DE102022201439A1

DE102022201439A1 - Signalausgabe-Baustein zur Ansteuerung eines Gate-Treibers für eine Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102022201439A1
Application number: DE102022201439.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Sperber; Michael Meiler; Danil Hudenkov
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-08-17
Also published as: WO2023152276A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Gate-Treiber-Baustein zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere einen Signalausgabe-Baustein zur Ansteuerung eines Gate-Treibers.
Halbleitertransistoren werden in vielen Bereichen als elektronische Schalter eingesetzt und als Halbleiterschalter bezeichnet. Dies ist möglich, da ein Halbleiterschalter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten kann. Ein erster Zustand ist ein eingeschalteter Zustand. In diesem Zustand kann der Halbleiterschalter Strom führen und sich analog wie ein niedriger Widerstand oder eine Diode in Durchlassrichtung verhalten. Der andere Zustand ist der Sperrzustand. In diesem Zustand ist der Halbleiterschalter in der Lage, eine anliegende Spannung, z.B. 400V oder 800V, aufzunehmen.
Ein Halbleiterschalter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser zwischen den beiden genannten Zuständen sehr schnell und effizient hin und her wechseln kann. Dieses hin und her schalten zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Halbleiterschalters ist die Grundlage für viele elektronische Schaltungen wie Netzteile, Wechselrichter, Gleichrichter, Antriebsinverter.
Damit der Halbleiterschalter zwischen diesen beiden Zuständen hin und her wechseln kann, verfügt dieser über einen Ansteueranschluss, den sogenannten Gate-Treiber, über den der Halbleiterschalter angesteuert wird. Bei der Ansteuerung des Halbleiterschalters unterscheidet man allgemein zwei Ansteuertypen. Spannungsgesteuerte Halbleiterschalter und stromgesteuerte Halbleiterschalter. Bei den spannungsgesteuerten Halbleiterschaltern muss die Ansteuerspannung über oder unter einem definierten Pegel, z.B. +5V oder -3V, liegen, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand (leitend oder sperrend) wechselt. Bei stromgesteuerten Halbleiterschaltern muss ein definierter Steuerstrom über- oder unterschritten werden, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand ändert. Für beide Varianten wird eine Ansteuerschaltung benötigt, welche die Ansteuerung des Halbleiterschalters realisiert.
Bisher bekannte Ansteuerschaltungen oder Ansteueranordnungen (Gate-Treiber) verfügen über eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite. Die Eingangsseite verfügt über mindestens eine Signalgröße, welche die Information trägt, ob der Halbleiterschalter eingeschaltet (leitender Zustand) oder ausgeschaltet (sperrender Zustand) werden soll. Des Weiteren kann die Ansteueranordnung eine Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite aufweisen. Die Ausgangsseite weist mindestens ein Ausgangssignal auf, welches durch die Ansteueranordnung so in Bezug auf Spannungspegel, Stromstärke, etc. aufbereitet ist, dass der Halbleiterschalter mit diesem Signal direkt angesteuert werden kann.
Darüber hinaus wurde von der Anmelderin bereits eine Anordnung für einen topologischen Schalter vorgeschlagen, die wenigstens zwei Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, aufweist, deren topologischer Halbleiterschalter wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist.
Allerdings können die meisten der oben beschriebenen Ansteueranordnungen nur für topologische Halbleiterschalter eingesetzt werden, die aus gleichartigen Halbleiterschaltern bestehen. Im Falle eines topologischen Schalters, der aus einer Parallelschaltung unterschiedlicher Halbleitermaterialen wie z.B. Si, SiC, GaN etc. und oder unterschiedlicher Halbleitertypen wie MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode bzw. Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor bzw. Junction FET) etc. besteht, ist es nicht möglich, die unterschiedlichen Halbleitertypen mit dieser Anordnung separat anzusteuern, da jeder Halbleitertyp über ein separates Ansteuersignal verfügen muss.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, dieses Problem zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung wird ein Signalausgabe-Baustein zur Ansteuerung mindestens eines Gate-Treibers zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern vorgeschlagen, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind. Der Signalausgabe-Baustein weist einen Ausgang je Leistungshalbleiter, sowie eine Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix auf, welche mindestens ein Ausgangssignal an mindestens einen Ausgang ausgibt. Ferner weist er einen ersten Eingang auf, an den ein vorgegebenes Eingangssignal angelegt und direkt der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix übergeben wird, sowie einen zweiten Eingang, an den eine Zustandsgröße oder ein Zustandsgrößenvektor angelegt und an eine Umwandlungseinheit übergeben wird. In der Umwandlungseinheit wird die Zustandsgröße oder der Zustandsgrößenvektor in ein Rechenwert umgewandelt, der direkt an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix übergeben wird. Ebenso wird die Zustandsgröße oder der Zustandsgrößenvektor in eine logische Information umgewandelt, die angibt, welcher der Leistungshalbleiter anzusteuern ist, und direkt an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix übergeben. Ferner ist eine Parameterselektionseinheit vorgesehen, an welche die logische Information übergeben wird. Die Parameterselektionseinheit ermittelt daraus die zur Ansteuerung des Gate-Treibers benötigten Parameter Totzeit und Modulationsfrequenz, und übergibt diese an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix. In der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix wird aus dem Eingangssignal und dem Rechenwert ein Modulationsgrad errechnet und die logische Information sowie die Totzeit und Modulationsfrequenz werden miteinander verknüpft. Daraus (aus den Eingangsgrößen in die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix) wird mindestens ein Ansteuersignal als Ausgangssignal bestimmt, welches über die Ausgänge an den mindestens einen Gate-Treiber übermittelt wird.
Die Geschwindigkeit des Schaltvorgangs ist abhängig davon, welche Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen verwendet werden, d.h. die Ansteuermuster des Low-Side-Schalters und des High-Side-Schalters des topologischen Schalters können sich hinsichtlich Totzeit und Ansteuerfrequenz unterscheiden. Durch den vorgeschlagenen Signalausgabe-Baustein können unterschiedliche Leistungshalbleiter zustandsabhängig und optimiert angesteuert werden, indem unterschiedliche Ansteuermuster pro Ausgang bereitgestellt werden können, ohne dabei zusätzliche Hardware zu benötigen. Durch die Ermittlung der Ausgangssignale noch vor dem Gate-Treiber, also im Microcontroller, kann Hardware eingespart werden, da ein einziger Microcontroller ausreicht, um mehrere Gate-Treiber anzusteuern.
In einer Ausführung ist der erste Ausgang zur Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiters mit einer ersten Totzeit TD,1 und einer ersten Modulationsfrequenz fm,1 eingerichtet, und jeder weitere Ausgang ist zur Ansteuerung jedes weiteren der Leistungshalbleiter mit einer weiteren Totzeit TD,n+1 und einer weiteren Modulationsfrequenz fm,n+1 eingerichtet, wobei gilt: TD,n+1 ≥ T_D,n und fm,n+1 ≤ fm,n, wobei n der Anzahl der Ausgänge entspricht.
In einer Ausführung ist ein erster Leistungshalbleiter ein SiC-MOSFET und ein zweiter Leistungshalbleiter ein Si-IGBT.
In einer Ausführung erfolgt in der Parameterselektionseinheit die Ermittlung von Totzeit und Modulationsfrequenz anhand einer vorgegebenen Wahrheitstabelle.
In einer Ausführung erfolgt in der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix die Ermittlung des Ansteuersignals anhand einer vorgegebenen Wahrheitstabelle.
In einer Ausführung ist je Ausgang und je anzusteuerndem topologischem Schalter ein Gate-Treiber vorgesehen. In einer alternativen Ausführung ist ein einziger Gate-Treiber zur Ansteuerung mehrerer topologischer Schalter vorgesehen, an den alle Ansteuersignale ausgegeben werden.
Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit einem beschriebenen Signalausgabe-Baustein aufweist. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem Elektronikmodul sowie ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb vorgeschlagen.
Außerdem wird ein Verfahren zur zustandsabhängigen Ansteuerung mindestens eines Gate-Treibers zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern vorgeschlagen, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, mittels eines Signalausgabe-Bausteins, der einen Ausgang je Leistungshalbleiter aufweist. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Erfassung eines vorgegebenen ersten Eingangssignals, und eine Erfassung einer Zustandsgröße oder eines Zustandsgrößenvektors als zweites Eingangssignal, wobei die Zustandsgröße oder der Zustandsgrößenvektor in einen Rechenwert und in eine logische Information umgewandelt wird, die angibt, welcher der Leistungshalbleiter anzusteuern ist. Ferner erfolgt eine Ermittlung der zur Ansteuerung des Gate-Treibers benötigten Parameter Totzeit und Modulationsfrequenz aus der logischen Information, wobei aus dem ersten Eingangssignal und dem Rechenwert ein Modulationsgrad errechnet wird und die logische Information sowie die Totzeit und Modulationsfrequenz miteinander verknüpft werden, und daraus mindestens ein Ansteuersignal bestimmt wird, welches über die Ausgänge an den mindestens einen Gate-Treiber übermittelt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung des Signalausgabe-Bausteins 1 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit ein aus einer Batterie stammender Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Halbleitertransistoren als Leistungstransistoren (auch als Leistungshalbleiter bezeichnet) auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, Halbleitertypen wie MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere geeignete Halbleitermaterial sein.
Im Bereich der Elektromobilität ist es zur Einhaltung strenger (durch Gesetzgeber vorgegebener) Flotteneffizienzziele nötig, die Effizienz des Inverters durch den Einsatz neuartiger Halbleitertechnologien, wie z.B. SiC-MOSFETs, zu erhöhen. Die Halbleiterfläche für einen normalen, d.h. durchschnittlichen, Fahrbetrieb ist dabei allerdings überdimensioniert, da der auslegungsrelevante Betriebspunkt nur selten erreicht wird. Problematisch ist, dass die Halbleiterfläche neuerer Technologien (Wide-Bandgab-Halbleiter = WBG), die eine höhere inhärente Effizienz aufweisen (wie z.B. SiC oder GaN), teuer ist im Vergleich zu herkömmlichem Silizium. Bei herkömmlichen Systemen mit Halbleitern, die aus einem kostengünstigeren Material (wie z.B. Silizium) bestehen, kann in Bezug auf den auslegungsrelevanten Betriebspunkt mit Sicherheitsmargen dimensioniert werden, da die Kosten pro Halbleiterfläche gering sind im Vergleich zu WBG-Materialien. Beim Einsatz von WBG Halbleitern in einer herkömmlichen Auslegung wird nicht nur Platz vergeudet, es tritt auch ein preislicher Nachteil auf. Deshalb ist es nötig, ein Optimum zwischen bestmöglicher Technologie und geringstmöglichen Kosten zu finden.
Hierfür erfolgt die Auslegung der anzusteuernden Leistungshalbleiter (nachfolgend auch kurz als Halbleiter bezeichnet), indem die Auswahl des Halbleitertyps und des Halbleitermaterials entsprechend der Anwendung, d.h. der Zielvorgabe, erfolgt.
Bei der Ansteuerung von Halbbrücken werden Low-Side- und High-Side-Schalter komplementär angesteuert. Zur Vermeidung von Brückenkurzschlüssen muss hierbei immer erst der leitende Schalter ausgeschaltet werden, bevor der komplementäre Schalter eingeschaltet werden darf. Hierbei muss jedoch immer abgewartet werden, bis der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist. In dieser Zeit muss der komplementäre Schalter geschlossen bleiben. Die Zeit, bis der komplementäre Schalter einschalten darf, wird als Totzeit (TD) bezeichnet und entspricht üblicherweise ca. der 2-5-fachen Dauer eines Schaltvorgangs. Weiterhin ist es möglich, durch ein schnelleres Schalten eines SiC-Halbleiters mehr Schaltvorgänge in derselben Zeit durchzuführen. Dies ermöglicht höhere Modulationsfrequenzen fm.
Somit können sich die Ansteuermuster hinsichtlich Totzeit und Modulationsfrequenz unterscheiden. Ein SiC-MOSFET kann mit einem Muster mit einer kleineren TD und einer höheren fm im Vergleich zu einem Si-IGBT angesteuert werden. Während ein Ausgang, der für einen SiC-MOSFET ausgelegt ist, auch mit einem SI-IGBT-Ansteuermuster betrieben werden kann, ist dies umgekehrt nicht möglich.
Darüber hinaus werden die Ansteuersignale für Gate-Treiber GD meist mit Mikrocontrollern als Signalausgabe-Baustein 1 erzeugt. Hierbei dienen als Eingangsgrößen für eine Signalerzeugung z.B.:

- ein Rotorlage-Sensorsignal α, welches z.B. einen „Drehwinkel“ zwischen einem Stator und einem Rotor einer elektrischen Maschine erfasst,
- ein Stromsensorsignal, wobei ein Regler die nötige Modulation bestimmt, um den Ausgangs-Sollstrom zu erreichen,
- eine Totzeit TD; diese ist für einen Halbleitertyp und/oder ein Halbleitermaterial ausgelegt,
- eine maximale Modulationsfrequenz fm; diese ist für einen Halbleitertyp und/oder ein Halbleitermaterial ausgelegt.

Als Ausgangsgröße dient hier ein Ansteuersignal M, welches einem Gate-Treiber GD zugeführt wird. Das Ansteuersignal Mn kann z.B. ein pulsweitenmoduliertes Signal sein, dem die Eingangsgrößen „aufmoduliert“ werden (Frequenz der PWM entspricht fm). Ferner werden m und a, welche z.B. einen Augenblickswert eines Inverter-Ausgangsstroms abbilden, im Tastgrad der PWM abgebildet. Hierbei ist zu beachten, dass ein Gate-Treiber GD lediglich einen topologischen Schalter ansteuern kann. Dies bedeutet, dass man zur Ansteuerung einer B6-Brücke sechs Gate-Treiber GD benötigt, und auch sechs Ansteuersignale Mn generiert werden müssen, welche entsprechend phasenversetzt anzusteuern sind.
Bisher können Signalausgabe-Bausteine 1 (also Microcontroller) für Gate-Treiber GD keine Ansteuersignale Mn selektiv für verschiedene Halbleitertypen und/oder - materialien an Gate-Treiber GD1,n, GD2,n ausgeben, die wiederum verschiedene Halbleitertypen und -materialien ansteuern können. Globale Ansteuermuster für mehrere Ausgänge sind suboptimal, weil verschiedene Halbleitertypen und/oder Halbleitermaterialien ineffizient ausgenutzt werden.
Deshalb wird ein Signalausgabe-Baustein 1 vorgeschlagen, der Ansteuersignale Mn selektiv für verschiedene Halbleitertypen und/oder -materialien an einen oder mehrere Gate-Treiber GD ausgeben kann, welcher wiederum parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind, ansteuern kann. Eine Ausführung ist in 1 gezeigt und wird nachfolgend beschrieben.
Der Signalausgabe-Baustein 1 hat den Vorteil, dass er mehrere Ausgänge S1,n; S2,n aufweist, die mit unterschiedlichen Ansteuermustern bzw. Ansteuersignalen Mn angesteuert werden können. Jeder der Ausgänge S1,n; S2,n ist einem Gate-Treiber GD1,n; GD2,n zugeordnet, um diesen mit dem im Signalausgabe-Baustein 1 bestimmten Ansteuermuster bzw. Ansteuersignal M1, M2 anzusteuern. Dabei ist außerdem von Vorteil, dass durch die Möglichkeit, die Ansteuersignale M1, M2 für mehrere Gate-Treiber GD1,n; GD2,n in einem einzigen Signalausgabe-Baustein 1, der in der Regel ein Microcontroller ist, bereitzustellen, die Anzahl an Signalerzeugungsblöcken (bisher gab es je einen pro Gate-Treiber GD1,n; GD2,n) reduziert werden kann.
In 1 ist ein Signalausgabe-Baustein 1 mit zwei Eingängen, an denen die Signale α und Z angelegt werden, und zwei Ausgängen S1,n; S2,n dargestellt. Jeder Ausgang S1,n; S2,n dient zur Ansteuerung eines Gate-Treibers GD1,n; GD2,n, der wiederum einen Leistungshalbleiter ansteuern kann. Wie bereits mehrfach erwähnt, können die Leistungshalbleiter aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sein, was die separate Ansteuerung nötig macht. Die Leistungshalbleiter bilden dabei immer einen topologischen Schalter mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter.
Ein Eingang des Signalausgabe-Bausteins 1 nimmt das Rotorlagesensor-Signal α auf, wie bisher. Dieser wird direkt an die nachfolgend beschriebene Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix E3 übergeben.
An den anderen Eingang wird ein Zustandsvektor Z oder eine Zustandsgröße angelegt, der an eine Umwandlungseinheit E1 übergeben wird. Ein Zustandsvektor Z ist dann vorteilhaft, wenn mehrere physikalische Größen zur Zustandsbeschreibung herangezogen werden.
Zustandswerte der Zustandsgröße bzw. des Zustandsvektors Z umfassen Ansteuerinformationen der anzusteuernden Leistungshalbleiter, also mindestens Informationen zur Totzeit TD und der Ansteuerfrequenz bzw. Modulationsfrequenz fm, sowie physikalische Werte, die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter herangezogen werden, d.h. Größen für die Steuerung oder Regelung und/oder die Überwachung einer Leistungselektronik. Eine solche Größe ist z.B. das oben erwähnte Stromsensorsignal, der Strom, der effektive Wert des Stroms oder die Temperatur, wobei die Größen weiter unterteilt werden können. Beispielsweise können Kühlwassereinlauftemperatur oder Kühlwasserauslauftemperatur und/oder Halbleitertemperaturen als Temperatur herangezogen werden. Ferner können Phasenströme oder Batterieströme, der Batterieladzustand, die Spannung im Zwischenkreis, die Gaspedalstellung und damit die aktuelle Leistungsanforderung als Zustandsgröße oder als Zustandsvektor, d.h. wenn mehrere Größen betrachtet werden, herangezogen werden.
Dabei können die Zustandswerte der Zustandsgröße bzw. des Zustandsvektors Z sowohl an der Eingangsseite des Halbleiterschalters erfasst werden, z.B. eine Kühlwassertemperatur, als auch an der Ausgangsseite des Halbleiterschalters, z.B. die Temperatur der Leistungshalbleiter.
Aus der Zustandsgröße bzw. dem Zustandsvektor Z wird in der Umwandlungseinheit E1 eine wertkontinuierliche Rechengröße Rz ermittelt und der nachfolgend beschriebenen Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix E3 direkt übergeben. Aus dem Rechenwert Rz wird in einem festen Verhältnis auf den Modulationsgrad m umgerechnet: m = x *Rz. Bei einer Raumzeigermodulation kann z.B. x ≤ 1,15 sein. Das maximale m ist hier ein Kennwert der Applikation und bildet die Anforderung des maximalen Ausgangsstroms ab, den der Inverter stellen kann.
Aus der Zustandsgröße bzw. dem Zustandsvektor Z wird ferner in der Umwandlungseinheit E1 eine logische Information An ermittelt, die angibt, welcher Leistungshalbleiter und damit welcher Gate-Treiber GD1,n, GD2,n anzusteuern ist und die vorteilhaft als Rechengrößenvektor bereitgestellt wird, der so viele Elemente enthält, wie es Ausgänge gibt. Die logische Information An wird an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix E3 und eine Parameterselektionseinheit E2 übergeben.
Die als Rechengröße bzw. Rechengrößenvektor ausgegebene logische Information An kann 2ⁿ Logikpegelmuster aufweisen. Dies bedeutet, dass wenn der topologische Schalter aus zwei (n=2) Halbleitertypen und/oder -materialien besteht, können vier verschiedene Muster ausgegeben werden (2²=4), die in Abhängigkeit verschiedener, vorgegebener Pegelhöhen definiert werden können. Diese Pegelhöhen können z.B. unterschiedlichen Bereichen einer geforderten Leistungsabgabe entsprechen. Je nach angeforderter Leistungsabgabe kann z.B. eine lookup-Tabelle erstellt werden, in der festgelegt ist, welche Leistungshalbleiter anzusteuern sind. Diese kann mittels einer entsprechenden Recheneinheit, z.B. einer Steuereinheit, die zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen ist, ausgelesen werden.
In der Parameterselektionseinheit E2 werden aus der logischen Information An die zur Ansteuerung des Gate-Treibers GD1,n oder GD2,n benötigten Parameter Totzeit TD und Modulationsfrequenz fm ermittelt. Das heißt, hier wird entschieden, mit welchem TD, mit welchem fm und welcher Modulationsmethode das Ausgangsignal moduliert werden soll. Dieser Block bestimmt somit, ob der Gate-Treiber 1 später einen Halbleiter mit einer großen Totzeit TD und einer kleinen Modulationsfrequenz fm ansteuert oder mit einer kleinen Totzeit TD und einer großen Modulationsfrequenz fm.
Die Funktionsweise entspricht der nachfolgenden Wahrheitstabelle (1):

An TD fm

0 0 0 0

0 1 TD1 fm1

1 0 TD2 fm2

1 1 TD2 fm2
Das Ergebnis wird an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix E3 übergeben.
Dort werden die Rechengröße An und die selektierten Parameter TD und fm verknüpft, wie in der nachstehenden Wahrheitstabelle (2) gezeigt:

An TD fm S_2,n S_1,n

0 0 0 0 0 0

0 1 TD1 fm1 0 M1

1 0 TD2 fm2 M2 0

1 1 TD2 fm2 M2 M2
Hieraus wird ersichtlich, dass der Ausgang S2,n ausschließlich mit dem Ausgangsmustervektor M2 betrieben werden kann und der Ausgang S1,n sowohl mit M1 als auch mit M2.
Weiterhin werden dem Funktionsblock noch das Rotorlage-Signal α und der Rechenwert Rz zugeführt, um den notwendigen Modulationsgrad zu errechnen.
Aus diesen Eingangsgrößen werden schließlich die finalen Ansteuersignale Mn gebildet, die an die Gate-Treiber GD1,n, GD2,n über die Ausgänge S1,n und S2,n geleitet werden.
Dabei ist der Ausgang S1,n dafür ausgelegt, einen Gate-Treiber 1 mit einer kleinen TD,1 und einer hohen fm,1 anzusteuern. Der zweite Ausgang S2,n ist dafür ausgelegt, einen Gate-Treiber mit einer TD,2, ≥ TD,1 und einer fm,2, ≤ fm,1 anzusteuern. Weitere Ausgänge Sn+1 können nach TD,n+1 ≥ Td,n und fm,n+1 ≤ fm,n ausgelegt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass der Ausgang S1,n nicht automatisch mit TD,1 und fm,1 angesteuert werden muss, sondern auch mit Ansteuermustern größerer Totzeiten TD und kleineren Modulationsfrequenzen fm.
Weiterhin wird somit ermöglicht, mehrere Ausgänge parallel mit einem identischen Ansteuermuster zu betreiben, sofern die größere Totzeit TD und die kleinere Modulationsfrequenz fm im Ansteuermuster realisiert ist.
Beispielsweise ist im Falle von zwei unterschiedlichen, anzusteuernden Leistungshalbleitern einer davon ein SiC-MOSFET, bei dem z.B. die Totzeit TD,1 zu 500ns und die Modulationsfrequenz fm,1 zu 20kHz definiert werden kann. Der andere ist ein Si-IGBT, bei dem z.B. die Totzeit TD,2 zu 2,5ps und die Modulationsfrequenz fm,2 zu 10kHz definiert werden kann. Somit ergeben sich zwei Eingangsmustervektoren, von denen einer mit den Parametern TD,1 und fm,1 für die Ansteuerung des Gate-Treibers GD1,n und der andere mit den Parametern TD,2 und fm,2 für die Ansteuerung des Gate-Treibers GD2,n gedacht ist und an den entsprechenden Ausgang S1,n oder S2,n ausgegeben wird.
Zur Ausführung der Erfindung kann je Ausgang S1 ,n; S2,n und je anzusteuerndem topologischen Schalter je ein Gate-Treiber GD verwendet werden. Vorteilhaft ist, dass hierfür ein gewöhnlicher Gate-Treiber GD eingesetzt werden kann.
Alternativ kann ein einziger Gate-Treiber GD verwendet werden, der mehrere Leistungshalbleiter, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, ansteuern kann. Vorteilhaft ist, dass dadurch beide Ausgangssignale mit einer physikalischen Signalleitung übertragen werden und dass auch die Selektion des „richtigen“ Ansteuersignals für die entsprechenden Leistungshalbleiter sichergestellt wird.
Das Ansteuerverfahren kann mittels Software, Hardware oder einer Kombination daraus erfolgen. Der Vorteil des vorgeschlagenen Signalausgabe-Bausteins 1 und des Ansteuerverfahrens liegt in der Möglichkeit, bereits im Microcontroller eine Ansteuerung unterschiedlicher Leistungshalbleiter, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, vorzunehmen, nicht erst im Gate-Treiber GD. Anwendung findet das vorgeschlagene Verfahren bei Invertern im Bereich der Elektromobilität, also zur Ansteuerung eines Elektroantriebs oder einer sonstigen E-Maschine.
Bezugszeichenliste

1: Signalausgabe-Baustein
GD1,n, GD2,n: Gate-Treiber
TD: Totzeit
fm: Modulationsfrequenz
An: logische Information
Rz: Rechenwert
α: Rotorlage-Sensorsignal
E1: Umwandlungseinheit
E2: Parameterselektionseinheit
E3: Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix
M1, M2: Ansteuersignal
S1,n, S2,n: Ausgänge
Z: Zustandsvektor

Claims

Signalausgabe-Baustein (1) zur Ansteuerung mindestens eines Gate-Treibers (GD1,n; GD2,n) zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, wobei der Signalausgabe-Baustein (1) aufweist: - einen Ausgang (S1,n, S2,n) je Leistungshalbleiter, - eine Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3), welche mindestens ein Ausgangssignal an mindestens einen Ausgang (S1,n, S2,n) ausgibt, - einen ersten Eingang, an den ein vorgegebenes Eingangssignal (α) angelegt und direkt der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3) übergeben wird, sowie - einen zweiten Eingang, an den eine Zustandsgröße oder ein Zustandsgrößenvektor (Z) angelegt und an eine Umwandlungseinheit (E1) übergeben wird, wobei in der Umwandlungseinheit (E1) die Zustandsgröße oder der Zustandsgrößenvektor (Z) in einen Rechenwert (Rz) sowie in eine logische Information (An), die angibt, welcher der Leistungshalbleiter anzusteuern ist, umgewandelt wird, die direkt an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3) übergeben werden, - eine Parameterselektionseinheit (E2), an welche die logische Information (An) übergeben wird, und die daraus die zur Ansteuerung des Gate-Treibers (GD1,n, GD2,n) benötigten Parameter Totzeit (TD) und Modulationsfrequenz (fm) ermittelt und an die Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3) übergibt, - wobei in der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3) aus dem Eingangssignal (α) und dem Rechenwert (Rz) ein Modulationsgrad errechnet wird und die logische Information (An) sowie die Totzeit (TD) und Modulationsfrequenz (fm) miteinander verknüpft werden, und daraus mindestens ein Ansteuersignal (M1, M2) als Ausgangssignal bestimmt wird, welches über die Ausgänge (S1,n, S2,n) an den mindestens einen Gate-Treiber (GD_1,n; GD_2,n) übermittelt wird.
Signalausgabe-Baustein (1) nach Anspruch 1, wobei - der erste Ausgang (S1,n) zur Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiters mit einer ersten Totzeit (TD,1 ) und einer ersten Modulationsfrequenz (fm,1) eingerichtet ist, und - jeder weitere Ausgang (S2,n) zur Ansteuerung jedes weiteren der Leistungshalbleiter mit einer weiteren Totzeit (TD,2) und einer weiteren Modulationsfrequenz (fm,2) eingerichtet ist, wobei gilt: T_D,n+1 ≥ T_D,n und fm,n+1 ≤ fm,n, wobei n der Anzahl der Ausgänge entspricht.
Signalausgabe-Baustein (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Leistungshalbleiter ein SiC-MOSFET und ein zweiter Leistungshalbleiter ein Si-IGBT ist.
Signalausgabe-Baustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Parameterselektionseinheit (E2) die Ermittlung von Totzeit (TD) und Modulationsfrequenz (fm) anhand einer vorgegebenen Wahrheitstabelle erfolgt,
Signalausgabe-Baustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Einheit zur Erzeugung einer Ansteuermatrix (E3) die Ermittlung des Ansteuersignals (M1, M2) anhand einer vorgegebenen Wahrheitstabelle erfolgt.
Signalausgabe-Baustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei je Ausgang (S1,n, S2,n) und je anzusteuerndem topologischem Schalter ein Gate-Treiber (GD1,n, GD2,n) vorgesehen ist.
Signalausgabe-Baustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein einziger Gate-Treiber zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, an den alle Ansteuersignale (M1, M2) ausgegeben werden.
Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit einem Signalausgabe-Baustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend das Elektronikmodul nach Anspruch 8.
Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit dem Elektronikmodul nach Anspruch 9.
Verfahren zur zustandsabhängigen Ansteuerung mindestens eines Gate-Treibers (GD_1,n; GD_2,n) zur Ansteuerung von mindestens zwei Leistungshalbleitern, die einen topologischen Schalter bilden und aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder Halbleitertypen gebildet sind, mittels eines Signalausgabe-Bausteins (1), der einen Ausgang (S1,n, S2,n) je Leistungshalbleiter aufweist, wobei die Ansteuerung erfolgt durch - eine Erfassung eines vorgegebenen ersten Eingangssignals (α), und - eine Erfassung einer Zustandsgröße oder eines Zustandsgrößenvektors (Z) als zweites Eingangssignal, wobei die Zustandsgröße oder der Zustandsgrößenvektor (Z) in einen Rechenwert (Rz) und in eine logische Information (An) umgewandelt wird, die angibt, welcher der Leistungshalbleiter anzusteuern ist, und - eine Ermittlung der zur Ansteuerung des Gate-Treibers (GD1,n, GD2,n) benötigten Parameter Totzeit (TD) und Modulationsfrequenz (fm) aus der logischen Information (An), wobei - aus dem ersten Eingangssignal (α) und dem Rechenwert (Rz) ein Modulationsgrad errechnet wird und die logische Information (An) sowie die Totzeit (TD) und Modulationsfrequenz (fm) miteinander verknüpft werden, und daraus mindestens ein Ansteuersignal (M1, M2) bestimmt wird, welches über die Ausgänge (S1,n, S2,n) an den mindestens einen Gate-Treiber (GD_1,n; GD_2,n) übermittelt wird.