DE102019217098A1 - Control unit for determining a dead time for power electronic switches - Google Patents
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Abstract
Steuergerät (10) zur Ansteuerung einer Halbbrücke (30) eines Fahrzeugleistungsmoduls, umfassend eine Eingangseinheit (12) zum Erhalten eines Betriebsparameters der Halbbrücke (30) und Messung der Kommutierungszeit und der Verzögerungszeiten im Betrieb der Halbbrücke (30); eine Extraktionseinheit (14) zum Extrahieren, basierend auf dem erhaltenen mindestens einen Betriebsparameter, einer adaptiven Totzeit der Halbbrücke (30) aus einem Kennfeld, in dem die adaptive Totzeit an eine Kommutierungszeit der Halbbrücke (30) gekoppelt und durch einen Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung begrenzt ist; eine Aktualisierungseinheit (14) zum Aktualisieren der Kommutierungszeit und/oder des Minimalwerts im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls; und eine Signaleinheit (16) zum Erzeugen eines Steuersignals zum Einprägen der extrahierten adaptiven Totzeit in die Halbbrücke (30). Control device (10) for controlling a half-bridge (30) of a vehicle power module, comprising an input unit (12) for receiving an operating parameter of the half-bridge (30) and measuring the commutation time and the delay times during operation of the half-bridge (30); an extraction unit (14) for extracting, based on the obtained at least one operating parameter, an adaptive dead time of the half bridge (30) from a characteristic map in which the adaptive dead time is coupled to a commutation time of the half bridge (30) and by a minimum value to prevent cross-conduction is limited; an update unit (14) for updating the commutation time and / or the minimum value during operation of the vehicle power module; and a signal unit (16) for generating a control signal for impressing the extracted adaptive dead time in the half bridge (30).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der halbleiterbasierten Leistungsmodule. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät zur Bestimmung einer adaptiven Totzeit für leistungselektronische Schalter, etwa einen Umrichter für ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug.The present invention relates to the field of semiconductor-based power modules. In particular, the present invention relates to a control device for determining an adaptive dead time for power electronic switches, for example a converter for an electric and / or hybrid vehicle.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Leistungselektronische Schalter bzw. Schaltungen werden heutzutage für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Insbesondere in der fortschreitenden Elektromobilität spielt die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle. Mit der zunehmenden Zahl der im Fahrzeug integrierten Funktionen nimmt auch die Anzahl und Komplexität der dort verbauten Leistungselektronik zu.Power electronic switches or circuits are used nowadays for a large number of applications. Power electronics play a key role, especially in the advancing electromobility. As the number of functions integrated in the vehicle increases, so does the number and complexity of the power electronics installed there.
Bei vielen leistungselektronischen Schaltungen wie Netzteilen und Umrichtern werden Halbbrücken verwendet, die typischerweise aus einem oberen (Highside-) Schalter und einem unteren (Lowside-) Schalter bestehen. Der Highside-Schalter (HS-Schalter) kann einen Transistor, etwa einen Feldeffekttransistor (FET) umfassen, der eine Last an eine Versorgungsspannung schaltet. Der Lowside-Schalter (LS-Schalter) kann ebenfalls einen Transistor, etwa einen FET, umfassen, der eine Last gegen die Masse (bzw. Erde) schaltet.In many power electronic circuits such as power supplies and converters, half bridges are used, which typically consist of an upper (high-side) switch and a lower (low-side) switch. The high-side switch (HS switch) can comprise a transistor, for example a field effect transistor (FET), which switches a load to a supply voltage. The low-side switch (LS switch) can also comprise a transistor, for example an FET, which switches a load to ground (or ground).
Die beiden Schalter sollen im Betrieb invertiert zueinander angesteuert werden. Beim Ein- und Ausschalten kommt es sowohl in einem HS- als auch in einem LS-Schalter zu einer Zeitverzögerung. Diese ist darauf zurückzuführen, dass nach Anlegen einer Gate-Source-Spannung (VGS) die Drain-Source-Spannung (VDS) mit einer Verzögerung auf Letztere reagiert. Jedoch weisen die beiden Schalter unterschiedlich lange Verzögerungszeiten aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung auf die Gate-Source-Spannung beim Ein- und Ausschalten auf. Außerdem weisen auch die Ansteuerschaltungen für den HS-Schalter und LS-Schalter unterschiedliche Verzögerungszeiten beim Ein- und Ausschalten auf. Folglich können die HS- und LS-Schalter nicht ohne Weiteres invertiert zueinander angesteuert werden. Andernfalls würde es zu einer Überlappungsphase führen, während derer beide Schalter gleichzeitig leitend sind, was wiederum einen hohen Querstrom zur Folge hätte, der von einem der beiden Schalter zum anderen Schalter fließt und einem den gesamten Leistungsschalter zerstörenden Kurzschluss gleicht. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer unerwünschten Querleitung der Halbbrücke.The two switches are to be controlled inverted to each other during operation. When switching on and off, there is a time delay in both an HS and an LS switch. This is due to the fact that after a gate-source voltage (V GS ) has been applied, the drain-source voltage (V DS ) reacts to the latter with a delay. However, the two switches have delay times of different lengths due to the different reaction speed of the drain-source voltage to the gate-source voltage when switching on and off. In addition, the control circuits for the HS switch and LS switch also have different delay times when switching on and off. As a result, the HS and LS switches cannot easily be actuated in an inverted manner with respect to one another. Otherwise, it would lead to an overlap phase during which both switches are conductive at the same time, which in turn would result in a high cross-current flowing from one of the two switches to the other switch and resembling a short circuit that destroys the entire circuit breaker. In this context, one speaks of an undesired cross-conduction of the half-bridge.
Hinzu kommt, dass bei moderneren Leistungsschaltern, die beispielsweise einen Metal-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET) oder einen Galliumnitrid (GaN) basierten Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (GaN-HEMT) umfassen, die Verzögerungszeit beim Ausschalten üblicherweise länger als beim Einschalten ist, weshalb der Einsatz einer Totzeit notwendig ist.In addition, with more modern power switches, which for example include a metal-oxide-semiconductor FET (MOSFET) or a gallium nitride (GaN) -based transistor with high electron mobility (GaN-HEMT), the delay time when switching off is usually longer than when switching on, which is why the use of a dead time is necessary.
Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen vorgeschlagen, die das obige Problem zu beheben versuchen. Beispielsweise wird eine sogenannte „Totzeit“ (bzw. Verrieglungszeit) eingeführt, die als jene Zeitspanne definiert ist, in der weder der HS-Schalter noch der LS-Schalter geschlossen ist. Dadurch wird das Kurzschließen der Versorgungsspannung und somit eine Querleitung verhindert.Various solutions have been proposed in the past to attempt to remedy the above problem. For example, a so-called “dead time” (or locking time) is introduced, which is defined as the period of time in which neither the HS switch nor the LS switch is closed. This prevents short-circuiting of the supply voltage and thus a cross line.
Jedoch weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleiter hohe Leitverluste bei Stromleitung in Rückwärtsrichtung im ausgeschalteten Zustand auf. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass die Totzeit nicht angemessen, in vielen Fällen zu groß, gewählt wird. Leistungshalbleiter, die eine Rückwärtsleitung über ihren Kanal ermöglichen, weisen im ausgeschalteten Zustand eine deutlich erhöhte Flussspannung auf, wenn sie Strom in Rückwärtsrichtung leiten. Aus diesem Grund führt eine zu große Totzeit zu einer Erhöhung der Leitverluste in der Rückwärtsleitung.However, the power semiconductors known from the prior art have high conduction losses when power is conducted in the reverse direction when switched off. This is due to the fact that the dead time is not selected appropriately, and in many cases too large. Power semiconductors that allow reverse conduction via their channel have a significantly increased forward voltage when switched off when they conduct current in the reverse direction. For this reason, too long a dead time leads to an increase in the conduction losses in the reverse line.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Totzeit bei leistungselektronischen Schaltungen zu optimieren, sodass die Leitverluste in der Rückwärtsleitung reduziert werden. Die Totzeit wird dabei so optimiert, dass sie ausreichend kurz ist, so dass der jeweilige Leistungshalbleiter in Rückwärtsrichtung nur im eingeschalteten Zustand Strom führt.The invention is therefore based on the object of optimizing the dead time in power electronic circuits so that the conduction losses in the reverse line are reduced. The dead time is optimized in such a way that it is sufficiently short that the respective power semiconductor only carries current in the reverse direction when it is switched on.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät, ein Steuerverfahren, ein Optimierungsverfahren, ein Computer-Programm-Produkt sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The object is achieved by a control device, a control method, an optimization method, a computer program product and a computer-readable storage medium according to the independent claims.
Das Fahrzeugleistungsmodul umfasst zumindest einen in Rückwärtsrichtung schaltbaren Leistungshalbleiter. In Betracht kommen beispielsweise Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors) wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC). Das Fahrzeugleistungsmodul kann einen oder mehrere Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), einen oder mehrere Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) umfassen. Aus zumindest einem Teil der im Fahrzeugleistungsmodul enthaltenen Halbleiter ist die Halbbrücke gebildet. Die Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HS-Schalter) und einen Lowside-Schalter (LS-Schalter). Alternativ kann es sich bei der Halbbrücke um eine so genannte Multilevel-Halbbrücke handeln.The vehicle power module comprises at least one power semiconductor switchable in the reverse direction. For example, semiconductors with large band gaps (English: Wide Bandgap Semiconductors) such as gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) come into consideration. The vehicle power module may include one or more metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs), one or more high electron mobility transistors (HEMTs). The half bridge is formed from at least some of the semiconductors contained in the vehicle power module. The half-bridge comprises a high-side switch (HS switch) and a low-side switch (LS switch). Alternatively, the half-bridge can be a so-called multilevel half-bridge.
Die Eingangsschnittstelle des Steuergeräts kann beispielsweise als Analog-DigitalWandler oder als Schnittstelle einer Datenleitung (z.B. Serial Peripheral Interface, SPI) ausgebildet sein. Der Ausgangsstrom der Halbbrücke wird im Betrieb der Halbbrücke bzw. des Fahrzeugleistungsmoduls, vorzugsweise in Echtzeit, bestimmt, beispielsweise gemessen oder abgeschätzt, und dadurch erhalten. Als Strommesseinrichtung kann hierfür beispielsweise ein Stromwandler zum Einsatz kommen. Das Ausgangssignal der Strommesseinrichtung kann zusätzlich mit einem Kalman Filter und/oder einem Beobachter verarbeitet werden, um den Ausgangsstrom insbesondere im Bereich des Nulldurchgangs abzuschätzen. Dies erhöht die Genauigkeit des hierdurch erhaltenen Ausgangsstroms und verbessert somit die Ansteuerung der Halbbrücke, da die Extraktion der adaptiven Totzeit auf diese Weise optimiert ist. Das ist besonders in Anwendungen mit einem hohen Ausgangsstrom vorteilhaft, da dadurch ein wesentlich genauerer Stromwert im Bereich des Nulldurchgangs ermittelt werden kann, weil die Auflösung des Stromsensors für eine exakte Bestimmung des Stromwerts im Bereich des Nulldurchgangs nicht ausreicht.The input interface of the control device can be designed, for example, as an analog-digital converter or as an interface of a data line (e.g. Serial Peripheral Interface, SPI). The output current of the half-bridge is determined, for example measured or estimated, during operation of the half-bridge or the vehicle power module, preferably in real time, and is thereby obtained. A current transformer, for example, can be used as the current measuring device. The output signal of the current measuring device can additionally be processed with a Kalman filter and / or an observer in order to estimate the output current, in particular in the area of the zero crossing. This increases the accuracy of the output current obtained in this way and thus improves the control of the half bridge, since the extraction of the adaptive dead time is optimized in this way. This is particularly advantageous in applications with a high output current, as it enables a much more accurate current value to be determined in the area of the zero crossing, because the resolution of the current sensor is not sufficient for an exact determination of the current value in the area of the zero crossing.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich auch die Sperrschichttemperatur mindestens eines Leistungshalbleiters und die Zwischenkreisspannungder Halbbrücke ermittelt.In a preferred embodiment, the junction temperature of at least one power semiconductor and the intermediate circuit voltage of the half bridge are also determined.
Die Extraktionseinheit und die Aktualisierungseinheit sind vorzugsweise jeweils Teil einer Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise einen Mikrocontroller oder eine Feld-programmierbare Gatter-Anordnung (Engl.: FPGA), oder ist Teil des Mikrocontrollers. Die Extraktionseinheit dient dazu, eine adaptive Totzeit für die Halbbrücke aus einem Kennfeld zu extrahieren. Das Kennfeld enthält eine Abhängigkeit der adaptiven Totzeit vom Ausgangsstrom der Halbbrücke. Vorzugsweise enthält das Kennfeld zusätzlich eine Abhängigkeit der adaptiven Totzeit von der Sperrschichttemperatur mindestens eines Leistungshalbleiters und/oder der Zwischenkreisspannung.The extraction unit and the update unit are preferably each part of an evaluation unit. The evaluation unit comprises, for example, a microcontroller or a field-programmable gate arrangement (FPGA), or is part of the microcontroller. The extraction unit is used to extract an adaptive dead time for the half bridge from a map. The map contains a dependency of the adaptive dead time on the output current of the half bridge. The characteristics map preferably also contains a dependency of the adaptive dead time on the junction temperature of at least one power semiconductor and / or the intermediate circuit voltage.
Die adaptive Totzeit ist an eine Kommutierungszeit der Halbbrücke gekoppelt und durch einen Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung begrenzt. Dies bedeutet, dass die adaptive Totzeit der Kommutierungszeit entspricht bzw. dieser gleich ist, solange die Kommutierungszeit größer als der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung ist.The adaptive dead time is coupled to a commutation time of the half bridge and limited by a minimum value to prevent cross-conduction. This means that the adaptive dead time corresponds to the commutation time or is the same as long as the commutation time is greater than the minimum value of the dead time to prevent transverse conduction.
Der Minimalwert der adaptiven Totzeit entspricht einer Differenz („Mismatch“) zwischen dem HS-Schalter und dem LS-Schalter bzgl. der Verzögerungszeit beim Ein- und Ausschalten von HS-Schalter und LS-Schalter (oder umgekehrt). In einem Schaltvorgang, bei dem der HS-Schalter eingeschaltet und der LS-Schalter ausgeschaltet wird, treten Verzögerungen im Ansteuerkreis der Leistungsschalter und der Leistungsschalter selber auf. Erstens nimmt die jeweilige Gate-Elektrode das vorgegebene Ansteuerpotential (bzw. Gate-Spannung) verzögert an. Zweitens reagiert die Drain-Source-Spannung verzögert auf das Ansteuerpotential. Weitere Verzögerungsmechanismen (etwa in der Ansteuerlogik) tragen ebenfalls zur Gesamtverzögerung beim Schalten der Halbbrücke bei. Diese Verzögerungen sind beim Einschalten des HS-Schalters und Ausschalten des LS-Schalters jedoch nicht gleich (oder umgekehrt). Die Differenz zwischen den Verzögerungen (Mismatch) beim Einschalten des HS-Schalters und Ausschalten des LS-Schalters (oder umgekehrt) führt dazu, dass beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind, was eine sogenannte Querleitung mit zum Teil erheblichen Leistungsverlusten durch den damit einhergehenden hohen Kurzschlussstrom in der Halbbrücke verursacht. Diese Querleitung führt in der Regel zur Zerstörung der Halbbrücke und muss deshalb unter allen Umständen verhindert werden.The minimum value of the adaptive dead time corresponds to a difference ("mismatch") between the HS switch and the LS switch with regard to the delay time when switching the HS switch and LS switch on and off (or vice versa). In a switching process in which the HV switch is switched on and the LS switch is switched off, delays occur in the control circuit of the circuit breakers and the circuit breakers themselves. Firstly, the respective gate electrode takes on the specified control potential (or gate voltage) with a delay. Second, the drain-source voltage reacts to the drive potential with a delay. Other delay mechanisms (e.g. in the control logic) also contribute to the overall delay when switching the half-bridge. However, these delays are not the same when switching on the HS switch and switching off the LS switch (or vice versa). The difference between the delays (mismatch) when switching on the HV switch and switching off the LS switch (or vice versa) means that both switches are switched on at the same time, which creates a so-called cross line with in some cases considerable power losses due to the associated high short-circuit current the half bridge caused. This cross line usually leads to the destruction of the half bridge and must therefore be prevented under all circumstances.
Mit der Realisierung einer minimalen Totzeit zur Verhinderung von Querleitung, d.h. eines Zeitintervalls, in welchem zwischen dem Ausschalten des HS-Schalters und dem Einschalten des LS-Schalters (oder umgekehrt) keiner der beiden Schalter eingeschaltet wird, die mindestens die o. g. Verzögerung bzw. das Mismatch beträgt, kann die Querleitung verhindert werden. Daher wird als adaptive Totzeit zumindest im Bereich höherer Ausgangströme der Minimalwert (das Mismatch) angewendet, wodurch ein Kurzschluss der Halbbrücke verhindert werden kann.With the implementation of a minimum dead time to prevent cross-conduction, i.e. a time interval in which neither of the two switches is switched on between switching off the HV switch and switching on the LS switch (or vice versa), which at least the above. Delay or the mismatch, the cross line can be prevented. Therefore, the minimum value (the mismatch) is used as the adaptive dead time, at least in the range of higher output currents, whereby a short circuit of the half bridge can be prevented.
In der Halbbrücke stellt je nach Flussrichtung des Ausgangsstroms einer der beiden Leistungsschalter, HS-Schalter und LS-Schalter, einen aktiven Schalter und der andere der beiden Leistungsschalter einen synchronen Schalter dar. Der aktive Schalter ist derjenige Leistungsschalter, der den Ausgangsstrom der Halbrücke in Vorwärtsrichtung leitet und zum Start der Kommutierungszeit ausgeschaltet wird. Der synchrone Schalter ist derjenige Leistungsschalter, der nach Abschalten des aktiven Schalters den Ausgangsstrom der Halbbrücke übernimmt und dabei rückwärtsleitend wird. Die unerwünschten Effekte partielles hartes Einschalten und Rückwärtsleitung im ausgeschalteten Zustand treten nur im synchronen Schalter auf. Beide Effekte sollen durch die Anwendung der adaptiven Totzeit verhindert und somit die Effizienz der Halbbrücke erhöht werden.In the half-bridge, depending on the direction of flow of the output current, one of the two power switches, HV switch and LS-switch, represents an active switch and the other of the two power switches represents a synchronous switch conducts and is switched off at the start of the commutation time. The synchronous switch is the power switch that takes over the output current of the half-bridge after the active switch has been switched off and thereby becomes reverse-conducting. The undesirable effects of partial hard switching on and reverse conduction when switched off only occur in the synchronous switch. Both effects are to be prevented by using the adaptive dead time and thus the efficiency of the half bridge is to be increased.
Die Kommutierungszeit ist die Zeit, die die Halbbrücke benötigt, bis die über einem Leistungspfad des synchronen Schalters anliegende Spannung, beispielsweise die Drain-Source-Spannung, von der Zwischenkreisspannung auf Null abgefallen ist. Da beide Leistungsschalter zum Zwischenkreiskondensator in der Regel parallelgeschaltet sind, liegt im Moment des Ausschaltens des aktiven Schalters die Zwischenkreisspannung über dem synchronen Schalter an. Anschließend wird die Ausgangskapazität des synchronen Schalters durch eine Induktivität (etwa eine anzusteuernde E-Maschine wie einen Elektromotor), die einen Strom in Rückwärtsrichtung über den synchronen Schalter bewirkt, entladen. Hierbei nimmt die über dem Leistungspfad des synchronen Schalters herrschende Spannung von der Zwischenkreisspannung ausgehend ab und fällt schließlich auf Null ab. Das Zeitintervall dieses Entladungsprozesses wird als Kommutierungszeit bezeichnet. Wenn jedoch der synchrone Schalter eingeschaltet wird, bevor der Entladungsprozess zu Ende gelaufen ist, nimmt die Spannung über dem Leistungspfad des synchronen Schalters schlagartig auf Null ab. Die Ausgangskapazität des synchronen Schalters wird schlagartig entladen, was zu zum Teil erheblichen Leistungsverlusten und zusätzlicher Erwärmung des synchronen Schalters führt. Dies wird als partielles hartes Einschalten („partial hard turn-on“ bzw. „Double Switching“) bezeichnet. Zur Vermeidung des partiellen harten Einschaltens wird zwischen Ausschalten des aktiven Schalters und Einschalten des synchronen Schalters die Kommutierungszeit angewendet. Im Bereich niedriger Ausgangsströme ist die Kommutierungszeit in der Regel höher als die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung. Daher wird als adaptive Totzeit für diesen Bereich die Kommutierungszeit angewendet. Im Bereich hoher Ausgangsströme kann es vorkommen, dass die Kommutierungszeit kleiner als die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung ist. In diesem Fall wird nicht die Kommutierungszeit, sondern die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung als adaptive Totzeit verwendet. Die adaptive Totzeit wird somit auf den Wert der minimalen Totzeit begrenzt.The commutation time is the time that the half-bridge needs until the voltage applied across a power path of the synchronous switch, for example the drain-source voltage, has dropped from the intermediate circuit voltage to zero. Since both power switches are usually connected in parallel to the intermediate circuit capacitor, the intermediate circuit voltage is present across the synchronous switch when the active switch is switched off. The output capacitance of the synchronous switch is then discharged by an inductance (e.g. an electric machine to be controlled such as an electric motor), which causes a current in the reverse direction via the synchronous switch. Here, the voltage prevailing across the power path of the synchronous switch decreases starting from the intermediate circuit voltage and finally drops to zero. The time interval of this discharge process is called the commutation time. However, if the synchronous switch is switched on before the discharge process has ended, the voltage across the power path of the synchronous switch suddenly drops to zero. The output capacitance of the synchronous switch is suddenly discharged, which in some cases leads to considerable power losses and additional heating of the synchronous switch. This is known as partial hard turn-on or double switching. To avoid partial hard switching on, the commutation time is used between switching off the active switch and switching on the synchronous switch. In the range of low output currents, the commutation time is usually higher than the minimum dead time to prevent cross-conduction. The commutation time is therefore used as the adaptive dead time for this range. In the area of high output currents, it can happen that the commutation time is shorter than the minimum dead time to prevent cross-conduction. In this case, it is not the commutation time but the minimum dead time to prevent cross-conduction that is used as the adaptive dead time. The adaptive dead time is thus limited to the value of the minimum dead time.
Die Kommutierungszeit und/oder der Minimalwert können durch Vorcharakterisierung an einem Prototyp des Fahrzeugleistungsmoduls gemessen werden. Vorzugsweise werden die Kommutierungszeit und/oder der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der Halbbrücke und vorzugsweise zusätzlich von der Sperrschichttemperatur mindestens eines Leistungshalbleiters und der Zwischenkreisspannung gemessen. Zu jedem angenommenen Wert eines der Parameter (z. B. Ausgangsstrom) wird die Kommutierungszeit bzw. der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung gemessen. Dabei können die anderen Parameter (Ausgangsstrom, Sperrschichttemperatur, Zwischenkreisspannung) variiert werden. Auf diese Weise wird ein mehrdimensionales Kennfeld erhalten. Die Vorcharakterisierung der Kommutierungszeit kann beispielsweise durch die dynamische Charakterisierung der Halbbrücke mit Hilfe eines Doppelpulstests erfolgen. Dabei wird mit der Halbbrücke eine induktive Last (z.B. Stator einer E-Maschine) geschaltet und dabei die Kommutierungszeit gemessen. Da die induktive Last parallel zu einem der beiden Leistungsschalter der Halbbrücke geschaltet wird, kommt es zu einer Parallelschaltung der Ausgangskapazität des Leistungsschalters und der parasitären Kapazität der induktiven Last. Aus diesem Grund kann die parasitäre Kapazität der induktiven Last Einfluss auf die gemessene Kommutierungszeit haben. Aus diesem Grund erhält man die genauesten Ergebnisse für die Kommutierungszeit, wenn man für die Vorcharakterisierung die gleiche induktive Last verwendet, welche auch in der späteren Anwendung von der Halbbrücke geschaltet wird.The commutation time and / or the minimum value can be measured by pre-characterization on a prototype of the vehicle power module. The commutation time and / or the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction are preferably measured as a function of the output current of the half-bridge and preferably additionally on the junction temperature of at least one power semiconductor and the intermediate circuit voltage. For each assumed value of one of the parameters (e.g. output current), the commutation time or the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction is measured. The other parameters (output current, junction temperature, intermediate circuit voltage) can be varied. In this way, a multi-dimensional map is obtained. The commutation time can be pre-characterized, for example, by dynamically characterizing the half-bridge with the aid of a double pulse test. An inductive load (e.g. stator of an electric machine) is switched with the half bridge and the commutation time is measured. Since the inductive load is connected in parallel to one of the two circuit breakers of the half bridge, the output capacitance of the circuit breaker and the parasitic capacitance of the inductive load are connected in parallel. For this reason, the parasitic capacitance of the inductive load can influence the measured commutation time. For this reason, the most accurate results for the commutation time are obtained if the same inductive load is used for the pre-characterization that will also be switched by the half-bridge in the later application.
Die Aktualisierungseinheit dient dazu, die Kommutierungszeit und/oder den Minimalwert im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls zu aktualisieren. Hierzu enthält das Kennfeld einen „Anfangswert“ der Kommutierungszeit und des Minimalwertes der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung, welche in der Vorcharakterisierung in Abhängigkeit des Laststroms und vorzugsweise zusätzlich der Sperrschichttemperatur und der Zwischenkreisspannung ermittelt wurden. Das Kennfeld wird im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls laufend aktualisiert.The update unit is used to update the commutation time and / or the minimum value during operation of the vehicle power module. For this purpose, the map contains an “initial value” of the commutation time and the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction, which were determined in the preliminary characterization as a function of the load current and preferably also the junction temperature and the intermediate circuit voltage. The map is continuously updated when the vehicle power module is in operation.
Die Kommutierungszeit kann vorzugsweise mit Hilfe der Spannung über dem Leistungspfad des LS-Schalters gemessen werden. Vorzugsweise wird die Kommutierungszeit mittels eines Analog-Digital-Wandlers gemessen, der im Steuergerät (Mikrocontroller, FPGA) angeordnet ist oder als externes Bauteil verwendet wird.The commutation time can preferably be measured with the aid of the voltage across the power path of the LS switch. The commutation time is preferably measured by means of an analog-digital converter which is arranged in the control device (microcontroller, FPGA) or is used as an external component.
Im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls werden die Parameter (Ausgangsstrom und vorzugsweise zusätzlich Sperrschichttemperatur und Zwischenkreisspannung) ermittelt und anhand des ermittelten Wertes/der ermittelten Werte der Parameter der zugehörige Wert der Kommutierungszeit bzw. des Minimalwertes der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung aus dem Kennfeld als adaptive Totzeit angewendet.During operation of the vehicle power module, the parameters (output current and, preferably, additional junction temperature and intermediate circuit voltage) are determined and the associated value of the commutation time or the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction from the characteristic map is used as an adaptive dead time based on the determined value (s) of the parameters .
Basierend auf der adaptiven Totzeit wird ein Steuersignal mittels der Signaleinheit erzeugt, wobei das Steuersignal dazu dient, die adaptive Totzeit der Halbbrücke einzuprägen. Das Steuersignal kann beispielsweise ein erstes Pulsweitenmodulationssignal (z.B. PWM-Signal) für einen oberen Schalter (HS-Schalter) der Halbbrücke und ein zweites Pulsweitenmodulationssignal (z.B. PWM-Signal) für einen unteren Schalter (LS-Schalter) der Halbbrücke umfassen. Die Signaleinheit kann Teil eines Mikrocontrollers sein.Based on the adaptive dead time, a control signal is generated by means of the signal unit, the control signal serving to impress the adaptive dead time of the half-bridge. The control signal can include, for example, a first pulse width modulation signal (e.g. PWM signal) for an upper switch (HS switch) of the half bridge and a second pulse width modulation signal (e.g. PWM signal) for a lower switch (LS switch) of the half bridge. The signal unit can be part of a microcontroller.
Sowohl Querleitung als auch partielles hartes Einschalten und Rückwärtsleitung im ausgeschalteten Zustand des synchronen Schalters können besonders wirksam verhindert werden. Erfindungsgemäß ist somit eine effizientere Ansteuerung des Fahrzeugleistungsmoduls und somit auch des Elektroantriebs mittels des mehrdimensionalen Kennfeldes daher gewährleistet. Die Ansteuerung ist zudem zuverlässig, da die adaptive Totzeit stets mindestens so groß wie die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung gewählt wird.Both the transverse line and partial hard switch-on and reverse line when the synchronous switch is switched off can be prevented particularly effectively. According to the invention, a more efficient control of the vehicle power module and thus also of the electric drive by means of the multidimensional characteristics map is therefore guaranteed. The control is also reliable, since the adaptive dead time is always selected to be at least as large as the minimum dead time to prevent cross-conduction.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.
Gemäß einer Ausführung ist die Eingangseinheit ferner zum Erhalten von im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls gemessenen Parameterwerten ausgebildet, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die adaptive Totzeit gemäß der im Kennfeld enthaltenen Abhängigkeit und dem erhaltenen Parameterwert aus dem Kennfeld auszuwählen.According to one embodiment, the input unit is also designed to receive parameter values measured during operation of the vehicle power module, the evaluation unit being designed to select the adaptive dead time according to the dependency contained in the map and the parameter value obtained from the map.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung gemäß der im Kennfeld enthaltenen Abhängigkeit und dem erhaltenen Parameterwert aus dem Kennfeld auszuwählen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass in der im Kennfeld enthaltenen Abhängigkeit der adaptiven Totzeit bereits eine Abhängigkeit des Minimalwertes von dem Parameter bzw. den Parametern (Ausgangsstrom, Sperrschichttemperatur, Zwischenkreisspannung) enthalten ist. Die adaptive Totzeit berücksichtigt somit den Betriebszustand des Fahrzeugleistungsmoduls, sodass die adaptive Totzeit stets derart gewählt wird, um die Querleitung und das partielle harte Einschalten sowie die Rückwärtsleitung im ausgeschalteten Zustand des synchronen Schalters zu vermeiden. Zusätzliche Verluste durch partielles hartes Einschalten und Rückwärtsleitung im ausgeschalteten Zustand des synchronen Schalters können dadurch verhindert werden, weshalb die Effizienz der Halbbrücke erhöht werden kann.The evaluation unit is preferably designed to select the minimum value of the dead time for preventing cross conduction in accordance with the dependency contained in the characteristic diagram and the parameter value obtained from the characteristic diagram. This is done, for example, in that the dependency of the adaptive dead time contained in the characteristic diagram already contains a dependency of the minimum value on the parameter or parameters (output current, junction temperature, intermediate circuit voltage). The adaptive dead time thus takes into account the operating state of the vehicle power module, so that the adaptive dead time is always selected in such a way as to avoid the cross line and the partial hard switch-on as well as the reverse line when the synchronous switch is switched off. Additional losses due to partial hard switching on and reverse conduction when the synchronous switch is switched off can thereby be prevented, which is why the efficiency of the half bridge can be increased.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung durch eine Charakterisierung der Halbbrücke im Betrieb ermittelt.According to a further embodiment, the minimum value of the dead time to prevent transverse conduction is determined by characterizing the half-bridge during operation.
Es handelt sich vorzugsweise um eine laufende Charakterisierung im Betrieb der Halbbrücke, bei der in einem regelmäßigen Zeitabstand eine Charakterisierung der Halbbrücke erfolgt. Der regelmäßige Zeitabstand kann beispielsweise ein Tag, zwei Tage oder drei Tage sein. Vorzugsweise wird der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung durch Messung der Verzögerungszeiten in der Ansteuerung der Halbbrücke sowie der Ein- und Ausschaltverzögerungen der Leistungshalbleiter im Betrieb ermittelt. Aus der Summe der einzelnen Ein- und Ausschaltverzögerungen wird anschließend die Differenz von gesamter Ausschaltverzögerung und gesamter Einschaltverzögerung von HS-Schalter und LS-Schalter (oder umgekehrt) gebildet. Diese Differenz entspricht der minimalen Totzeit zur Verhinderung von Querleitung. Das Kennfeld wird mit den hierdurch gewonnenen Werten für den Minimalwert bzw. für die Verzögerungszeit aktualisiert. Die adaptive Totzeit basiert daher auf den im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls gewonnenen Parameterkenntnissen der Halbbrücke, sodass die Ansteuerung des Fahrzeugleistungsmoduls zuverlässiger ist. Durch diese Maßnahme kann die Auswirkung von Effekten wie beispielsweise Bauteiltoleranzen und Alterungseffekte der Bauteile auf die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung berücksichtigt und entsprechend die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung im Betrieb korrigiert werden.It is preferably an ongoing characterization during operation of the half-bridge, in which the half-bridge is characterized at regular time intervals. The regular time interval can be, for example, one day, two days, or three days. The minimum value of the dead time to prevent cross-conduction is preferably determined by measuring the delay times in the control of the half-bridge and the switch-on and switch-off delays of the power semiconductors during operation. The sum of the individual switch-on and switch-off delays is then used to calculate the difference between the total switch-off delay and the total switch-on delay of the HS switch and the LS switch (or vice versa). This difference corresponds to the minimum dead time to prevent cross conduction. The characteristics map is updated with the values obtained in this way for the minimum value or for the delay time. The adaptive dead time is therefore based on the parameter knowledge of the half-bridge gained during operation of the vehicle power module, so that the control of the vehicle power module is more reliable. By this measure, the effect of effects such as component tolerances and aging effects of the components on the minimum dead time for preventing cross conduction can be taken into account and the minimum dead time for preventing cross conduction during operation can be corrected accordingly.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird die Kommutierungszeit durch eine Charakterisierung der Halbbrücke im Betrieb ermittelt.According to a further embodiment, the commutation time is determined by characterizing the half-bridge during operation.
Es handelt sich vorzugsweise um eine laufende Charakterisierung der Halbbrücke, bei der in einem regelmäßigen Zeitabstand eine Charakterisierung der Halbbrücke erfolgt. Der regelmäßige Zeitabstand kann beispielsweise ein Tag, zwei Tage oder drei Tage sein. Das Kennfeld wird mit den hierdurch gewonnenen Werten der Kommutierungszeit aktualisiert. Die adaptive Totzeit basiert daher auf den im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls gewonnenen Parameterkenntnissen der Halbbrücke sodass die Ansteuerung des Fahrzeugleistungsmoduls effizienter ist. Durch diese Maßnahme kann die Auswirkung von Effekten wie beispielsweise Bauteiltoleranzen und Alterungseffekte der Bauteile auf die Kommutierungszeit berücksichtigt und die Kommutierungszeit im Betrieb korrigiert werden.It is preferably an ongoing characterization of the half-bridge, in which the half-bridge is characterized at regular time intervals. The regular time interval can be, for example, one day, two days, or three days. The map is updated with the commutation time values obtained in this way. The adaptive dead time is therefore based on that during operation of the Vehicle power module gained parameter knowledge of the half bridge so that the control of the vehicle power module is more efficient. This measure allows the effect of effects such as component tolerances and aging effects of the components on the commutation time to be taken into account and the commutation time to be corrected during operation.
Gemäß einer weiteren Ausführung ist das Kennfeld ein mehrdimensionales Kennfeld, in dem mehrere Abhängigkeiten der adaptiven Totzeit von mehreren Parametern der Halbbrücke enthalten sind.According to a further embodiment, the characteristic diagram is a multidimensional characteristic diagram in which several dependencies of the adaptive dead time on several parameters of the half-bridge are contained.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird die adaptive Totzeit der Kommutierungszeit ermittelt, nachdem der aktive Schalter der Halbbrücke ausgeschaltet wird.According to a further embodiment, the adaptive dead time of the commutation time is determined after the active switch of the half bridge is switched off.
Wenn der aktive Schalter ausgeschaltet wird, ändert sich die Spannung über dem synchronen Schalter sehr stark. Diese starke Spannungsänderung nimmt bei geringen Ausgangsströmen entsprechend viel Zeit in Anspruch. Um sicherzustellen, dass der synchrone Schalter nicht schon eingeschaltet wird, bevor die an diesem anliegende Spannung Null erreicht hat, was zum partiellen harten Einschalten führen würde, wird daher in diesem Fall die Kommutierungszeit als adaptive Totzeit verwendet.When the active switch is turned off, the voltage across the synchronous switch changes very much. This strong voltage change takes a correspondingly long time with low output currents. In order to ensure that the synchronous switch is not switched on before the voltage applied to it has reached zero, which would lead to partial hard switching on, the commutation time is therefore used as the adaptive dead time in this case.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird die adaptive Totzeit auf den Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung gesetzt, nachdem der synchrone Schalter der Halbbrücke ausgeschaltet wird.According to a further embodiment, the adaptive dead time is set to the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction after the synchronous switch of the half-bridge is switched off.
Wenn der synchrone Schalter ausgeschaltet wird, erhöht sich die Flussspannung über dem synchronen Schalter nur geringfügig. Diese geringe Spannungsänderung nimmt entsprechend wenig Zeit in Anspruch. Daher kann für diesen Fall als adaptive Totzeit der Minimalwert angewendet werden, um die Querleitung zu verhindern.When the synchronous switch is turned off, the forward voltage across the synchronous switch increases only slightly. This small change in voltage takes correspondingly little time. Therefore, in this case, the minimum value can be used as the adaptive dead time in order to prevent the cross-line.
Alternativ wird beim Ausschalten des synchronen Schalters geprüft, wie der Ausgangsstrom in Relation zu einer vordefinierten Schwelle und dem Wert Null steht. Vorzugsweise umfasst die vordefinierte Schwelle eine positive Schwelle und eine negative Schwelle, die von der Amplitude des Ausgangsstroms, der Frequenz des Ausgangsstroms und der Zeit zwischen zwei Abtastpunkten des Ausgangsstroms abhängig ist. Wenn der Ausgangsstrom beim Abfallen innerhalb einer positiven Halbwelle zwischen der positiven Schwelle und Null liegt, und/oder beim Ansteigen innerhalb einer negativen Halbwelle zwischen der negativen Schwelle und Null liegt, wird als adaptive Totzeit sowohl vor dem Einschalten als auch nach dem Ausschalten des synchronen Schalters die Kommutierungszeit angewendet. Dies verhindert vorteilhafterweise das unerwünschte partielle harte Schalten der Halbbrücke. Erst wenn der nächste Stromnulldurchgang gemessen wird, wird mit der normalen Anwendung der adaptiven Totzeit fortgefahren, weshalb vor dem Einschalten des synchronen Schalters die Kommutierungszeit und nach dem Ausschalten des synchronen Schalters die minimale Totzeit zur Verhinderung von Querleitung angewendet wird.Alternatively, when the synchronous switch is switched off, it is checked how the output current is in relation to a predefined threshold and the value zero. The predefined threshold preferably comprises a positive threshold and a negative threshold which is dependent on the amplitude of the output current, the frequency of the output current and the time between two sampling points of the output current. If the output current falls within a positive half-cycle between the positive threshold and zero, and / or rises within a negative half-cycle between the negative threshold and zero, the adaptive dead time is used both before switching on and after switching off the synchronous switch the commutation time is applied. This advantageously prevents the undesired partial hard switching of the half-bridge. Only when the next current zero crossing is measured does the normal application of the adaptive dead time continue, which is why the commutation time is used before the synchronous switch is switched on and the minimum dead time is used to prevent cross-conduction after the synchronous switch is switched off.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist ausgeführt, in einen Speicher eines Computers geladen zu werden und umfasst Softwarecodeabschnitte, mit denen die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft.The computer program product according to the invention is designed to be loaded into a memory of a computer and comprises software code sections with which the method steps of the method according to the invention are carried out when the computer program product is running on the computer.
Ein Programm gehört zur Software eines Daten verarbeitenden Systems, zum Beispiel einer Auswerteeinrichtung oder einem Computer. Software ist ein Sammelbegriff für Programme und zugehörigen Daten. Das Komplement zu Software ist Hardware. Hardware bezeichnet die mechanische und elektronische Ausrichtung eines Daten verarbeitenden Systems. Ein Computer ist eine Auswerteeinrichtung.A program belongs to the software of a data processing system, for example an evaluation device or a computer. Software is a collective term for programs and associated data. The complement to software is hardware. Hardware describes the mechanical and electronic alignment of a data processing system. A computer is an evaluation device.
Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfahren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogrammprodukt den oben beschriebenen erfinderischen technischen Effekt hervor.Computer program products generally comprise a sequence of instructions which, when the program is loaded, cause the hardware to carry out a specific method that leads to a specific result. When the program in question is used on a computer, the computer program product produces the inventive technical effect described above.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist Plattform unabhängig. Das heißt, es kann auf jeder beliebigen Rechenplattform ausgeführt werden. Bevorzugt wird das Computerprogrammprodukt auf einer erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung zum Erfassen des Umfelds des Fahrzeugs ausgeführt.The computer program product according to the invention is platform-independent. That means it can be run on any computing platform. The computer program product is preferably executed on an evaluation device according to the invention for detecting the surroundings of the vehicle.
Die Softwarecodeabschnitte sind in einer beliebigen Programmiersprache geschrieben, zum Beispiel in Python, Java, JavaScript, C, C++, C#, Matlab, LabView, Objective C. Alternativ oder zusätzlich kann eine Hardware-Beschreibungssprache (z.B. VHDL) verwendet werden.The software code sections are written in any programming language, for example in Python, Java, JavaScript, C, C ++, C #, Matlab, LabView, Objective C. Alternatively or additionally, a hardware description language (e.g. VHDL) can be used.
Das computerlesbare Speichermedium ist beispielsweise ein elektronisches, magnetisches, optisches oder magneto-optisches Speichermedium.The computer-readable storage medium is, for example, an electronic, magnetic, optical or magneto-optical storage medium.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer Ausführungsform; -
2 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke, die durch das Steuergerät unter Verwendung der adaptiven Totzeit angesteuert wird; -
3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Verzögerungszeiten im Ansteuerkreis der Halbbrücke; -
4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Anwendung der adaptiven Totzeit entsprechend der Kommutierungszeit des synchronen Schalters am Beispiel des LS-Schalters der Halbbrücke; -
5 eine schematische Darstellung der Zuordnung aktiver/synchroner Schalter der Halbbrücke abhängig von der Flussrichtung des Ausgangsstroms und Anwendung der adaptiven Totzeit für den Strombereich außerhalb des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms der Halbbrücke; und -
6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Anwendung der adaptiven Totzeit im Bereich des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms der Halbbrücke. -
7 Ermittlung der Verzögerungszeiten des gesamten Ansteuerkreises und der Leistungshalbleiter durch Messung der Ausgangsspannung Usw der Halbbrücke im Betrieb der Halbbrücke -
8 Ermittlung der Kommutierungszeit durch Messung der Ausgangsspannung Usw der Halbbrücke im Betrieb der Halbbrücke
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1 a schematic representation of a control device according to an embodiment; -
2 a schematic representation of a half bridge that is controlled by the control unit using the adaptive dead time; -
3 a schematic representation to illustrate delay times in the control circuit of the half bridge; -
4th a schematic representation to illustrate the application of the adaptive dead time corresponding to the commutation time of the synchronous switch using the example of the LS switch of the half bridge; -
5 a schematic representation of the assignment of active / synchronous switches of the half bridge depending on the flow direction of the output current and application of the adaptive dead time for the current range outside the zero crossing of the output current of the half bridge; and -
6th a schematic representation to illustrate the application of the adaptive dead time in the area of the zero crossing of the output current of the half bridge. -
7th Determination of the delay times of the entire control circuit and the power semiconductors by measuring the output voltage Usw of the half bridge when the half bridge is in operation -
8th Determination of the commutation time by measuring the output voltage Usw of the half bridge when the half bridge is in operation
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.In the figures, the same reference symbols relate to the same or functionally similar reference parts. The relevant reference parts are identified in the individual figures.
Wie in
Das Steuergerät
Die adaptive Totzeit ist einerseits an die Kommutierungszeit gekoppelt und andererseits durch einen Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung begrenzt. Dies bedeutet, dass die adaptive Totzeit der Kommutierungszeit entspricht bzw. dieser gleich ist, solange die Kommutierungszeit größer als der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung ist.The adaptive dead time is on the one hand coupled to the commutation time and on the other hand limited by a minimum value to prevent cross-conduction. This means that the adaptive dead time corresponds to the commutation time or is the same as long as the commutation time is greater than the minimum value of the dead time to prevent transverse conduction.
Die Kommutierungszeit und/oder der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung können durch Vorcharakterisierung an einem Prototyp des Fahrzeugleistungsmoduls gemessen werden. Insbesondere wird die Kommutierungszeit und/oder der Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der Halbbrücke gemessen. Vorzugsweise wird die Kommutierungszeit und/oder der Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung zusätzlich in Abhängigkeit der Sperrschichttemperatur mindestens eines Leistungshalbleiters und der Zwischenkreisspannung der Halbbrücke gemessen. Zu jedem angenommenen Wert eines der Parameter (z. B. Ausgangsstrom) wird die Kommutierungszeit bzw. der Minimalwert zur Verhinderung von Querleitung gemessen. Dabei können die anderen Parameter (Sperrschichttemperatur, Zwischenkreisspannung) variiert werden. Auf diese Weise wird ein mehrdimensionales Kennfeld erhalten.The commutation time and / or the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction can be measured by pre-characterizing a prototype of the vehicle power module. In particular, the commutation time and / or the minimum value for preventing cross-conduction is measured as a function of the output current of the half-bridge. The commutation time and / or the minimum value for preventing cross-conduction is preferably also measured as a function of the junction temperature of at least one power semiconductor and the intermediate circuit voltage of the half-bridge. For each assumed value of one of the parameters (e.g. output current), the commutation time or the minimum value to prevent cross-conduction is measured. The other parameters (junction temperature, intermediate circuit voltage) can be varied. In this way, a multi-dimensional map is obtained.
Die Aktualisierungseinheit dient dazu, die Kommutierungszeit und/oder den Minimalwert im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls zu aktualisieren. Hierzu enthält das Kennfeld einen „Anfangswert“ der Kommutierungszeit und des Minimalwertes der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung, welche in der Vorcharakterisierung in Abhängigkeit des Laststroms und vorzugsweise zusätzlich der Sperrschichttemperatur und der Zwischenkreisspannung ermittelt wurden. Das Kennfeld wird im Betrieb des Fahrzeugleistungsmoduls laufend aktualisiert.The update unit is used to update the commutation time and / or the minimum value during operation of the vehicle power module. For this purpose, the map contains an “initial value” of the commutation time and the minimum value of the dead time to prevent cross-conduction, which were determined in the preliminary characterization as a function of the load current and preferably also the junction temperature and the intermediate circuit voltage. The map is continuously updated when the vehicle power module is in operation.
Die Kommutierungszeit wird vorzugsweise am LS-Schalter gemessen. Vorzugsweise wird die Kommutierungszeit mittels eines Analog-Digital-Wandlers gemessen, der im Steuergerät (Mikrocontroller, FPGA) angeordnet ist oder als externes Bauteil verwendet wird.The commutation time is preferably measured on the LS switch. The commutation time is preferably measured by means of an analog-digital converter which is arranged in the control device (microcontroller, FPGA) or is used as an external component.
Das Steuergerät
Die Verzögerungszeit tdel,on beim Einschalten des HS-Schalters
Mit der Realisierung einer minimalen Totzeit zur Verhinderung von Querleitung, d.h. einem Zeitintervall, in welchem zwischen dem Ausschalten des HS-Schalters
Wie bereits erwähnt sei in
In einem dem ersten Zeitpunkt t1 nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 wird der LS-Schalter
In der unteren Darstellung fungieren der HS-Schalter
Die Definition welcher Schalter der aktive Schalter und welcher der synchrone Schalter ist, wird durch die Flussrichtung des Ausgangsstroms der Halbbrücke bestimmt. Der aktive Schalter ist derjenige Leistungsschalter, der den Ausgangsstrom der Halbbrücke in Vorwärtsichtung leitet und zum Start der Kommutierungszeit ausgeschaltet wird. Der synchrone Schalter ist derjenige Leistungsschalter, der nach Abschalten des aktiven Schalters den Ausgangsstrom der Halbbrücke übernimmt und dabei rückwärtsleitend wird.The definition of which switch is the active switch and which is the synchronous switch is determined by the flow direction of the output current of the half-bridge. The active switch is the power switch that conducts the output current of the half bridge in the forward direction and to start the Commutation time is switched off. The synchronous switch is the power switch that takes over the output current of the half-bridge after the active switch has been switched off and thereby becomes reverse-conducting.
In beiden Darstellungen sind jeweils vier Zeitpunkte t1, t2, t3, t4 gezeigt. Bis zu einem ersten Zeitpunkt t1 ist der aktive Schalter (HS-Schalter
Die Zeitdifferenzen zwischen t1 und t2 und zwischen t3 und t4 entsprechen jeweils der Totzeit, insbesondere der adaptiven Totzeit der Halbbrücke
Wenn der aktive Schalter ausgeschaltet wird, ändert sich die Spannung über dem synchronen Schalter sehr stark, wobei diese Spannungsänderung bei kleinen Ausgangsströmen vergleichsweise viel Zeit benötigt. Da die Kommutierungszeit bei kleinen Ausgangsströmen größer als der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung ist, kann in diesem Fall als Differenz zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 die Kommutierungszeit verwendet werden.When the active switch is switched off, the voltage across the synchronous switch changes very strongly, this voltage change taking a comparatively long time with small output currents. Since the commutation time for small output currents is greater than the minimum value of the dead time to prevent transverse conduction, the commutation time can be used in this case as the difference between the first time t 1 and the second time t 2 .
Wenn dagegen der synchrone Schalter ausgeschaltet wird, erhöht sich die Flussspannung über dem synchronen Schalter nur leicht. Diese kleine Spannungsänderung nimmt vergleichsweise wenig Zeit in Anspruch. Daher kann für diesen Fall als Differenz zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und dem vierten Zeitpunkt t4 der Minimalwert der Totzeit zur Verhinderung von Querleitung verwendet werden.If, on the other hand, the synchronous switch is switched off, the forward voltage across the synchronous switch increases only slightly. This small voltage change takes comparatively little time. Therefore, in this case, the minimum value of the dead time for preventing transverse conduction can be used as the difference between the third point in time t 3 and the fourth point in time t4.
Die in
Im Bereich des Nulldurchgangs ergibt sich häufig die Schwierigkeit, dass nicht beliebig oft ein Ausgangsstrom abgetastet werden kann und gleichzeitig sich das Vorzeichen des Ausgangsstroms ändern kann. Entsprechend kann sich in diesem Bereich auch die Definition des aktiven und synchronen Schalters ändern. Es kann beispielsweise vorkommen, dass sich nach einer Stromabtastung bei kleinem Strom (z. B. +1 A) der Ausgangsstrom bis zur Anwendung der diesem Stromwert zugehörigen adaptiven Totzeit so stark ändert, dass der Ausgangsstrom zum Zeitpunkt des Schaltens bereits sein Vorzeichen geändert hat (z. B. zum Negativen). Um ein unerwünschtes partielles hartes Einschalten zu verhindern, kann nach dem Erreichen einer bestimmten Schwelle IS,p (positive Schwelle) zwischen t3 und t4 (siehe
Analog dazu wird in der negativen Halbwelle des Ausgangsstroms bei Überschreiten der negativen Schwelle IS,n sowohl zwischen t1 und t2 als auch zwischen t3 und t4 die Kommutierungszeit angewendet. Erst wenn der nächste Stromnulldurchgang erreicht wird (ILast ≥ 0 A) wird das Schaltmuster aus
Hier beschreibt fSinus die Frequenz des sinusförmigen Ausgangsstroms ILast und tab die Zeit zwischen zwei Abtastpunkten des Ausgangsstroms der Halbbrücke
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom ILast relativ zu den Schwellen IS,p, IS,n sowie zum Nullwert 0 A die Anwendung der adaptiven Totzeit gemäß einer nachfolgenden Tab. 1 angepasst:
Tab. 1
Ausgehend von einem in
Die gesamten Verzögerungszeiten für den Ansteuerkreis des HS-Schalters und des HS-Schalters, im Folgenden kurz HS-Pfad genannt, werden im Betrieb der Halbbrücke gemessen, wenn der HS-Schalter der aktive Schalter ist. Die gesamte Einschaltverzögerung tdel,on,HS des HS-Pfads ist dabei die Zeit, die es vom Einschalten des Ansteuersignals für den HS-Schalter (Ausgangssignal des Steuergeräts
Analog dazu werden die gesamten Verzögerungszeiten für den Ansteuerkreis des LS-Schalters und des LS-Schalters, im Folgenden kurz LS-Pfad genannt, dann gemessen, wenn der LS-Schalter der aktive Schalter ist. Die gesamte Einschaltverzögerung tdel,on,LS des LS-Pfads ist dabei die Zeit, die es vom Einschalten des Ansteuersignals für den LS-Schalter (Ausgangssignal des Steuergeräts
Diese Vorgehensweise wird im Betrieb der Halbbrücke angewendet. Dabei wird aus den Messwerten die Differenz zwischen gesamter Ausschaltverzögerung des HS-Schalters und gesamter Einschaltverzögerung des LS-Schalters (oder umgekehrt) gebildet, welche der minimalen Totzeit zur Verhinderung von Querleitung entspricht. Das Kennfeld, welches die Werte der adaptiven Totzeit enthält, wird mit den im Betrieb gemessenen Werten der minimalen Totzeit zur Verhinderung von Querleitung mit Hilfe der Aktualisierungseinheit
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- SteuergerätControl unit
- 102102
- SpeichermediumStorage medium
- 1212th
- EingangseinheitInput unit
- 1414th
- Auswerteeinheit/Extraktionseinheit/AktualisierungseinheitEvaluation unit / extraction unit / update unit
- 1616
- SignaleinheitSignal unit
- 3030th
- HalbbrückeHalf bridge
- 3232
- Highside-Schalter (HS-Schalter)Highside switch (HS switch)
- 322322
- HS-Gate-AnsteuerungHS gate control
- 32223222
- HS-Gate-AnsteuerlogikHS gate control logic
- 32243224
- HS-Gate-TreiberHS gate driver
- 32263226
- HS-Gate-AnsteuerungschaltungHS gate control circuit
- 3434
- Lowside-Schalter (LS-Schalter)Lowside switch (LS switch)
- 342342
- LS-Gate-AnsteuerungLS gate control
- 34223422
- LS-Gate-AnsteuerlogikLS gate control logic
- 34243424
- LS-Gate-TreiberLS gate driver
- 34263426
- LS-Gate-AnsteuerungschaltungLS gate control circuit
- 3636
- DC-SpannungsmessgerätDC voltmeter
- 3737
- StrommesseinrichtungCurrent measuring device
- 3838
- Lastload
Claims (11)
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Family Applications (1)
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-
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- 2019-11-06 DE DE102019217098.6A patent/DE102019217098A1/en active Pending
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