DE102021201363A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Temperaturbestimmung der Leistungshalbleiter - Google Patents

Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Temperaturbestimmung der Leistungshalbleiter Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Messen einer Betriebstemperatur eines Leistungsmoduls (10), welches zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs dient, das Leistungsmodul (10) umfassend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) und eine Ansteuerelektronik (16), wobei die Halbleiterschaltelemente (14) über die Ansteuerelektronik (16) derart schaltbar sind, dass die Halbleiterschaltelemente (14) einen Drain-Source-Strom durchlassen oder unterbrechen, um einen dem Leistungsmodul (10) eingespeisten eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umzuwandeln, wobei das Verfahren Messen einer Spannung umfasst, die an einem Punkt abfällt, der auf einer von einem Halbleiterschaltelement (14) abgewandten Seite einer mit dem Halbleiterschaltelement (14) reihengeschalteten Diode (22) liegt, wobei das Verfahren Messen eines Drain-Source-Stroms des Halbleiterschaltelements (14) umfasst, der von einer Stromquelle (18) erzeugt ist, wobei das Verfahren Bestimmen einer mathematischen Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom umfasst.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
  • Aus den Leistungshalbleitern werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten umfassen jeweils einen oder mehreren Leistungsschalter, nämlich Highside-Leistungsschalter bzw. Lowside-Leistungsschalter. Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Leistungsschalter kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
  • Bei all diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Schaltzeit der verwendeten Leistungsschalter hinreichend klein ist. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter lassen sich kurze Schaltzeiten mit sogenannten Wide Bandgap Semiconductors (Halbleitern mit großen Bandlücken) wie SiC und GaN realisieren.
  • Das gezielte Schalten der Leistungsschalter wird durch eine Ansteuerelektronik vorgenommen und implementiert. Die Ansteuerelektronik umfasst normalerweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Elektrofahrzeugantriebs und/oder des Leistungsmoduls, und eine mit der Controllerkomponente in Kommunikation befindliche Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal.
  • Für den Betrieb der Leistungsmodule ist es wichtig, dass die Leistungsschalter die maximal erlaubte Temperatur der verwendeten Halbleitermaterialien nicht überschreiten. Eine Überschreitung der maximal erlaubten Temperatur führt zur Beeinträchtigung der Leistungsschalter und somit auch des Leistungsmoduls.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte zur Bestimmung der Temperatur der Leistungsschalter bekannt. Zum Beispiel werden Temperatursensoren, die einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC, negative temperature coefficient) oder einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC, positive temperature coefficient) aufweisen, eingesetzt, um die Temperatur der Leistungsschalter zu ermitteln. Dadurch, dass die Temperatursensoren von den betroffenen Leistungsschaltern räumlich beabstandet und galvanisch getrennt sind, kann die Betriebstemperatur der Leistungsschalter hierdurch lediglich abgeschätzt werden. Die Genauigkeit einer solchen Temperaturabschätzung ist jedoch aufgrund des großen Abstandes des jeweiligen Temperatursensors zum Messobjekt nicht hinreichend hoch. Aufgrund der weiterhin vorliegenden Messunsicherheit müssen die Leistungshalbleiter vor Überhitzung geschützt werden, was Zusatzkosten verursacht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul zu ermöglichen, bei dem die Bestimmung der Betriebstemperatur der Leistungsschalter mit höherer Genauigkeit durchführbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
  • Das Leistungsmodul weist eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen (bzw. Leistungsschaltern) auf. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter dienen dazu, um basierend auf dem eingangsseitig eingespeisten Gleichstrom einen ausgangsseitigen Wechselstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschaltelemente zu erzeugen. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente erfolgt mittels der Ansteuerelektronik, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls, und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente basierend auf dem Steuersignal. Der Ansteuerung unterliegt vorzugsweise eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, mittels derer ein sinusförmiger Verlauf für den jeweiligen Phasenstrom des ausgangsseitigen Wechselstroms bereitgestellt wird.
  • Die mehreren Halbleiterschaltelemente bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückenschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Halbleiterschaltelemente (HS-Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Halbleiterschaltelemente (LS-Schalter). Der/die HS-Schalter ist/sind zu dem/den LS-Schalter/LS-Schaltern reihengeschaltet. Im Wechselrichter ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die einzelnen Halbleiterschaltelemente können als IGBT, MOSFET oder HEMT ausgebildet sein. Das dem jeweiligen Halbleiterschaltelement zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
  • Zwecks Kühlung der Leistungsschalter und weiterer elektronischer Bauteile im Leistungsmodul ist möglich, einen Kühlkörper vorzusehen, mit dem sich die Halbleiterschaltelemente in thermischer Kopplung befinden.
  • Das Leistungsmodul umfasst ferner eine Temperaturmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, um ein Verfahren zum Messen einer Betriebstemperatur des Leistungsmoduls auszuführen. Das Verfahren umfasst Messen einer Spannung, die an einem Punkt abfällt, der auf einer von einem Halbleiterschaltelement abgewandten Seite einer mit dem Halbleiterschaltelement reihengeschalteten Diode liegt. Die Diode ist vorzugsweise eine Abkoppeldiode. Das Halbleiterschaltelement und die Diode bilden zusammen mit dem Messpunkt vorzugsweise bezogen auf das Source- bzw. Emitter-Potential eine geschlossene Masche. Weiter vorzugsweise erfasst die Messstelle eine Reihenspannung aus der Abkoppeldiode und dem Halbleiterschaltelement.
  • Das Verfahren umfasst außerdem Messen eines Laststroms (z.B. eines Drain-Source-Stroms) des Halbleiterschaltelements, der von einer Stromquelle erzeugt ist. Zusätzlich umfasst das Verfahren Bestimmen einer mathematischen Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom.
  • Aus der mathematischen Abhängigkeit kann die Betriebstemperatur des betroffenen Halbleiterschaltelements gewonnen werden. Beispielsweise beschreibt die mathematische Abhängigkeit die gemessene Spannung als Funktion des gemessenen Stroms, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen einer Ableitung der Funktion nach dem gemessenen Strom umfasst. Vorzugsweise kann eine zum Wert der Ableitung zugehörige Betriebstemperatur des Halbleiterschaltelements basierend auf einer vorbestimmten Korrelation zwischen einem Widerstand des Halbleiterschaltelements und seiner Betriebstemperatur ermittelt werden.
  • Auf diese Weise lässt sich die Betriebstemperatur der Halbleiterschaltelemente mit einer besonders einfachen Beschaltung bestimmen. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Temperaturmessmethoden ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders genau, da auf Temperatursensoren, die lediglich die in der Nähe der jeweiligen Halbleiterschaltelemente herrschende Temperatur (indirekt) messen, verzichtet wird. Stattdessen wird die Temperatur direkt aus Messdaten hinsichtlich Strom und Spannung, der bzw. die am jeweiligen Halbleiterschaltelement anliegt, ermittelt. Es handelt sich beim erfindungsgemäß Verfahren daher um eine direkte Temperaturmessung.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Messen der Betriebstemperatur des Leistungsmoduls.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente 14 (wobei in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein einziges Halbleiterschaltelement 14 gezeigt ist) und eine Ansteuerelektronik 16. Die Halbleiterschaltelemente 14 sind über die Ansteuerelektronik 16 derart schaltbar, dass die Halbleiterschaltelemente 14 einen Drain-Source-Strom durchlassen oder unterbrechen, um einen dem Leistungsmodul 10 eingespeisten eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umzuwandeln. Die Halbleiterschaltelemente 14 bilden eine oder mehrere Halbbrücken, die jeweils eine Highside und eine Lowside umfassen. Die Highside und Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente, die parallelgeschaltet sind. Durch gezieltes Ansteuern der Halbleiterschaltelemente 14 lassen sich drei voneinander phasenverschobene Phasenströme basierend auf dem eingangsseitigen Gleichstrom generieren.
  • Um die Temperatur eines der Halbleiterschaltelemente 14 zu bestimmen, wird in einem Schritt 102 (siehe schematische Darstellung des Messverfahrens in 2) erfindungsgemäß eine Spannung gemessen, die an einem Punkt P1, P2 abfällt, der auf einer von dem betroffenen Halbleiterschaltelement 14 abgewandten Seite einer mit dem Halbleiterschaltelement 14 reihengeschalteten Diode 22 liegt. Wie in 1 gezeigt, können ein erster Punkt P1 und ein zweiter Punkt P2 hierzu dienen. Am ersten Punkt P1 wird mittels eines ersten Spannungsmessgeräts 30 eine erste Spannung V1 gemessen. Am zweiten Punkt wird mittels eines zweiten Spannungsmessgeräts 28 eine zweite Spannung V2 gemessen. Zwischen dem ersten Punkt P1 und dem zweiten Punkt P2 ist eine Filterschaltung umfassend einen Vorwiderstand 24 und einen Kondensator 26 angeordnet. Die Diode 22 wird halbleiterschaltelementseitig an einen Drain-Kontakt 144 des Halbleiterschaltelements 14 angebunden und befindet sich neben dem Vorwiderstand 24 mit dem Halbleiterschaltelement 14 in Reihenschaltung. Stromabwärts ist der Vorwiderstand 24 mit der Ansteuerelektronik 16 verbunden, an die auch eine Gate-Elektrode 142 des Halbleiterschaltelements 14 angebunden ist.
  • Als gemessene Spannung kann entweder die erste Spannung V1, die zweite Spannung V2, oder eine sich aus der ersten Spannung V1 und der zweiten Spannung V2 rechnerisch ergebende dritte Spannung verwendet werden. Zusätzlich wird in einem weiteren Schritt 104 ein Drain-Source-Strom des Halbleiterschaltelements 1 gemessen, der von einer Stromquelle 18 erzeugt ist und vom Drain-Kontakt 144 zu einem Source-Kontakt 146 des Halbleiterschaltelements 14 fließt.
  • In einem weiteren Schritt 106 wird eine mathematische Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ermittelt. Beispielsweise kann die gemessene Spannung gegen den gemessenen Strom grafisch aufgetragen werden, um eine Strom-Spannung-Kennlinie zu erhalten. Die zu ermittelnde mathematische Abhängigkeit ist vorzugsweise eine Funktion, die die gemessene Spannung in Abhängigkeit des gemessenen Stroms beschreibt. Das Messverfahren kann ferner einen Schritt 108 umfassen, in dem die erste Ableitung der Funktion nach dem Strom berechnet wird. Diese erste Ableitung entspricht der Steigung der Strom-Spannung-Kennlinie und hat die Dimension eines ohm'schen Widerstands. Aufgrund der Topografie der Beschaltung ist der auf diese Weise bestimmte Widerstand dem inneren Widerstand des Halbleiterschaltelements 14 gleich. Mit Hilfe einer vorabgespeicherten Korrelation zwischen dem inneren Widerstand des betrachteten Halbleiterschaltelements 14 und seiner Betriebstemperatur lässt sich anhand der ersten Ableitung bzw. der Steigung auf die aktuelle Betriebstemperatur des Halbleiterschaltelements 14 schließen.
  • Bei der Diode 22 kann es sich um eine Abkoppeldiode, beispielsweise eine Schottky-Diode, handeln, mittels derer die angelegte Hochspannung vom Halbleiterschaltelement 14 abgekoppelt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die gemessene Spannung um einen Offset korrigiert werden. Der Offset entspricht dem Spannungswert im Schnittpunkt zwischen der Strom-Spannung-Kennlinie und der Spannungsachse. Die um diesen Offset korrigierte Spannung entspricht der tatsächlich am Halbleiterschalterelement 14 anliegenden Drain-Source-Spannung. Der Offset ergibt sich aus der Diodenkennlinie, über die ein definierter Messstrom fließt. Dadurch ergibt sich die Offsetspannung, die der Flussspannung der Diode 22 entspricht. Das mathematische Verfahren kann diese Offsetspannung ermitteln und herausrechnen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungsmodul
    14
    Halbleiterschaltelement
    16
    Ansteuerelektronik
    18
    Stromquelle
    20
    Strommessgerät
    22
    Diode
    24
    Vorwiderstand
    26
    Kondensator
    30
    erstes Spannungsmessgerät
    28
    zweites Spannungsmessgerät
    32
    Masse
    102-108
    Verfahrensschritte
    P1
    erster Punkt
    P2
    zweiter Punkt

Claims (11)

  1. Verfahren zum Messen einer Betriebstemperatur eines Leistungsmoduls (10), welches zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs dient, das Leistungsmodul (10) umfassend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) und eine Ansteuerelektronik (16), wobei die Halbleiterschaltelemente (14) über die Ansteuerelektronik (16) derart schaltbar sind, dass die Halbleiterschaltelemente (14) einen Laststrom durchlassen oder unterbrechen, um einen dem Leistungsmodul (10) eingespeisten eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umzuwandeln, - wobei das Verfahren Messen einer Spannung umfasst, die an einem Punkt abfällt, der auf einer von einem Halbleiterschaltelement (14) abgewandten Seite einer mit dem Halbleiterschaltelement (14) reihengeschalteten Diode (22) liegt, - wobei das Verfahren Messen eines Drain-Source-Stroms des Halbleiterschaltelements (14) umfasst, der von einer Stromquelle (18) erzeugt ist, - wobei das Verfahren Bestimmen einer mathematischen Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mathematische Abhängigkeit die gemessene Spannung als Funktion des gemessenen Stroms beschreibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen einer Ableitung der Funktion nach dem gemessenen Strom umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren ferner Ermitteln einer zum Wert der Ableitung zugehörigen Betriebstemperatur des Halbleiterschaltelements (14) basierend auf einer vorbestimmten Korrelation zwischen einem Widerstand des Halbleiterschaltelements (14) und seiner Betriebstemperatur.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messen des Laststroms mittels einer Strommesseinheit (20) erfolgt, die gleichzeitig zum Vermessen eines Phasenstroms des Wechselstroms dient.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren ferner Bestimmen eines Spannungsoffsets der gemessen Spannung zu dem Fall umfasst, in dem der gemessene Strom gleich null ist, wobei die mathematische Abhängigkeit zwischen der um den Spannungsoffset korrigierten gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren Messen einer ersten Spannung und/oder einer zweiten Spannung umfasst, wobei die erste Spannung an einem ersten Punkt (P1) abfällt, der auf einer von einem Halbleiterschaltelement (14) abgewandten Seite der Diode (22) liegt, wobei die zweite Spannung an einem zweiten Punkt (P2) abfällt, der auf einer von einem Halbleiterschaltelement (14) abgewandten Seite der Diode (22) liegt, wobei der zweite Punkt (P2) auf einer von der Diode (22) abgewandten Seite des ersten Punktes (P1) liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwischen dem ersten Punkt (P1) und dem zweiten Punkt (P2) eine Filterschaltung angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren das Bestimmen der mathematischen Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Strom einerseits und der ersten Spannung, oder der zweiten Spannung, oder einer sich aus der ersten Spannung und zweiten Spannung rechnerisch ergebenden weiteren Spannung andererseits umfasst.
  10. Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) und eine Ansteuerelektronik (16), wobei die Halbleiterschaltelemente (14) über die Ansteuerelektronik (16) derart schaltbar sind, dass die Halbleiterschaltelemente (14) einen Laststrom durchlassen oder unterbrechen, um einen dem Leistungsmodul (10) eingespeisten eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umzuwandeln, wobei das Leistungsmodul (10) eine Temperaturmesseinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
  11. Inverter, umfassend ein Leistungsmodul (10) nach Anspruch 10.
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