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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronik, die zumindest eine Kommutierungsschaltung und eine durch die Kommutierungsschaltung bestromte/bestrombare Last aufweist, wobei die Kommutierungsschaltung einen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst, wobei die Diode und die Last parallel zueinander mit dem Halbleiterschalter verbunden sind, wobei im Anschluss an ein Leitendschalten des Halbleiterschalters ein in der Diode bewirkter elektrischer Rückstrom überwacht wird, und wobei in Abhängigkeit von dem Rückstrom eine Temperatur einer Sperrschicht der Diode bestimmt wird.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik mit einer derartigen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Leistungshalbleiter, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter oder Dioden, einer Leistungselektronik sind im Betrieb der Leistungselektronik enormen Belastungen ausgesetzt. Um die Leistungshalbleiter vor thermischer Überlastung zu schützen, wird häufig eine Temperatur der Leistungshalbleiter beziehungsweise der Leistungselektronik bestimmt und die Leistungselektronik in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur betrieben.
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Zum Bestimmen der Temperatur ist es bekannt, NTC-Temperatursensoren in die Leistungselektronik zu integrieren. Außerdem ist es bekannt, eine temperaturabhängige elektrische Halbleitereigenschaft eines Leistungshalbleiters der Leistungselektronik zu ermitteln und die Temperatur des Leistungshalbleiters in Abhängigkeit von der ermittelten temperaturabhängigen elektrischen Halbleitereigenschaft zu bestimmen. Beispielsweise handelt es sich bei der Durchlassspannung eines Leistungshalbleiters um eine derartige temperaturabhängige elektrische Halbleitereigenschaft.
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Aus der Veröffentlichung „Online High-Power p-i-n Diode Junction Temperature Extraction With Reverse Recovery Fall Storage Charge", IEEE Trans, on Power Electronics, pp. 2558-2567, April 2017 (Luo et al.) geht ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronik der eingangs genannten Art hervor. Die Leistungselektronik umfasst dabei eine Kommutierungsschaltung und eine durch die Kommutierungsschaltung bestromte/bestrombare Last. Die Kommutierungsschaltung weist einen Halbleiterschalter und eine Diode auf, wobei die Diode und die Last parallel zueinander mit dem Halbleiterschalter verbunden sind. Der Halbleiterschalter und die Diode bilden insofern eine Kommutierungsschaltung aus, als dass ein in Durchlassrichtung durch die Diode fließender elektrischer Strom im Anschluss an ein Leitendschalten des Halbleiterschalters auf den Halbleiterschalter kommutiert. Das bedeutet, dass ein Stromwert des durch die Diode fließenden Stroms abnimmt und ein Stromwert eines durch den Halbleiterschalter fließenden elektrischen Stroms zeitgleich zunimmt, wobei ein Stromwert eines durch die Last fließenden Laststroms konstant bleibt beziehungsweise durch die Kommutierung nicht beeinflusst wird. Gemäß Luo et al. wird im Anschluss an das Leitendschalten des Halbleiterschalters ein in der Diode bewirkter elektrischer Rückstrom überwacht. Unter einem Rückstrom ist dabei ein elektrischer Strom zu verstehen, der entgegen der Durchlassrichtung einer Diode durch die Diode fließt. Der Rückstrom kommt dadurch zustande, dass im Anschluss an einen in Durchlassrichtung der Diode fließenden Strom restliche Ladungsträger in einer Raumladungszone der Diode vorhanden sind, und dass diese aus der Raumladungszone entfernt werden. Gemäß Luo et al. wird zum Überwachen des Rückstroms eine mit dem Rückstrom korrespondierende elektrische Spannung einer parasitären Induktivität der Kommutierungsschaltung während des Auftretens des Rückstroms gemessen, und es wird in Abhängigkeit von einer Amplitude eines Spannungsverlaufs der Spannung der parasitären Induktivität als Temperatur der Leistungselektronik die Temperatur der Sperrschicht der Diode bestimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Temperatur der Sperrschicht der Diode zuverlässig ermittelt wird. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass ein Zeitintervall ermittelt wird, das mit einem ersten Zeitpunkt, an dem der Halbleiterschalter leitend geschaltet wird beginnt, und das mit einem ermittelten zweiten Zeitpunkt, an dem der in der Diode bewirkte Rückstrom einen Extremalwert aufweist, endet, wobei die Temperatur der Sperrschicht der Diode in Abhängigkeit von dem Zeitintervall bestimmt wird. Die Temperatur der Sperrschicht der Diode wird also in Abhängigkeit von einer Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt bestimmt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Temperatur der Sperrschicht der Diode mit dem Zeitintervall beziehungsweise der Zeitdauer korrespondiert. Bei dem Zeitintervall handelt es sich demnach um eine temperaturabhängige elektrische Halbleitereigenschaft. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Zeitpunkt um einen ermittelten Zeitpunkt. Vorzugsweise wird als erster Zeitpunkt der Zeitpunkt ermittelt, an dem ein Betrag einer an einem Gate des Halbleiterschalters anliegenden elektrischen Spannung einen Gatespannungs-Schwellenbetrag übersteigt. Dabei wird der Gatespannungs-Schwellenbetrag derart vorgegeben, dass der Halbleiterschalter mit Überschreiten des Gatespannungs-Schwellenbetrags von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand übergeht. Alternativ dazu wird der erste Zeitpunkt vorzugsweise in Abhängigkeit von einem durch den Halbleiterschalter fließenden elektrischen Strom ermittelt. Beispielsweise wird der erste Zeitpunkt dann ermittelt, wenn ein Stromwert des durch den Halbleiterschalter fließenden Stroms einen vorgegebenen Schwellen-Stromwert übersteigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Spannungsverlauf einer an der Diode anliegenden elektrischen Spannung zumindest während des Auftretens des Rückstroms überwacht wird, wobei der zweite Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem Spannungsverlauf ermittelt wird. Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Spannungsverlauf der an der Diode anliegenden elektrischen Spannung mit dem in der Diode bewirkten elektrischen Rückstrom korrespondiert. Somit ist der zweite Zeitpunkt, also der Zeitpunkt, an dem der in der Diode bewirkte Rückstrom den Extremalwert aufweist, in Abhängigkeit von dem Spannungsverlauf ermittelbar. Es handelt sich hierbei um eine technisch einfache Ausgestaltung des Verfahrens. Alternativ dazu wird ein Stromverlauf eines durch die Diode fließenden elektrischen Stroms ermittelt beziehungsweise erfasst, wobei dann der zweite Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem Stromverlauf ermittelt wird.
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Vorzugsweise wird als zweiter Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt ermittelt, an dem ein Betrag der an der Diode anliegenden Spannung einen vorgegebenen Spannungs-Schwellenbetrag im Anschluss an das Leitendschalten des Halbleiterschalters übersteigt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass den Stromverlauf definierende, erfasste Spannungswerte direkt mit dem Schwellenbetrag beziehungsweise Spannungs-Schwellenbetrag verglichen werden. Daraus ergibt sich eine software-technisch unkomplizierte Durchführbarkeit des Verfahrens. Die Größe des Spannungs-Schwellenbetrags wird dabei zumindest derart vorgegeben, dass ein durch ein Signalrauschen des Spannungsverlaufs bewirkter Extremalwert unterhalb des Spannungs-Schwellenbetrags liegt.
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Vorzugsweise wird als zweiter Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt ermittelt, an dem ein Betrag einer Steigung des Spannungsverlaufs einen vorgegebenen Steigungs-Schwellenbetrag im Anschluss an das Leitendschalten des Halbleiterschalters übersteigt. Der zweite Zeitpunkt wird also in Abhängigkeit von einem Ausmaß einer Spannungsänderung der an der Diode anliegenden elektrischen Spannung ermittelt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auf das Erfassen von Absolutwerten der Spannung verzichtet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als zweiter Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt ermittelt wird, an dem der Betrag der an der Diode anliegenden Spannung den vorgegebenen Spannungs-Schwellenbetrag im Anschluss an das Leitendschalten des Halbleiterschalters übersteigt und/oder an dem der Betrag der Steigung des Spannungsverlaufs den vorgegebenen Steigungs-Schwellenbetrag im Anschluss an das Leitendschalten des Halbleiterschalter übersteigt. Insbesondere wird als zweiter Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt ermittelt, an dem beide der oben genannten Bedingungen vorliegen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit eines irrtümlichen Ermittelns des zweiten Zeitpunkts verringert wird. Alternativ dazu wird insbesondere als zweiter Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt ermittelt, an dem nur eine der beiden Bedingungen vorliegt. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Verfahrens gesteigert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperatur der Sperrschicht der Diode in Abhängigkeit von einem insbesondere vor dem Leitendschalten des Halbleiterschalters durch die Diode fließenden Laststrom bestimmt wird. Unter dem durch die Diode fließenden Laststrom ist dabei ein durch die Diode fließender elektrischer Strom zu verstehen, dessen Stromwert einem Stromwert des zeitgleich durch die Last fließenden Laststroms entspricht. Es wird davon ausgegangen, dass der durch die Diode fließende Laststrom beziehungsweise der Stromwert dieses Stroms den Extremalwert des Rückstroms beziehungsweise den Zeitpunkt zu dem der Extremalwert des Rückstroms auftritt, beeinflusst. Durch das Berücksichtigen des durch die Diode fließenden Laststroms wird demnach die Genauigkeit beim Bestimmen der Temperatur der Sperrschicht der Diode gesteigert.
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Vorzugsweise wird die Temperatur der Sperrschicht der Diode in Abhängigkeit von einer an der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisspannung bestimmt. Bei der Zwischenkreisspannung handelt es sich um die elektrische Spannung, die durch eine mit der Leistungselektronik verbundene Strom- oder Spannungsquelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, bereitgestellt wird. Es wird davon ausgegangen, dass auch die an der Leistungselektronik anliegende Zwischenkreisspannung den Extremalwert des Rückstroms beziehungsweise den Zeitpunkt, zu dem der Extremalwert des Rückstroms auftritt, beeinflusst. Durch das Berücksichtigen der Zwischenkreisspannung wird demnach die Genauigkeit beim Bestimmen der Temperatur der Sperrschicht der Diode gesteigert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperatur der Sperrschicht der Diode in Abhängigkeit von dem insbesondere vor dem Leitendschalten des Halbleiterschalters durch die Diode fließende Laststrom einerseits und in Abhängigkeit von der an Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisspannung andererseits bestimmt wird. Durch das Berücksichtigen beider der oben genannten Faktoren wird die Genauigkeit beim Bestimmen der Temperatur der Sperrschicht der Diode weiter gesteigert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronik, die zumindest eine Kommutierungsschaltung und eine durch die Kommutierungsschaltung bestromte/bestrombare Last aufweist, wobei die Kommutierungsschaltung einen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst, wobei die Diode und die Last parallel zueinander mit dem Halbleiterschalter verbunden sind, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 9 dadurch aus, dass die Vorrichtung als Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Leistungselektronik, die zumindest eine Kommutierungsschaltung und eine durch die Kommutierungsschaltung bestromte/bestrombare Last aufweist, wobei die Kommutierungsschaltung einen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst, wobei die Diode und die Last parallel zueinander mit dem Halbleiterschalter verbunden sind, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 10 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus den zuvor beschriebenen ersten Ansprüchen.
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Vorzugsweise umfasst die Leistungselektronik zumindest eine zweite Kommutierungsschaltung, die einen zweiten Halbleiterschalter und eine zweite Diode aufweist, wobei die Leistungselektronik eine Gleichspannungsquelle aufweist, mit der beide der Kommutierungsschaltungen elektrisch verbunden sind. Die Vorrichtung ist dann vorzugsweise dazu ausgebildet, sowohl die Temperatur der Sperrschicht der Diode als auch die Temperatur der Sperrschicht der zweiten Diode zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der Kommutierungsschaltungen als Halbbrücke ausgebildet. Zur Ausbildung einer der Kommutierungsschaltungen als Halbbrücke ist dem Halbleiterschalter der Kommutierungsschaltung eine antiparallele Diode zugeordnet und der Diode der Kommutierungsschaltung ein antiparalleler Halbleiterschalter. Vorzugsweise bilden die Kommutierungsschaltung und die zweite Kommutierungsschaltung gemeinsam eine Halbbrücke aus. In diesem Fall ist die zweite Diode antiparallel zu dem Halbleiterschalter geschaltet und die Diode antiparallel zu dem zweiten Halbleiterschalter.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik ist vorgesehen, dass der Halbleiterschalter als IGBT, MOSFET, JFET, BJT oder HEMT ausgebildet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Leitendschalten einfach, verschleißfrei und ohne hohen Energieaufwand erfolgt. Bei dem Halbleiterschalter handelt es sich insbesondere um einen selbstleitenden Halbleiterschalter. Alternativ dazu handelt es sich um einen selbstsperrenden Halbleiterschalter.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigen
- 1 ein Schaltbild einer Leistungselektronik,
- 2 ein Diagramm, in dem ein durch eine Diode der Leistungselektronik fließender elektrischer Strom und eine an der Diode anliegende elektrische Spannung dargestellt sind und
- 3 ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur der Diode.
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1 zeigt ein Schaltbild einer Leistungselektronik 1. Die Leistungselektronik 1 weist eine Kommutierungsschaltung 2 und eine Last L mit einem Widerstandsteil RL auf. Die Kommutierungsschaltung 2 weist eine Diode 3 und einen Halbleiterschalter 4 auf. Dabei sind die Diode 3 und die Last L parallel zueinander mit dem Halbleiterschalter 4 verbunden. Außerdem sind die Diode 3 und der Halbleiterschalter 4 vorliegend antiseriell miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Diode 3 und der Halbleiterschalter 4 derart in der Kommutierungsschaltung 2 angeordnet sind, dass eine Durchlassrichtung der Diode 3 entgegen einer Durchlassrichtung des leitenden Halbleiterschalters 4 ausgerichtet ist. Vorliegend handelt es sich bei der Diode 3 um ein separates Bauteil. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Diode 3 um eine Body-Diode eines beispielsweise als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalters. Bei dem Halbleiterschalter 4 handelt es sich beispielweise um einen IGBT, MOSFET, JFET, BJT oder HEMT, also einen aktiv ein- und ausschaltbaren Halbleiterschalter.
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Die Leistungselektronik 1 ist mit einer Gleichspannungsquelle 5 verbunden. Die Polung der Gleichspannungsquelle 5 ist derart gewählt, dass sich bei ausgeschaltetem, also nichtleitendem, Halbleiterschalter 4 kein Stromfluss in der Kommutierungsschaltung 2 ausbildet. Hierzu ist der Diode 3 ein Pluspol 6 der Gleichspannungsquelle 5 zugeordnet und dem Halbleiterschalter 4 ein Minuspol 7 der Gleichspannungsquelle 5.
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2 zeigt ein Diagramm, in dem ein Stromverlauf ID eines durch die Diode 3 fließenden elektrischen Stroms dargestellt ist. Vor einem Zeitpunkt t0 entspricht ein Stromwert des durch die Diode 3 fließenden Stroms einem Stromwert eines durch die Last L fließenden Laststroms. Unmittelbar im Anschluss an den Zeitpunkt t0 übersteigt ein Betrag einer an einem Gate des Halbleiterschalters 4 anliegenden elektrischen Spannung einen Gatespannungs-Schwellenbetrag des Halbleiterschalters 4. Der Halbleiterschalter 4 ist demnach im Anschluss an den Zeitpunkt t0 elektrisch leitend. Infolgedessen kommutiert ab dem Zeitpunkt t0 der durch die Diode 3 fließende elektrische Strom auf den Halbleiterschalter 4. Das bedeutet, dass zwischen dem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 der Stromwert des durch die Diode 3 fließenden elektrischen Stroms abnimmt. Zeitgleich nimmt ein Stromwert eines durch den Halbleiterschalter 4 fließenden elektrischen Stroms zu. An dem Zeitpunkt t1 ist der Stromwert des durch die Diode 3 fließenden Stroms 0. Im Anschluss an den Zeitpunkt t1 werden restliche in einer Raumladungszone der Diode 3 vorhandene Ladungsträger aus der Raumladungszone entfernt. Hierdurch wird im Anschluss an den Zeitpunkt t1 ein elektrischer Rückstrom, also ein entgegen der Durchlassrichtung der Diode 3 durch die Diode 3 fließender elektrischer Strom, in der Diode 3 bewirkt. Der Rückstrom weist zu einem Zeitpunkt t2 einen Extremalwert Imax, in diesem Fall ein Minimum, auf. Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t0, an dem der Halbleiterschalter 4 leitend geschaltet wird beziehungsweise leitend wird, und dem Zeitpunkt t2, an dem der in der Diode 3 bewirkte Rückstrom den Extremalwert Imax aufweist, ist abhängig von einer Temperatur einer Sperrschicht der Diode 3. Bei dem Zeitintervall handelt es sich also um eine temperaturabhängige elektrische Halbleitereigenschaft. Somit ist die Temperatur der Sperrschicht der Diode 3 in Abhängigkeit von dem Zeitintervall ermittelbar.
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In 2 ist außerdem ein Spannungsverlauf VAK einer an der Diode 3 anliegenden elektrischen Spannung dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist ein Spannungswert der an der Diode 3 anliegenden elektrischen Spannung bis zu dem Zeitpunkt t2 im Wesentlichen konstant. Im Bereich des Zeitpunkts t2 ändert sich der Spannungswert zügig von dem bislang konstanten Spannungswert auf einen betragsgrößeren und mit einfachen Mitteln erfassbaren Spannungswert. Somit ist der Zeitpunkt, zu dem der Rückstrom den Extremalwert aufweist, durch Überwachen des Spannungsverlaufs der an der Diode 3 anliegenden Spannung ermittelbar.
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3 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen der Temperatur der Sperrschicht der Diode 3 anhand eines Flussdiagramms. In einem Schritt S1 wird die an dem Gate des Halbleiterschalters 4 anliegende elektrische Spannung überwacht. Wird in dem Schritt S1 festgestellt, dass ein Betrag der an dem Gate anliegenden Spannung einen Gatespannungs-Schwellenbetrag übersteigt, so wird in einem Schritt S2 der Zeitpunkt, an dem der Betrag der an dem Gate anliegenden Spannung den Gatespannungs-Schwellenbetrag übersteigt als Startsignal beziehungsweise als erster Zeitpunkt ermittelt.
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In einem Schritt S3 wird der Spannungsverlauf VAK der an der Diode 3 anliegenden elektrischen Spannung überwacht. Wird in dem Schritt S3 festgestellt, dass ein Betrag der an der Diode 3 anliegenden Spannung einen vorgegebenen Spannungs-Schwellenbetrag übersteigt, so wird in einem Schritt S4 der Zeitpunkt, an dem der Betrag der an der Diode 3 anliegenden Spannung den Spannungs-Schwellenbetrag übersteigt als Stoppsignal beziehungsweise als zweiter Zeitpunkt ermittelt. Alternativ oder zusätzlich dazu wird das Vorliegen des zweiten Zeitpunkts ermittelt, wenn ein Betrag einer Steigung des Spannungsverlaufs VAK einen vorgegebenen Steigungs-Schwellenbetrag übersteigt.
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In einem Schritt S5 wird das Zeitintervall beziehungsweise die Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt t0 und dem zweiten Zeitpunkt t2 ermittelt.
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In einem Schritt S6 wird ein Stromwert des durch die Last L beziehungsweise durch die Diode 3 fließenden Laststroms bereitgestellt. In einem Schritt S7 wird ein Spannungswert einer Zwischenkreisspannung, also der elektrischen Spannung zwischen dem Pluspol 6 und dem Minuspol 7 der Gleichspannungsquelle 5, bereitgestellt.
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In einem Schritt S8 wird letztlich die Temperatur der Sperrschicht der Diode 3 ermittelt. Dies geschieht gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitintervall, dem Stromwert des durch die Diode 3 fließenden Laststroms und dem Spannungswert der Zwischenkreisspannung.
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Mit Bezug auf 1 weist die Leistungselektronik 1 eine Vorrichtung 8 auf. Die lediglich schematisch dargestellte Vorrichtung 8 ist dazu ausgebildet, das Verfahren zum Bestimmen der Temperatur der Sperrschicht der Diode 3 durchzuführen. Hierzu ist die Vorrichtung 8 kommunikationstechnisch mit Messeinrichtungen verbunden, die der Vorrichtung 8 den Spannungswert der an der Diode 3 anliegenden Spannung, den Spannungswert der Zwischenkreisspannung, und den Stromwert des durch die Diode 3 fließenden Laststroms bereitstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Online High-Power p-i-n Diode Junction Temperature Extraction With Reverse Recovery Fall Storage Charge“, IEEE Trans, on Power Electronics, pp. 2558-2567, April 2017 (Luo et al.) [0006]
