-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrifizierten Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Gate-Ansteuerung eines Halbleitermoduls, sowie einen Wechselrichter mit einer solchen Einrichtung.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Wechselrichter werden in elektrifizierten Fahrzeugen und teilelektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt, um elektrische Energie einer Batterie in Form einer Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Die daraus resultierende Wechselspannung wird dazu genutzt, um eine elektrische Maschine anzutreiben. Beispielsweise wird bei einem Induktionsmotor ein drehphasiger Wechselstrom, der aus der mittels des Wechselrichters generierten Wechselspannung erzeugt wird, mehreren an einem Stator angeordneten Wicklungen eingespeist. Der Wechselstrom erzeugt ein rotierendes Magnetfeld (RMF), welches in mehreren Stromleitungen eines Rotors einen elektrischen Strom induziert. Die Stromleitungen und somit auch der Rotor werden aufgrund der auf sie wirkenden Lorenzkraft in eine Drehbewegung versetzt.
-
Eine Kernkomponente des Wechselrichters stellt die Leistungselektronik dar. Diese umfasst in der Regel mehrere Leistungshalbleiterbauteile, die mittels einer Gate-Spannungsversorgung angesteuert, insbesondere ein- oder ausgeschaltet, werden. Hierbei spielt es eine wichtige Rolle, eine hinreichend hohe, gleichzeitig angemessene Schaltgeschwindigkeit zu erreichen, um Energieverluste zu reduzieren, Überspannungen zu vermeiden sowie Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu beseitigen. Eine zu lange Schaltzeit und die damit einhergehende Verzögerung in der Signalverarbeitung kann zu einer fehlerhaften Gate-Ansteuerung führen, was das Betreiben der E-Maschine erschwert. Eine zu kurze Schaltzeit kann jedoch zu einer überhöhten Induktanz der Leistungshalbleiterbauteile und folglich zum erhöhten Energieverbrauch der Leistungselektronik führen.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Schaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterbauteile durch eine gezielte Änderung des Gate-Widerstands, des Gate-Stroms und der Gate-Versorgungsspannung zu optimieren. Außerdem ist bekannt, die Änderung dieser physikalischen Größen „online“ bzw. im Betrieb zu regeln, sodass eine adaptive Regelung der Schaltgeschwindigkeit realisiert wird.
-
Jedoch sind die aus dem Stand der Technik bekannten Ansätze mit zum Teil nicht hinnehmbaren Nachteilen behaftet. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Gate-Widerstands zwar die Schaltgeschwindigkeit reduzieren, jedoch auch gleichzeitig einen erhöhten Signalverlust verursachen. Eine regelbare Stromquelle kann die Schaltgeschwindigkeit zwar flexibel ansteuern, bedarf jedoch einer leistungsstarken und daher kostspieligen Recheneinheit, um eine zeitgenaue Ansteuerung zu realisieren. Ein weiteres Problem ist das Überladen von im Wechselrichter befindlichen Kondensatoren, die zu einem zeitweisen Überschreiten des maximal erlaubten Wertes der an den Kondensatoren anliegenden elektrischen Spannung und folglich zur Beeinträchtigung deren Funktionalität führen kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Ansteuerung von Leistungshalbleiterbauteilen für einen Wechselrichter bei zumindest gleichbleibender Funktionalität zu optimieren.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls gemäß Anspruch 1, ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 9 sowie einen Wechselrichter gemäß Anspruch 10.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung dient zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls. Das Leistungsmodul ist dazu geeignet, in einer Leistungselektronik eines Wechselrichters verwendet zu werden. Die Steuereinrichtung umfassend eine Signalgebereinheit und eine Recheneinheit. Die Signalgebereinheit ist zwischen der Recheneinheit und einer Gate-Elektrode eines Halbleiterbauteils des Leistungsmoduls geschaltet, um basierend auf einem Gate-Strom-Signal der Recheneinheit einen Gate-Strom in die Gate-Elektrode einzuspeisen. Die Signalgebereinheit umfasst vorzugsweise eine Endstufe, zum Beispiel eine Gegentaktendstufe. Die Recheneinheit umfasst vorzugsweise einen Mikrocontroller und/oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA).
-
Die Einrichtung weist außerdem einen elektrischen Schalter auf, der zwischen der Signalgebereinheit und einer Source- oder Drain-Elektrode des Halbleiterbauteils angeordnet ist. Der Schalter dient dazu, in einem geschlossenen Zustand eine Stromleitung zwischen der Signalgebereinheit und der Source- oder Drain-Elektrode zu ermöglichen und in einem geöffneten Zustand die Stromleitung durchzutrennen. Der Schalter umfasst vorzugsweise einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und/oder einen Hochelektronenbeweglichkeitstransistor (HEMT). Der Schalter kann ein so genanntes Wide-Bandgap-Semiconductor-Material, beispielsweise SiC und/oder GaN, aufweisen.
-
Wenn der Schalter geöffnet ist, fließt zwischen der Signalgebereinheit und der Source- bzw. Drain-Elektrode des Halbleiterbauteils kein elektrischer Strom. Der von der Recheneinheit vorgegebene Gate-Strom fließt vollständig durch die Gate-Elektrode des Halbleiterbauteils. Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt der Gate-Strom teilweise durch die Gate-Elektrode, teilweise jedoch durch die Source- bzw. Drain-Elektrode des Halbleiterbauteils. Auf diese Weise kann der durch die Gate-Elektrode fließende Strom abgezweigt und daher reduziert werden, sodass die elektrische Spannung, die an einem oder mehreren im Halbleiterbauteil befindlichen Kondensatoren anliegt, reduziert wird. Hierdurch kann eine zu hohe Spannung an dem bzw. den Kondensatoren verhindert werden, die zur Beeinträchtigung des Halbleiterbauteils führen kann. Die Funktionalität des Leistungsmoduls ist somit aufrechterhalten.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Schalter mittels der Recheneinheit und/oder einer Strommesseinheit, die zum Messen eines durch das Halbleiterbauteil fließenden elektrischen Stroms dient, betätigbar.
-
Der Schalter wird somit basierend auf einem Steuersignal, welches die Recheneinheit bzw. die Strommesseinheit erzeugt, geschlossen und/oder geöffnet. Dies gewährleistet ein schnelles Schalten des Schalters und somit eine rechtzeitige Verhinderung von zu hohen Spannungen an dem bzw. den Kondensatoren im Halbleiterbauteil.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, basierend auf vordefinierten Charakterisierungsdaten des Halbleitermoduls einen Zeitpunkt zum Schließen und/oder Öffnen des Schalters zu bestimmen.
-
Die Charakterisierungsdaten sind durch Charakterisieren des Halbleitermoduls gewonnen und können beispielsweise Herstellerdaten umfassen. Die Charakterisierungsdaten können in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) einer I-U-Kennlinie oder einer mathematischen Funktion vorliegen. Diese Maßnahme ermöglicht ein sicheres Schalten des Schalters, sodass die Funktionalität des Leistungsmoduls aufrechterhalten bleibt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die vordefinierten Charakterisierungsdaten eine vordefinierte Obergrenze einer an einem Kondensator des Halbleiterbauteils anzulegenden elektrischen Spannung.
-
Alternativ können die vordefinierten Charakterisierungsdaten eine vordefinierte Obergrenze eines Drain-Source-Stroms enthalten. Unter Berücksichtigung der Spannungs- bzw. Stromobergrenze kann ein Durchbrennen des Halbleiterbauteils wirksam verhindert werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die vordefinierten Charakterisierungsdaten eine vordefinierte Untergrenze einer an einem Kondensator des Halbleiterbauteils anzulegenden elektrischen Spannung.
-
Alternativ können die vordefinierten Charakterisierungsdaten eine vordefinierte Untergrenze eines Drain-Source-Stroms enthalten. Eine zu niedrigere Spannung an den Kondensatoren bzw. ein zu geringerer Drain-Source-Strom kann zum erhöhten Energieverbrauch des Halbleiterbauteils führen. Diese Maßnahme verhindert einen solchen Nachteil.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die vordefinierten Charakterisierungsdaten eine vordefinierte Retardierungsdauer.
-
Die vordefinierte Retardierungsdauer ist auf Störprozesse in der Signalverarbeitung des Leistungsmoduls zurückzuführen. Ursächlich für derartige Störprozesse können Defektstellen, z.B. Verunreinigungen und/oder kristallographische Versetzungen, in den verwendeten Halbleitermaterialien sein. Aufgrund der Retardierung wird die Drain-Source-Spannung beim Schalten des Schalters nicht sofort ihren Endwert erreichen. Aus den Charakterisierungsdaten kann die Zeitdauer ermittelt werden, die die Drain-Source-Spannung benötigt, um ab dem Zeitpunkt des Schaltens (Öffnen bzw. Schließen) eine vordefinierte Obergrenze oder Untergrenze zu erreichen. Diese Zeitdauer ist die vordefinierte Retardierungsdauer. Zugleich kann der Wert der Drain-Source-Spannung (Spannungsschwellenwert), nach dessen Erreichen die Drain-Source-Spannung zusätzlich die vordefinierte Retardierungsdauer benötigt, um die vordefinierte Obergrenze bzw. Untergrenze zu erreichen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Einrichtung ferner eine Strommesseinheit zum Messen eines Drain-Source-Stroms und/oder eine Pegelvergleichseinheit zum Vergleichen des Drain-Source-Stroms mit einem vordefinierten Schwellenwert.
-
Als Stromschwellenwert kann vorzugsweise der Wert des Drain-Source-Stroms festgelegt werden, der dem obigen Spannungsschwellenwert entspricht. Wenn der Schalter während Ansteigen des Drain-Source-Stroms betätigt wird, wird dieser vorzugsweise in einem Zeitpunkt betätigt, wenn der Drain-Source-Strom unter dem Stromschwellenwert liegt oder diesen gerade erreicht. Wenn der Schalter während Sinken des Drain-Source-Stroms betätigt wird, wird dieser vorzugsweise in einem Zeitpunkt betätigt, wenn der Drain-Source-Strom über dem Stromschwellenwert liegt oder diesen gerade erreicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Einrichtung ferner eine Reduktionseinheit zum Reduzieren eines Drain-Source-Stroms, wobei die Reduktionseinheit zwischen dem elektrischen Schalter und der Source- oder Drain-Elektrode geschaltet ist.
-
Die Reduktionseinheit kann z.B. eine Feedback-Messeinheit. Insbesondere einen Stromspiegel, aufweisen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass kein zu hoher Strom durch das Halbleiterbauteil fließt, sodass dessen Funktionalität nicht beeinträchtigt wird.
-
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Drain-Source-Spannung-Strom-Kennlinie; und
- 5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Drain-Source-Stromverlaufs und eines Gate-Spannungsverlaufs.
-
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung 10 zur Gate-Ansteuerung eines Leistungsmoduls 30 gemäß einer Ausführungsform. Die Einrichtung 10 umfasst eine Signalgebereinheit 12 und eine Recheneinheit 14, wobei die Signalgebereinheit 12 die Recheneinheit 14 und eine Gate-Elektrode 34 eines Halbleitermoduls 32 des Leistungsmoduls 30 verbindet. Die Signalgebereinheit 12 ist in der Lage, basierend auf einem Steuersignal der Recheneinheit 14 die Gate-Elektrode 34 anzusteuern, insbesondere eine entsprechende Gate-Spannung bzw. einen entsprechenden Gate-Strom anzulegen.
-
Die Einrichtung 10 umfasst ferner einen elektrischen Schalter 16, der zwischen der Signalgebereinheit 12 und einer Drain-Elektrode 36 des Halbleitermoduls 32 geschaltet ist. Der Schalter 16 ist außerdem mit der Recheneinheit 14 signaltechnisch verbunden sodass der Schalter 16 mittels der Recheneinheit 14 betätigbar ist. Wenn der Schalter 16 geschlossen ist, kann ein elektrischer Strom zwischen der Signalgebereinheit 12 und der Drain-Elektrode 36 fließen. Wenn der Schalter 16 geöffnet ist, ist die Stromleitung durchtrennt.
-
Zwischen dem Schalter 16 und der Drain-Elektrode 36 ist zusätzlich eine Reduktionseinheit 20 geschaltet, die dazu dient, den Drain-Source-Strom zu begrenzen, sodass das Halbleitermodul vor überbeströmungsbedingten Beeinträchtigungen geschützt ist.
-
Zusätzlich ist ein Strommesseinheit 18 vorgesehen, die zwischen der Source-Elektrode 38 und der Recheneinheit 14 geschaltet ist und den Drain-Source-Strom misst.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung 10 zur Gate-Ansteuerung des Leistungsmoduls 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform darin, dass der elektrische Schalter 16 nicht mittels der Recheneinheit 14, sondern der Strommesseinheit 18 betätigbar ist. Dies bedeutet, dass der Schalter 16 auf Basis eines Steuersignals, welches die Strommesseinheit 18 erzeugt, geöffnet und/oder geschlossen werden kann.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung 10 zur Gate-Ansteuerung des Leistungsmoduls 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform darin, dass eine Strommesseinheit 19 zum Bereitstellen eines Drain-Source-Stroms des Halbleitermoduls 32, 33 vorgesehen ist, wobei der Drain-Source-Strom mittels einer Pegelvergleichseinheit 22 mit einem vordefinierten Stromschwellenwert verglichen wird. Basierend auf dem Vergleich wird der Schalter 16 betätigt.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Drain-Source-Spannung-Strom-Kennlinie 41.
-
Es handelt sich bei der Drain-Source-Spannung-Strom-Kennlinie (DS-IV-Kennlinie) 41 um eine mittels Charakterisierung des Halbleitermoduls 32, 33 erhaltene IV-Kennlinie 41. Drei Spannungswerte U1, U2, U3 und drei dazugehörige Stromwerte 11, 12, l3 der IV-Kennlinie 41 sind in 4 hervorgehoben. Ein oberer Spannungswert U1 stellt die Obergrenze der DS-Spannung dar. Ein unterer Spannungswert U3 stellt eine Untergrenze der DS-Spannung dar. Ein mittlerer Spannungswert U2 stellt eine DS-Spannung dar, nach deren Erreichen die DS-Spannung eine für das verwendete Halbleitermodul 32, 33 charakteristische Retardierungszeit benötigt, um die Obergrenze U1 bzw. die Untergrenze U3 zu erreichen, wenn der Schalter 16 zum Zeitpunkt des Erreichens von U2 betätigt (geschlossen bzw. geöffnet) wird.
-
Der von der Strommesseinheit 18, 19 gemessene Stromwert wird daher vorzugsweise mit dem mittleren Stromwert l2 als Stromschwellenwert verglichen. Wenn der gemessene Strom den Stromschwellenwert l2 erreicht, wird der Schalter 16 betätigt. Nach der vorbestimmten Retardierungszeit erreicht der Drain-Source-Strom den Zielwert l1 bzw. 13.
-
5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Drain-Source-Stromverlaufs 40 und eines Gate-Spannungsverlaufs 42.
-
Der Drain-Source-Stromverlauf 40 ist beispielsweise ein Sinus-Verlauf als Funktion der Zeit t. Der Gate-Spannungsverlauf 42 ist beispielsweise ein Rechtecksignal. Zu einem Zeitpunkt t1 wird der Schalter 16 geschlossen, sodass ein Teil des von der Signalgebereinheit 12 erzeugten Stroms durch den Schalter 16 und schließlich in die Drain-Elektrode 36 fließt. Dies führt zu einem Drain-Source-Spannungsverhalten, welches in einer Teilfigur (A) veranschaulicht ist. Zum Vergleich veranschaulicht eine weitere Teilfigur (B) das Drain-Source-Spannungsverhalten, wenn der Schalter 16 nicht geschlossen wird. Die Drain-Source-Spannung Ub aus Teilfigur (B) zeigt einen höheren Spitzenwert als die Drain-Source-Spannung Ua aus Teilfigur (A). Somit ist dargelegt, dass das Vorsehen des elektrischen Schalters 16 in der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 10 zu einer reduzierten Drain-Source-Spannung, somit auch zu einer reduzierten Spannung an den im Halbleitermodul 32, 33 befindlichen Kondensatoren führt. Die Funktionalität des Leistungsmoduls 30 ist daher aufrechterhalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Einrichtung
- 12
- Signalgebereinheit
- 14
- Recheneinheit
- 16
- Schalter
- 18, 19
- Strommesseinheit
- 20
- Reduktionseinheit
- 22
- Pegelvergleichseinheit
- 30
- Leistungsmodul
- 32, 33
- Halbleitermodul
- 34
- Gate-Elektrode
- 36
- Drain-Elektrode
- 38
- Source-Elektrode
- 40
- Drain-Source-Stromverlauf
- 41
- Drain-Source-Spannung-Strom-Kennlinie
- 42
- Gate-Spannungsverlauf
