptimalen Schaltzeitpunkte wird eine verlustoptimale Totzeit bestimmt. Die Totzeit ist dabei ein Zeitraum zwischen einem Ausschaltzeitpunkt des einen Halbleiterschalters und einem Einschaltzeitpunkt des anderen Halbleiterschalters. Während der Totzeit ist also keiner der zumindest zwei Halbleiterschalter der Schaltbrücke eingeschaltet. Das Schalten des Halbleiterschalters nach der verlustoptimalen Totzeit ist also eine verlustoptimale Schaltbedingung.
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Zum Bestimmen der verlustoptimalen Totzeit für einen aktuellen Arbeitspunkt wird, nachdem dem Steuereingang des einzuschaltenden Halbleiterschalters das Einschaltsignal zugeführt wurde, das Indikationssignal am Steuereingang abgegriffen und ausgeleitet. Das Indikationssignal ist dabei ein Rückkopplungssignal, welches eine schaltverlustabhängige Reaktion des Halbleiterschalters auf das Einschaltsignal charakterisiert und an dem Steuereingang des eingeschalteten Halbleiterschalters messbar ist. Der Wert des Indikationssignals ist also abhängig von den Schaltverlusten und damit von der Totzeit der Schaltbrücke. Daher kann die Totzeit für weiteren Einschaltvorgänge derart angepasst werden, dass sich der Wert des Indikationssignals auf einen mit minimalen Schaltverlausten korrespondierenden Kipppunkt einregelt.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass der Kipppunkt in dem arbeitspunkt- und totzeitabhängigen Indikationssignal mit einem Minimum in dem arbeitspunkt- und totzeitabhängigen Schaltverlustverlauf korrespondiert. Anders ausgedrückt weist das Indikationssignal zu derjenigen Totzeit, bei welcher der Schaltverlustverlauf ein Minimum aufweist, einen Kipppunkt auf. Der Kipppunkt bezeichnet dabei den Punkt eines in dem Indikationssignal einsetzenden Gradienten. Die Totzeit kann dazu verwendet werden, das Indikationssignal auf den Kipppunkt einzuregeln. Die Totzeit wird durch Anpassen des Einschaltzeitpunktes verändert bzw. nachgeführt und für den nächsten Einschaltvorgang des Halbleiterschalters vorgegeben, sodass der Wert des daraufhin ausgekoppelten Indikationssignals dem Kipppunkt entspricht bzw. dem Kipppunkt angenähert wird.
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Durch das eingangsseitige Erfassen und Auswerten des Indikationssignals kann direkt und ohne Modellbildung auf die aktuellen Schaltverluste in der Schaltbrücke geschlossen werden. Durch Verändern der Totzeit kann direkt Einfluss auf das Indikationssignal und damit auf die Schaltverluste genommen werden. Mittels des Verfahrens können die Schaltverluste in dem Leistungsmodul auf einfache Weise in einem geschlossenen Regelkreislauf minimiert werden.
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Besonders bevorzugt wird als Indikationssignal am Steuereingang des eingeschalteten Halbleiterschalters ein aus einem negativen Spannungsgradienten während des Einschaltvorgangs resultierendes Messsignal erfasst, wobei der negative Spannungsgradient aus einem Anstieg einer parasitären Kapazität des Halbleiterschalters nach einem Einschaltvorgang resultiert. Insbesondere wird von einem Messkondensator als Messsignal ein aus dem negativen Spannungsgradienten resultierendes Stromsignal erfasst. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zu einem geometrisch bedingten Anstieg der parasitären Kapazitäten des Halbleiterschalters kommt, wenn an dem Halbleiterschalter die Ausgangsspannung bzw. Drain-Source-Spannung auf null abfällt, also die verlustoptimale Schaltbedingung erreicht ist. Solche parasitären Kapazitäten sind beispielsweise eine Gate-Source-, eine Gate-Drain- und eine Drain-Source-Kapazität. Der Kapazitätsanstieg korreliert also direkt mit dem Erreichen der verlustoptimalen Schaltbedingung im einschaltenden Transistor. Wenn nämlich der Halbleiterschalter vor Erreichen der optimalen Schaltbedingung eingeschaltet wird und die Drain-Source-Spannung erst dann auf null abfällt, so kommt es aufgrund des Kapazitätsanstiegs an einer Pull-Up-Impedanz in der Stelleinrichtung zu einem kurzzeitigen Spannungseinbruch bzw. einem negativen Spannungsgradienten. Dieser negative Spannungsgradient induziert über die eingangsseitig mit dem Steuereingang verbundene Messkapazität der Messeinrichtung der Regelungsvorrichtung einen Stromfluss. Dieser Stromfluss, insbesondere dessen Integral, kann als primäres Messsignal für die Bestimmung der verlustoptimalen Totzeit dienen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Stromsignal über einen induktiven Messwandler zum galvanischen Trennen der Schaltbrücke von einer Auswerteeinheit, durch welche der Wert des Indikationssignals bestimmt wird, übertragen. Der induktive Messwandler bzw. Messtransformator der Messeinrichtung der Regelungsvorrichtung dient zur Potentialwandlung der Halbbrücken-Zwischenkreisspannung zu der, beispielsweise massebezogenen, Auswerteeinheit. Durch den induktiven Messwandler kann in vorteilhafter Weise das von dem Messkondensator ausgegebene Stromsignal in ein für die Auswerteeinheit geeignetes Stromsignal gewandelt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Stromsignal über einen Messwiderstand in einen Spannungspuls umgewandelt, welcher zum Bestimmen des Wertes des Indikationssignals an die Auswerteeinheit übermittelt wird. Insbesondere wird das von dem induktiven Messwandler übertragene Stromsignal in den Spannungspuls umgewandelt und für die weitere Signalauswertung mittels eines Verstärkers verstärkt. Die Auswerteeinheit führt insbesondere eine Analog-Digital-Wandlung durch, wobei die von der Auswerteeinheit ausgegebenen Daten von dem Regler verwendet werden, um sich im jeweiligen Arbeitspunkt stets am Kipppunkt des Indikationssignals einzuregeln.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zumindest ein Störsignal aus einem an dem Steuereingang des eingeschalteten Halbleiterschalters erfassten Gesamtsignal, welches das Indikationssignal und das zumindest eine Störsignal aufweist, eliminiert wird. Solche Störsignale können beispielsweise positive Spannungsgradienten, welche Signalflanken des Einschaltsignals sind, sowie negative Spannungsgradienten bedingt durch einen Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters sein. Die Störsignale können dem eigentlichen Indikationssignal in dem Gesamtsignal vorauseilen, nachfolgen und/oder es überlagern. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Störsignal durch Gleichrichten des Gesamtsignals eliminiert wird. Insbesondere wird das von dem Messkondensator ausgegebene Stromsignal gleichgerichtet, um nur den mit dem Kapazitätsanstieg korrespondierenden negativen Spannungsgradienten auszukoppeln, nicht jedoch Störsignale in Form von Schaltflanken des Einschaltsignals.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das Indikationssignal und das das Messsignal überlagernde Störsignal mittels eines Verzögerungselementes zeitlich voneinander separiert werden und das Störsignal mittels eines Abtast-Halte-Glieds aus den zeitlich separierten Signalen eliminiert wird. Das Verzögerungselement ist insbesondere eine auf die Schaltbrücke abgestimmte Induktivität und dient dazu, die hohen Spannungsgradienten bzw. Schaltflanken des Schaltvorgangs des Halbleiterschalters zeitlich vom eigentlichen Indikationssignal zu trennen. Die Verzögerung erfolgt insbesondere vor dem Zuführen des Messsignals an den induktiven Messwandler. Somit kann mittels des Verzögerungselementes unabhängig von einer parasitären Wicklungskapazität des Messwandlers ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis sichergestellt werden. Durch das Verzögerungselement werden also zwar sowohl die Schaltflanke des Schaltvorgangs sowie das Indikationssignal an die messtechnische Aufbereitung weitergegeben, jedoch in vorteilhafter Weise mit überschneidungsfreiem zeitlichem Versatz.
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Das Abtast-Halte-Glied ist der Auswerteeinheit und somit der Analog-Digital-Wandlung vorgeschaltet. Das Abtast-Halte-Glied weist insbesondere einen Kondensator sowie zumindest einen elektronischen Schalter auf, über dessen Taktung Abtast- und Haltephasen des Abtast-Halte-Glieds eingestellt werden können. Dem Abtast-Halte-Glied wird dabei das von dem Messwiderstand in den Spannungspuls umgewandelte Gesamtsignal, welches das Indikationssignal und zumindest ein Störsignal umfasst, zugeführt. Die Taktung des zumindest einen elektronischen Schalters kann dabei in Abhängigkeit von bekannten Schaltzeitpunkten des Halbleiterschalters sowie einer Zeitkonstante des Verzögerungselementes bestimmt werden. Das durch das Abtast-Halte-Glied ausgegebene Indikationssignal wird dann der Auswerteeinheit zugeführt.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Schaltbrücke aufweisend zumindest zwei komplementäre, spannungsgesteuerte Halbleiterschalter sowie mit einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführungsform davon. Das Leistungsmodul ist insbesondere als ein Stromrichter in Form von einer PFC-Schaltung, einem Inverswandler, eine Wechselrichter oder dergleichen ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein, welches eine Traktionsbatterie umfasst. Das Leistungsmodul kann beispielsweise in ein Ladegerät des Kraftfahrzeugs integriert sein.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung, für das erfindungsgemäße Leistungsmodul sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Schaltbrücke einer Schaltbrücke eines Leistungsmoduls mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes, welches die Schaltverluste eines Halbleiterschalters darstellt;
- 3 eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes, welches ein zu den Schaltverlusten korrespondierendes Indikationssignal darstellt.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Leistungsmodul 1 für ein hier nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Das Leistungsmodul 1 kann beispielsweise ein Stromrichter sein und eine Vielzahl von zwischen einer positiven Klemme K1 und einer negativen Klemme K2 eines eingangsseitigen Zwischenkreises parallel geschalteten Schaltbrücken 2 aufweisen. Die hier gezeigte Schaltbrücke 2 dient zum Schalten einer ausgangsseitigen induktiven Last L und weist dazu zwei komplementäre, seriell geschaltete Halbleiterschalter S1, S2 auf, wobei die induktive Last L an eine Ausgangsklemme A zwischen den zwei Halbleiterschaltern S1, S2 angeschlossen ist. Die Halbleiterschalter S1, S2 sind insbesondere als Transistoren ausgebildet, beispielsweise als Feldeffekttransistoren auf Siliziumbasis oder als High-Electron-Mobility-Transistoren. Jeder Halbleiterschalter S1, S2 weist einen Steuereingang G bzw. Gate-Anschluss auf, über welchen der Halbleiterschalter S1, S2 angeschaltet oder ausgeschaltet werden kann, um einen Stromfluss zwischen einem Source-Anschluss S und einem Drain-Anschluss D zu steuern.
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Zum Erhöhen eines Wirkungsgrades des Leistungsmoduls 1 ist es wünschenswert, unter anderem die Schaltverluste der Halbleiterschalter S1, S2 zu minimieren. Um die transienten Schaltverluste bei transienten Schaltvorgängen charakterisieren zu können, müssen auftretende komplexe physikalische Effekte in den Halbleiterschaltern S1, S2 und in deren Peripherie berücksichtigt werden. Maßgeblich Einfluss auf die Schaltverluste der Halbleiterschalter S1, S2 nimmt dabei die sogenannte Totzeit der Schaltbrücke 2. Totzeiten bzw. Timings sind ein zeitlicher Versatz bei der Ansteuerung der komplementären Halbleiterschalter S1, S2 in Halb- oder Vollbrückenkonfiguration. Anders ausgedrückt ist die Totzeit ein Zeitraum zwischen einem Ausschaltzeitpunkt des einen Halbleiterschalters, beispielsweise des ersten Halbleiterschalters S1, und einem Einschaltzeitpunkt des anderen Halbleiterschalters, beispielsweise des zweiten Halbleiterschalters S2.
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Während Totzeiten kleiner oder gleich null zu Brückenkurzschlüssen und irreversibler Zerstörung der Halbleiterschalter S1, S2 führen können, verursachen unnötig große positive Totzeiten Quasi-Leitverluste in einem Rückwärtsleitpfad des einschaltenden Halbleiterschalters S1, S2. Während man in hart schaltenden Topologien üblicherweise zu minimal vertretbaren Totzeiten kurz vor dem Brückenkurzschluss angehalten ist, existiert für resonante Topologien, wie die hier gezeigte Schaltbrücke 2, betriebs- und parameterabhängig jeweils eine verlustoptimale Totzeit für ein verlustoptimales Schalten, beispielsweise ein Nullspannungsschalten bzw. resonantes Schalten. Beim verlustoptimalen Schalten wird verhindert, dass während des Schaltens parasitäre Kapazitäten des Halbleiterschalters S1, S2 über den Halbleiterschalter S1, S2 entladen werden und dadurch hohe Stromspitzen erzeugen. Solche parasitären Kapazitäten treten insbesondere zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S, zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Drain-Anschluss S und zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S auf. Die Summe aus der Gate-Source-Kapazität und der Gate-Drain-Kapazität wird als Eingangskapazität Ciss bezeichnet und die Summe aus der Drain-Source-Kapazität und der Drain-Gate-Kapazität wird als Ausgangskapazität Coss bezeichnet.
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Zum verlustoptimalen, resonanten Betreiben des Halbleiterschalter S1, S2 weist das Leistungsmodul 1 eine Regelungsvorrichtung 3 auf, welche neben der Arbeitspunktregelung, beispielsweise der Regelung der Ausgangsspannung des Leistungsmoduls 1, dazu ausgelegt ist, durch Vorgeben einer verlustoptimalen Totzeit für die Halbleiterschalter S1, S2 die Schaltverluste der Halbleiterschalter S1, S2 zu minimieren. Dabei werden insbesondere die Einschaltzeitpunkte der Halbleiterschalter S1, S2 in Abhängigkeit von der verlustoptimalen Totzeit geregelt. Die Regelungsvorrichtung 3 ist dazu ausgelegt, für die resonant betriebene Schaltbrücke 2 ein direkt rückführbares Regelungssignal zu generieren, auszuleiten und aufzubereiten, dessen charakteristischer Verlauf die zur Schaltverlustminimierung notwendigen Totzeiten, insbesondere ohne ein semi-prädiktives Modell der Schaltbrücke 2 berechenbar macht.
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Dazu weist die Regelungsvorrichtung 3 hier für jeden Halbleiterschalter S1, S2 eine Stelleinrichtung 4 auf, welche zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters S1, S2 ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 4 ist als ein Gate-Treiber ausgebildet und mit dem Steuereingang G des zugeordneten Halbleiterschalters S1, S2 verbunden. Die Stelleinrichtung 4 kann als eine feldgesteuerte Treiberstufe mit einem Pull-Up-Widerstand Rp ausgestaltet sein und beispielsweise einen PMOS oder einen NMOS umfassen. Zum Einschalten des Halbleiterschalters S1, S2 führt die Stelleinrichtung 4 dem Steuereingang G ein Einschaltsignal zu einem bestimmten Einschaltzeitpunkt zu. Zum Erkennen, ob der Einschaltzeitpunkt einem Einschaltzeitpunkt nach einer verlustoptimalen Totzeit entspricht, wird nach Zuführen des Einschaltsignals von einer Messeinrichtung 5 der Regelungsvorrichtung 3 ein Indikationssignal an dem Steuereingang G des eingeschalteten Halbleiterschalters S1, S2 abgegriffen. Das Indikationssignal stellt ein Rückkopplungssignal dar, welches durch den Halbleiterschalter S1, S2 als Reaktion auf das Zuführen des Einschaltsignals generiert wird und an dem Steuereingang G messbar ist.
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Wenn an einem spannungsgesteuerten Transistor nämlich die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S auf null abfällt und damit die verlustoptimale ZVS-Schaltbedingung erfüllt ist, so kommt es zu einem geometrisch bedingten Anstieg von parasitären Kapazitäten des jeweiligen eingeschalteten Halbleiterschalters S1, S2. Der Kapazitätsanstieg korreliert also direkt mit dem Erreichen der verlustoptimalen Schaltbedingung im einschaltenden Halbleiterschalter S1, S2. Wird der Halbleiterschalter S1, S2 jedoch vor Erreichen der ZVS-Bedingung eingeschaltet bzw. ist ein zum Gate-Anschluss G führender Pfad bereits vor Erreichen der ZVS-Bedingung aktiv, kommt es an dem Pull-Up-Widerstand Rp der Stelleinrichtung 4 zu einem kurzzeitigen Spannungseinbruch. Dieser negative Spannungsgradient, welcher das Indikationssignal darstellt, induziert über einer im Gatepfad platzierten Messkapazität Cm einen Stromfluss. Anders ausgedrückt, ist der Spannungseinbruch, welcher auf die nichtoptimale Schaltbedingung hinweist, in Form von dem Stromfluss an der Messkapazität Cm messbar. Die Messkapazität Cm liegt insbesondere in der Größenordnung der Eingangskapazität Ciss des Halbleiterschalters S1, S2. Ein Integral des Stromsignals kann als primäres Messsignal für die weitere Signalaufbereitung und Signalausleitung verwendet werden.
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Dabei kann es vorkommen, dass an dem Steuereingang ein Gesamtsignal erfasst wird, welches Störsignale sowie das Indikationssignal aufweist. Um den zu dem Indikationssignal korrespondierenden negativen Spannungsgradienten auszukoppeln und die Störsignale zumindest teilweise zu eliminieren, wird der über der Messkapazität Cm induzierte Stromfluss gleichgerichtet und selektiv in einen induktiven Messwandler 6 bzw. Messtransformator eingespeist. Dieser stellt die Potentialwandlung von einer Spannung des Zwischenkreises zu einer massebezogenen Auswerteeinheit 7 der Messeinrichtung 5 sicher. Um die hohen Spannungsgradienten bzw. Schaltflanken des Schaltvorgangs des Halbleiterschalters S1, S2 vom eigentlichen Indikationssignal zu trennen und unabhängig von einer parasitären Kapazität (Inter-Winding-Kapazität) des Messwandlers 6 ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sicherzustellen, wird das Indikationssignal über ein Verzögerungselement 8 verzögert. Das Verzögerungselement 8 ist hier eine Spule mit einer Induktivität im Bereich µH. Damit werden zwar sowohl die Schaltflanke des Schaltvorgangs, welche ein Störsignal darstellt, sowie das Indikationssignal an die messtechnische Aufbereitung weitergegeben, jedoch mit überschneidungsfreiem zeitlichem Versatz.
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Um nun selektiv das Indikationssignal zu verstärken, wird der von dem Messtransformator 6 ausgegebene Strom über einen Messwiderstand Rm in einen Spannungspuls umgewandelt und, durch einen Operationsverstärker 9 mit hoher Bandbreite verstärkt, einem Abtast-Halte-Glied 10 zugeführt. Das Abtast-Halte-Glied 10 weist beispielsweise einen Kondensator auf, welcher durch eine entsprechende Taktung von elektronischen Schaltern des Abtast-Halte-Glieds 10 nur mit dem eingekoppelten Indikationssignal geladen wird. Ein dem Indikationssignal vorauseilendes Störsignal sowie ein dem Indikationssignal nachfolgender negativer Spannungsgradient am Gate-Anschluss G bedingt durch den Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters S1, S2 werden daher herausgefiltert bzw. abgeleitet. Die notwendige Taktung leitet sich aus den bekannten Schaltzeitpunkten des jeweiligen Halbleiterschalters S1, S2 sowie der festen Zeitkonstante des Verzögerungselementes 8 ab. Somit steht das Messsignal für eine folgende Analog-Digital-Wandlung in der Auswerteeinheit 7 unverfälscht und ausreichend lange zur Verfügung und kann danach zu einem beliebigen Zeitpunkt vor dem nächsten Schaltvorgang wieder zurückgesetzt werden. Die Messschaltung, welche das Messsignal erfasst und an die Auswerteeinheit weitergibt, erfüllt somit die Funktion eines selektiven, rückstellbaren Integrators. Hier umfasst die Messschaltung eine Verschaltung der Messkapazität Cm, des Verzögerungselementes 8, des Messwandlers 6, des Messwiderstands Rm, des Operationsverstärkers 9 und des Abtast-Halte-Glieds 10.
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Dieses digitalisierte Messsignal wird nun durch einen Regler 11 der Regelungsvorrichtung 3 ausgewertet, welcher anhand des Indikationssignals überprüft, ob die verlustoptimale Schaltbedingung für den jeweiligen Halbleiterschalter S1, S2 erfüllt ist, und welcher gegebenenfalls die Totzeit zum Erfüllen der verlustoptimalen Schaltbedingung anpasst und der Stelleinrichtung 4 für einen weiteren Einschaltvorgang des entsprechenden Halbleiterschalters S1, S2 bereitstellt. Die Stelleinrichtung 4 führt dann bei dem weiteren Einschaltvorgang des Halbleiterschalters S1, S2 dem Gate-Anschluss G das Einschaltsignal zu dem mit der verlustoptimalen Totzeit korrespondierenden Einschaltzeitpunkt zu.
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In 2 ist ein erstes Kennlinienfeld 12 gezeigt, welches die arbeitspunkt- und totzeitabhängigen Schaltverluste P eines Halbleiterschalters S1, S2 abbildet. Dazu sind schematisch drei Kennlinien 12a, 12b, 12c für unterschiedliche Arbeitspunkte, beispielsweise für unterschiedliche Ströme, gezeigt, wobei jede Kennlinie 12a, 12b, 12c die Abhängigkeit der Schaltverluste P (Ordinate, logarithmisch skaliert) von der Totzeit tD (Abszisse) angibt. Die gestrichelte vertikale Linie 13 gibt eine Totzeit tD von 0 s an, welche nicht erreicht und unterschritten werden sollte, um Brückenkurzschlüsse zu vermeiden. Bei einer ersten Totzeit tD1 weist die erste Kennlinie 12a ein Schaltverlustminimum Ma auf, bei einer zweiten Totzeit tD2 weist die zweite Kennlinie 12b ein Schaltverlustminimum Mb auf und bei einer dritten Totzeit tD3 weist die dritte Kennlinie 12c ein Schaltverlustminimum Mc auf.
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3 illustriert ein zweites Kennlinienfeld 14, welches das arbeitspunkt- und totzeitabhängige Indikationssignal I abbildet. Dazu sind schematisch drei Kennlinien 14a, 14b, 14c für dieselben Arbeitspunkte wie in 2 gezeigt, wobei jede Kennlinie 14a, 14b, 14c die Abhängigkeit zwischen dem Indikationssignal I (Ordinate) und der Totzeit tD (Abszisse) charakterisiert. Dabei weist die erste Kennlinie 14a bei der ersten Totzeit tD1 einen ersten Kipppunkt Xa auf, die zweite Kennlinie 14b weist bei der zweiten Totzeit tD2 einen zweiten Kipppunkt Xb auf und die dritte Kennlinie 14c weist bei der dritten Totzeit tD3 einen dritten Kipppunkt Xc auf. Die Kipppunkte X1a, Xb, Xc kennzeichnen einen in dem Indikationssignal I einsetzenden Gradienten. Anhand von 2 und 3 ist also stets eine eindeutige Korrelation von Schaltverlustminimum Ma, Mb, Mc mit dem Einsetzen eines Gradienten im Indikationssignal I erkennbar. Daher ist die Totzeit tD1, tD2, tD3, bei welcher das Indikationssignal I einen Kipppunkt Xa, Xb, Xc aufweist, diejenige Totzeit tD1, tD2, tD3, bei welcher die Schaltverluste minimal sind. Der Regler 11 verwendet die Daten aus der Analog-Digital-Wandlung, um das Indikationssignal I durch Anpassen der Totzeit t im jeweiligen Arbeitspunkt stets am Kipppunkt Xa, Xb, Xc einzuregeln. Mittels der Regelungsvorrichtung 3 kann trotz umfangreicher Berücksichtigung von Nichtidealitäten und Parasitärbehaftungen eine robuste Detektion und Verarbeitung eines Indikatorsignals für minimale Schaltverluste erfolgen. Durch das verlustminimale Betreiben kann eine Effizient des Leistungsmoduls 1 gesteigert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungsmodul
- 2
- Schaltbrücke
- 3
- Regelungsvorrichtung
- 4
- Stelleinrichtung
- 5
- Messeinrichtung
- 6
- induktiver Messwandler
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Verzögerungselement
- 9
- Operationsverstärkers
- 10
- Abtast-Halte-Glied
- 11
- Regler
- 12
- Erstes Kennlinienfeld
- 12a, 12b, 12c
- Kennlinien
- 13
- Linie
- 14
- zweites Kennlinienfeld
- 14a, 14b, 14c
- Kennlinien
- S1, S2
- Halbleiterschalter
- K1, K2
- Klemme
- L
- induktive Last
- A
- Ausgangsklemme
- G
- Gate-Anschluss
- D
- Drain-Anschluss
- S
- Source-Anschluss
- Cm
- Messkapazität
- Rm
- Messwiderstand
- Rp
- Pull-Up-Widerstand
- P
- Schaltverluste
- I
- Indikationssignal
- tD, tD1, tD2, tD3
- Totzeit
- Ma, Mb, Mc
- Schaltverlustminima
- Xa, Xb, Xc
- Kipppunkte
- V
- Gesamtsignal
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111109 A1 [0004]
- US 2010/0118573 A1 [0005]
