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Die vorliegende Erfindung betrifft das Schalten eines Leistungstransistors. Insbesondere betrifft die Erfindung das Schalten eines Leistungstransistors in einer Halbbrücke.
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Ein Stromrichter umfasst eine oder mehrere Halbbrücken, die jeweils zwei Leistungstransistoren umfassen. Ein erster Leistungstransistor ist dazu eingerichtet, einen Ausgang mit einem hohen Potential zu verbinden, und ein zweiter Leistungstransistor dazu, den Anschluss mit einem niedrigen Potential zu verbinden. Zur Einstellung einer vorbestimmten Spannung am Ausgang werden die Leistungstransistoren alternierend mit einer vorbestimmten Frequenz und einem vorbestimmten Tastverhältnis angesteuert.
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Zum Öffnen eines geschlossenen Leistungstransistors oder zum Schließen eines geöffneten muss üblicherweise eine Gatekapazität umgeladen werden. Das Gate, ein Steueranschluss des Leistungstransistors, wird dazu über einen vorbestimmten Widerstand mit einem Steuerpotential verbunden. Beispielsweise durch eine parasitäre Induktivität kann beim Ausschalten des Leistungstransistors eine Überspannung auftreten, die den Leistungstransistor auf Dauer schädigen oder zerstören kann. Je kleiner der Gatewiderstand beim Ausschalten gewählt ist, desto schneller schaltet der Leistungstransistor aus und desto höher kann die Überspannung sein. Auch beim Einschalten des Leistungstransistors kann der Gatewiderstand die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors bestimmen. Üblicherweise wird der Gatewiderstand so bestimmt, dass er unter vorbestimmten Annahmen bezüglich einer Einschaltspannung, eines Einschaltstroms und einer Temperatur des Leistungstransistors dessen dauerhaften Betrieb ermöglicht. Bei einer hohen Einschaltspannung, einem hohen Einschaltstrom oder einer hohen Temperatur ist der Leistungstransistor stärker belastet als bei niedrigeren Werten.
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DE 10 356 468 A1 schlägt vor, den Gatewiderstand auf der Basis einer Temperatur des Leistungstransistors zu steuern, die mittels eines passenden Sensors am Leistungstransistor erfasst wird. Allerdings wird so nicht die tatsächlich an der Steuerschicht (junction) des Leistungstransistors auftretende Temperatur berücksichtigt, sodass nur eine ungenaue Steuerung erfolgen kann.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zum Schalten eines Leistungstransistors, insbesondere zum Einsatz in einem Stromrichter. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein erstes Verfahren zum Einschalten eines Leistungstransistors Schritte des Bestimmens, ob eine Einschaltspannung, ein Einschaltstrom und eine Temperatur des Leistungstransistors jeweils unterhalb eines zugeordneten Schwellenwerts liegt; des Einschaltens des Leistungstransistors über einen ersten vorbestimmten Widerstand, falls dies der Fall ist, und anderenfalls über einen zweiten vorbestimmten Widerstand. Dabei erfolgt über den ersten Widerstand ein effizienzoptimierter und über den zweiten Widerstand ein leistungsoptimierter Einschaltvorgang des Leistungstransistors.
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Erfindungsgemäß kann ein aktueller Arbeitspunkt des Leistungstransistors berücksichtigt werden, um einen effizienzoptimierten oder einen leistungsoptimierten Betrieb zu ermöglichen. Sind die Einschaltspannung, der Einschaltstrom und die Temperatur relativ niedrig, so kann der Leistungstransistor leistungsoptimiert eingeschaltet werden. Übersteigt auch nur einer der angegebenen Parameter seinen zugeordneten Schwellenwert, so ist der Leistungstransistor bereits relativ stark belastet, sodass ein zu rasches Einschalten ihn altern lassen, beschädigen oder sogar zerstören könnte. In diesem Fall kann das Einschalten effizienzoptimiert erfolgen. In manchen Fällen kann der Leistungstransistor dadurch in einen Arbeitspunkt gebracht werden, in welchem wieder eine leistungsorientierte Steuerung möglich ist.
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Der Leistungstransistor kann sicherer arbeiten, eine längere Lebensdauer aufweisen und insgesamt geringere Verluste produzieren.
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Der erste Widerstand ist bevorzugt derart gewählt, dass der Leistungstransistor beliebig über den ersten Widerstand eingeschaltet werden kann, ohne eine vom Leistungstransistor umfasste Diode zu gefährden. Der Leistungstransistor umfasst bevorzugt einen MOSFET oder einen IGBT. Dabei ist zwischen einem Drain- und einem Source-Anschluss eine Diode vorgesehen, um den Leistungstransistor beim Schalten zu schützen. Spannung, Strom und Temperatur sind für den Leistungstransistor und die Diode praktisch gleich. Der erste Widerstand wird bevorzugt gerade so klein gewählt, dass die Diode auch dann innerhalb ihrer sicheren Betriebsgrenzen (Safe Operation Area, SOA) betrieben werden kann, wenn die Einschaltspannung, der Einschaltstrom und die Temperatur jeweils ihre zugeordneten Schwellenwerte erreicht haben. Insbesondere kann der Leistungstransistor an diesem Arbeitspunkt beliebig häufig bis zu einer vorbestimmten Maximalfrequenz geschaltet werden, ohne dass die Diode vorzeitig altert, Schaden nimmt oder zerstört wird.
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Weiter bevorzugt ist der der zweite Widerstand derart gewählt, dass der Leistungstransistor bis zu einer maximalen Einschaltspannung, einem maximalen Einschaltstrom und einer maximalen Temperatur beliebig über den zweiten Widerstand eingeschaltet werden kann, ohne eine vom Leistungstransistor umfasste Diode zu gefährden. Die maximalen Parameter können Betriebs- oder Designgrenzen des Leistungstransistors betreffen. Der zweite Widerstand ist bevorzugt gerade so klein gewählt, dass der Leistungstransistor innerhalb der vorbestimmten Grenzen sicher betrieben und insbesondere bis zur vorbestimmten Grenzfrequenz beliebt häufig eingeschaltet werden kann. Eine vorbestimmte Temperatur des Leistungstransistors beziehungsweise einer seiner Sperrschichten kann dabei nicht überschritten werden. Der zweite Widerstand ist allgemein größer als der erste und bewirkt eine größere Einschaltzeit des Leistungstransistors.
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Weiter ist bevorzugt, dass der Vergleich der Parameter des Leistungstransistors mit den Schwellenwerten eine vorbestimmte Hysterese umfasst. So kann verhindert werden, dass übermäßig häufig zwischen dem leistungsorientierten und dem effizienzorientierten Einschalten gewechselt wird. Beispielsweise können erste und zweite Schwellenwerte verwendet werden, wobei die ersten Schwellenwerte größer als die zweiten sind. In den effizienzorientierten Betrieb kann gewechselt werden, wenn wenigstens einer der genannten Parameter den zugeordneten ersten Schwellenwert übersteigt. In den leistungsorientierten Betrieb kann zurückgewechselt werden, wenn alle Parameter unterhalb der jeweiligen zweiten Schwellenwerte liegen. Je weiter die ersten und zweiten Schwellenwerte jeweils auseinander liegen, desto größer kann der Effekt der Hysterese sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein erster Stromrichter eine Halbbrücke mit einem Leistungstransistor, der über einen ersten oder einen zweiten Widerstand eingeschaltet werden kann; ferner ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Leistungstransistor nach einem hierin beschriebenen ersten Verfahren einzuschalten. Üblicherweise umfasst die Halbbrücke zwei Leistungstransistoren, die jeweils mittels des ersten Verfahrens eingeschaltet werden können. Häufig sind mehrere, insbesondere drei Halbbrücken von dem Stromrichter umfasst. Der Stromrichter kann dazu eingerichtet sein, eine elektrische Maschine, beispielsweise einen permanent erregten Synchronmotor, aus einer Gleichspannung zu speisen. Die elektrische Maschine kann Teil eines Antriebsstrangs sein, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
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Der Stromrichter kann dazu beitragen, die elektrische Maschine verbessert anzusteuern, ohne dabei eine Betriebssicherheit oder Lebensdauer eines Leistungstransistors einer Halbbrücke des Stromrichters zu gefährden.
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In ähnlicher Weise lässt sich die beschriebene Technik auch auf das Ausschalten eines Leistungstransistors anwenden.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zweites Verfahren zum Ausschalten eines Leistungstransistors Schritte des Bestimmens, ob eine Einschaltspannung, ein Einschaltstrom und eine Temperatur des Leistungstransistors jeweils unterhalb eines zugeordneten Schwellenwerts liegt; und ein effizienzoptimiertes Ausschalten des Leistungstransistors über den dritten Widerstand, falls dies der Fall ist, und andernfalls ein leistungsoptimiertes Ausschalten des Leistungstransistors über einen vierten vorbestimmten Widerstand.
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Das zweite Verfahren kann in Verbindung mit dem hierin beschriebenen ersten Verfahren eingesetzt werden, um den Leistungstransistor ein- und auszuschalten. Schwellenwerte für die Einschaltspannung, den Einschaltstrom und die Temperatur können für das erste und das zweite Verfahren gleich gewählt sein.
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Der dritte Widerstand ist bevorzugt derart gewählt, dass der Leistungstransistor beliebig über den dritten Widerstand ausgeschaltet werden kann, wenn die Einschaltspannung, der Einschaltstrom und die Temperatur unterhalb ihrer zugeordneten Schwellenwerte liegen, ohne den Leistungstransistor zu gefährden. Insbesondere soll der Leistungstransistor bis zu einer vorbestimmten Grenzfrequenz beliebig häufig ausgeschaltet werden können, ohne ihn dadurch thermisch zu gefährden oder seine Lebensdauer zu verkürzen. Der dritte Widerstand ist bevorzugt so klein wie möglich gewählt, ohne diese Bedingung zu verletzen.
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Der vierte Widerstand ist bevorzugt derart gewählt, dass der Leistungstransistor bis zu einer maximalen Einschaltspannung, einem maximalen Einschaltstrom und einer maximalen Temperatur beliebig über den vierten Widerstand ausgeschaltet werden kann, ohne den Leistungstransistor zu gefährden. Der vierte Widerstand ist bevorzugt möglichst klein gewählt, dabei aber gerade so groß, dass der Leistungstransistor innerhalb der genannten Betriebs- oder Designgrenzen sicher schadlos betrieben werden kann. Der vierte Widerstand ist allgemein größer als der dritte und bewirkt eine größere Ausschaltzeit des Leistungstransistors.
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Auch beim Ausschalten des Leistungstransistors kann der Vergleich seiner Parameter mit den Schwellenwerten eine vorbestimmte Hysterese umfassen. Dazu können erste und zweite Schwellenwerte gebildet werden, um die Hysterese, wie oben beschrieben ist, passend zu gestalten. Die ersten und zweiten Schwellenwerte für das erste und das zweite Verfahren können gleich gewählt sein, sodass die Hysterese zwischen dem effizienzoptimierten und dem leistungsoptimierten Betrieb sowohl für das Einschalten als auch für das Ausschalten des Leistungstransistors gleich sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zweiter Stromrichter eine Halbbrücke mit einem Leistungstransistor, der über einen dritten oder einen vierten Widerstand ausgeschaltet werden kann. Ferner umfasst der Stromrichter eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Leistungstransistor nach einem hierin beschriebenen zweiten Verfahren auszuschalten.
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Der erste und der zweite hierin beschriebene Stromrichter können miteinander integriert ausgeführt sein, wobei die Steuervorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, den Leistungstransistor nach dem ersten Verfahren ein- und dem zweiten Verfahren auszuschalten. Der Stromrichter kann beliebig viele Leistungstransistoren umfassen, von denen wenigstens einer mittels eines der hierin beschriebenen Verfahren ein- oder ausgeschaltet wird.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen Antriebsstrang, der eine elektrische Maschine umfasst, die mittels eines hierin beschriebenen Stromrichters gesteuert ist.
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Es ist zu beachten, dass die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen denselben erfinderischen Gedanken der steuerbaren Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors reflektieren. Merkmale oder Vorteile können zwischen den Verfahren, zwischen den Vorrichtungen oder untereinander übertragbar sein. Ein hierin beschriebenes Verfahren kann mittels eines Stromrichters bzw. dessen Steuervorrichtung ausgeführt werden. Dazu kann die Steuervorrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
darstellt.
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1 zeigt schematisch einen Stromrichter 100, der bevorzugt zum Betrieb an Bord eines Kraftfahrzeugs 105 eingerichtet ist. Das Kraftfahrzeug 105 umfasst einen Antriebsstrang 110, der eine elektrische Maschine 115 aufweist, welche auf ein Antriebsrad 120 wirkt. Der Stromrichter 100 ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere Spannungen bereitzustellen, um die elektrische Maschine 115 zu steuern.
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Der Stromrichter 100 wird aus einem Zwischenkreis 125 gespeist, der beispielsweise mit einem elektrischen Energiespeicher an Bord des Kraftfahrzeugs 105 verbunden sein kann. Zwischen einem hohen Potential 130 und einem niedrigen Potential 135 kann ein Zwischenkreiskondensator 140 vorgesehen sein. Eine parasitäre Induktivität 145 kann beispielsweise in einer Zuleitung zwischen dem Stromrichter 100 und dem Energiespeicher gebildet sein.
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Der Stromrichter 100 umfasst exemplarisch drei Halbbrücken 150, die jeweils zwei Leistungstransistoren 155 aufweisen. Für die drei dargestellten Halbbrücken 150 sind insgesamt sechs Leistungstransistoren 155 dargestellt, die mit T1 bis T6 bezeichnet sind. Jeder Leistungstransistor 155 ist bevorzugt als IGBT- oder MOSFET-Transistor ausgebildet und weist drei Anschlüsse auf, die als Gate (G), Drain (D) und Source (S) bezeichnet sind. Ein Strom zwischen Drain und Source eines Leistungstransistors 155 kann gesteuert werden, indem das Gate mit einem Steuerpotential verbunden wird. Der Leistungstransistor 155 umfasst üblicherweise eine Diode 160 in Sperrrichtung zwischen Drain und Source.
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Eine Steuervorrichtung 165 ist dazu eingerichtet, einen oder mehrere der Leistungstransistoren 155 zu steuern. In 1 ist die Steuervorrichtung 165 exemplarisch lediglich für den Leistungstransistor T1 dargestellt. Die Steuervorrichtung 165 umfasst bevorzugt eine Spannungsquelle 170, die über einen Widerstand mit dem Gate des Leistungstransistors 155 verbunden werden kann. Zur Verbindung der Spannungsquelle 170 mit dem Gate sind vorliegend ein erster Widerstand 175, ein zweiter Widerstand 180, ein dritter Widerstand 185 und ein vierter Widerstand 190 vorgesehen. Welcher der Widerstände 175 bis 190 aktiv ist, kann mittels Schaltern 195 gesteuert werden, die beispielsweise durch Transistoren realisiert sein können. Optional sind zueinander antiparallele Dioden 198 vorgesehen, um eine Spannung der Spannungsquelle 170 beim Einschalten des Leistungstransistors 155 durch einen der Widerstände 175, 180 von der Spannungsquelle 170 zum Gate bzw. beim Ausschalten des Leistungstransistors 155 über einen der Widerstände 185, 190 vom Gate zur Spannungsquelle 170 durchzulassen.
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Es wird vorgeschlagen, den Leistungstransistor 155 in einer von wenigstens zwei vorbestimmten Betriebsarten zu betreiben. Eine erste Betriebsart ist effizienzoptimiert und eine zweite leistungsoptimiert. In der leistungsoptimierten Betriebsart sind Ein- und/oder Ausschaltgeschwindigkeiten des Leistungstransistors 155 geringer als im effizienzoptimierten Betrieb. Dazu ist ein aktiver Widerstand 175 bis 190 im leistungsorientierten Betrieb üblicherweise kleiner als im effizienzorientierten Betrieb.
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Die beiden Betriebsarten können unabhängig voneinander für das Einschalten und das Ausschalten des Leistungstransistors 155 gewählt sein. Vorliegend ist der erste Widerstand 175 dem effizienzorientierten Einschalten, der zweite Widerstand 180 dem leistungsorientierten Einschalten, der dritte Widerstand 185 dem effizienzorientierten Ausschalten und der vierte Widerstand 190 dem leistungsorientierten Ausschalten zugeordnet.
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Zur Bestimmung, welcher Betriebsmodus zum Steuern des Transistors 155 verwendet werden soll, kann die Steuervorrichtung 165 eine Einschaltspannung, einen Einschaltstrom und eine Temperatur des Leistungstransistors 155 bestimmen. Dafür können entsprechende Sensoren vorgesehen sein. Die Temperatur des Leistungstransistors 155, insbesondere die Temperatur seiner Steuerschicht (junction temperature) kann auch mittels eines Verfahrens ohne Temperatursensor bestimmt werden. Mehrere Leistungstransistoren 155 einer Halbbrücke 150 oder des gesamten Stromrichters 100 werden bevorzugt jeweils im gleichen Modus betrieben.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zur Steuerung eines Leistungstransistors 155. Das Verfahren 200 kann insbesondere durch die Steuervorrichtung 165 ausgeführt werden.
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In einem Schritt 205 kann eine Einschaltspannung des Leistungstransistors 155 bestimmt werden. Die Einschaltspannung kann am Leistungstransistor 155 zwischen Drain und Source anliegen oder auf der Basis der Potentiale 130, 135 bestimmt werden. In einem Schritt 210 kann ein Einschaltstrom durch den Leistungstransistor 155 bestimmt werden. Der Einschaltstrom entspricht einem zwischen Drain und Source fließenden Strom, wenn der Leistungstransistor 155 eingeschaltet ist. Wird der Leistungstransistor 155 zyklisch geschaltet, so kann der für einen Einschaltvorgang angenommene Einschaltstrom als der zuletzt durch den geschlossenen Leistungstransistor 155 fließende Strom angenommen werden. Der durch den geschlossenen Leistungstransistor 155 fließende Strom kann auf der Basis eines Spannungsabfalls an seinen Drain- und Source-Anschlüssen oder an einem Längswiderstand (Shunt) bestimmt werden. Alternativ kann der Strom auf der Basis eines durch die elektrische Maschine 115 fließenden Stroms bestimmt werden. In einem Schritt 215 kann eine Temperatur des Leistungstransistors 155 bestimmt werden. Die Temperatur kann mittels eines zugeordneten Sensors direkt bestimmt oder mittels eines entsprechenden Verfahrens sensorlos bestimmt werden.
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In einem Schritt 220 kann ein Betriebsmodus für den Leistungstransistor 155 bestimmt werden. Dazu können die bestimmte Einschaltspannung, der bestimmte Einschaltstrom und die bestimmte Temperatur jeweils mit einem zugeordneten Schwellenwert verglichen werden. Übersteigt wenigstens einer der genannten Parameter seinen zugeordneten Schwellenwert, so kann ein effizienzorientierter Betriebsmodus gewählt werden, andernfalls, wenn alle Parameter unterhalb ihrer vorbestimmten Schwellenwerte liegen, ein leistungsorientierter Betriebsmodus.
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In einem Schritt 225 kann eine Schaltanforderung erfasst werden. Diese kann von einer Logik bereitgestellt werden, die Leistungstransistoren 155 einer Halbbrücke 150 alternierend derart ansteuert, dass sich zwischen ihnen eine vorbestimmte Spannung einstellt. Ist der Leistungstransistor 155 ausgeschaltet, so kann er in einem Schritt 230 in Abhängigkeit des vorbestimmten Betriebsmodus eingeschaltet werden. Zum leistungsorientierten Einschalten kann der erste Widerstand 175 zwischen die Spannungsquelle 170 und das Gate geschaltet werden. Zum effizienzorientierten Einschalten kann stattdessen der zweite Widerstand 180 verwendet werden. Ist der Leistungstransistor 155 eingeschaltet, so kann er in einem Schritt 235 ausgeschaltet werden. Zum leistungsorientierten Ausschalten kann der dritte Widerstand 185 zwischen die Spannungsquelle 170 und das Gate des Leistungstransistors 155 geschaltet werden, und zum effizienzorientierten Ausschalten stattdessen der vierte Widerstand 190.
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Die folgende Tabelle fasst die Wahl der am Gate eines Leistungstransistors 155 verbundenen Gatewiderstands 175 bis 190 in Abhängigkeit der Schaltrichtung und des Betriebsmodus zusammen. Das Ein- beziehungsweise Ausschalten über den jeweiligen Widerstand 175 bis 190 erfolgt, indem das Gate über den Widerstand mit der Spannungsquelle 170 verbunden wird. Ein Potential der Spannungsquelle 170 ist für das Einschalten und das Ausschalten üblicherweise verschieden.
| | Einschalten | Ausschalten |
| effizienzorientierter Betrieb, falls U, I oder t über zugeordnetem Schwellenwert | zweiter Widerstand 180 | vierter Widerstand 190 |
| leistungsorientierter Betrieb, falls U, I und t unter zugeordnetem Schwellenwert | erster Widerstand 175 | dritter Widerstand 185 |
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Nach dem jeweiligen Schaltvorgang 230, 235 kann das Verfahren 200 zum Anfang zurückkehren und erneut durchlaufen. Es ist zu beachten, dass das Bestimmen der Einschaltspannung U, das Bestimmen des Einschaltstroms I und das Bestimmen der Temperatur t in den Schritten 205 bis 215 auch nebenläufig erfolgen kann. Das Bestimmen des Betriebsmodus im Schritt 220 kann nebenläufig zum Erfassen der Schaltanforderung im Schritt 225 und dem folgenden Ein- bzw. Ausschalten in den Schritten 230, 235 erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Stromrichter
- 105
- Kraftfahrzeug
- 110
- Antriebsstrang
- 115
- elektrische Maschine
- 120
- Antriebsrad
- 125
- Zwischenkreis
- 130
- hohes Potential
- 135
- niedriges Potential
- 140
- Zwischenkreiskondensator
- 145
- parasitäre Induktivität
- 150
- Halbbrücke
- 155
- Leistungstransistor
- 160
- Diode
- 165
- Steuervorrichtung
- 170
- Spannungsquelle
- 175
- erster Widerstand (leistungsoptimiert einschalten)
- 180
- zweiter Widerstand (effizienzoptimiert einschalten)
- 185
- dritter Widerstand (leistungsoptimiert ausschalten)
- 190
- vierter Widerstand (effizienzoptimiert ausschalten)
- 195
- Schalter
- 198
- Diode
- T1 - T6
- Leistungstransistor
- G
- Gate
- S
- Source
- D
- Drain
- 200
- Verfahren
- 205
- Einschaltspannung bestimmen
- 210
- Einschaltstrom bestimmen
- 215
- Temperatur bestimmen
- 220
- Betriebsmodus bestimmen
- 225
- Schaltanforderung erfassen
- 230
- Einschalten nach Betriebsmodus
- 235
- Ausschalten nach Betriebsmodus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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