DE102022209659A1 - Method and device for operating a power semiconductor module and gate driver module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls (2), wobei das Leistungshalbleiter-Modul (2) mindestens eine Parallelschaltung von mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) mit isolierten Gate-Anschlüssen (G1 - G4) aufweist, wobei die Gate-Anschlüsse (G1 - G4) der Leistungs-Transistoren (T1 - T4) einzeln herausgeführt sind und einzeln durch mindestens einen Gate-Treiberbaustein (3, 4) ansteuerbar sind, wobei in einem Speicher (5) eine Kennlinie (K) der Schwellspannung über der Temperatur (T) abgelegt ist, wobei in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors (T1 - T4) bei einer aktuell vorliegenden Temperatur (T) gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor (T1 - T4) eine angepasste Kennlinie (K`) aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannungen der Leistungs-Transistoren (T1 - T4) erfasst werden und daraus eine Temperatur (T) jedes einzelnen Leistungs-Transistors (T1 - T4) bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur (T) zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken, eine Vorrichtung (1) und einen Gate-Treiberbaustein (3, 4)The invention relates to a method for operating a power semiconductor module (2), wherein the power semiconductor module (2) has at least one parallel connection of at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) with insulated gate connections (G1 - G4 ), wherein the gate connections (G1 - G4) of the power transistors (T1 - T4) are led out individually and can be controlled individually by at least one gate driver module (3, 4), a characteristic curve being stored in a memory (5). (K) the threshold voltage is stored above the temperature (T), the threshold voltage of each power transistor (T1 - T4) being measured at a current temperature (T) in an initialization step and for each power transistor (T1 - T4) an adapted characteristic curve (K`) is stored based on the measured threshold voltage, the threshold voltages of the power transistors (T1 - T4) being recorded during operation and a temperature (T) of each individual power transistor (T1 - T4) being determined from this, where if there is a deviation in temperature (T) between at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) the control of at least one of the power transistors (T1, T2; T3, T4) is changed in order to counteract the deviation, a device (1) and a gate driver module (3, 4)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls sowie einen Gate-Treiberbaustein.The invention relates to a method and a device for operating a power semiconductor module and a gate driver module.

Insbesondere SiC-MOSFETs werden in Leistungsmodulen für beispielsweise Fahrzeuganwendungen wie Pulswechselrichter häufig parallelgeschaltet. Dies liegt an dem Strombedarf der Elektromaschinen, der von einem einzelnen SiC-MOSFET nicht getragen werden kann. Die einzelnen Chips weisen dabei relativ große Steuerungen auf (z. B. ± 30 % für Rdson und Gate-Threshold-Spannungen). Auch die thermischen Pfade können unterschiedlich sein, so dass es aufgrund von Worst-Case-Szenarien typischerweise zu einer Überdimensionierung kommt. Eine Lösung ist eine Selektierung der Chips in sogenannte „Bins“, wo ähnliche Chips herausgesucht werden, was aber umständlich ist und nur begrenzt immer möglich ist. Ähnliche Probleme können sich auch bei iGBTs stellen.SiC MOSFETs in particular are often connected in parallel in power modules for vehicle applications such as pulse inverters. This is due to the power requirements of the electrical machines, which cannot be supported by a single SiC MOSFET. The individual chips have relatively large controls (e.g. ± 30% for Rdson and gate threshold voltages). The thermal paths can also be different, so oversizing typically occurs due to worst-case scenarios. One solution is to select the chips into so-called “bins”, where similar chips are selected, but this is cumbersome and is only possible to a limited extent. Similar problems can also arise with iGBTs.

Aus der US 2011/0018593 A1 ist ein Gate-Treiberbaustein für einen Leistungs-MOSFET in einem DC/DC-Wandler bekannt, der den MOSFET derart ansteuert, dass dieser nicht voll gesperrt wird, sondern in einen Bereich gesteuert wird, dass noch ein geringer Strom fließt.From the US 2011/0018593 A1 a gate driver component for a power MOSFET in a DC/DC converter is known, which controls the MOSFET in such a way that it is not completely blocked, but rather is controlled in a range so that a small current still flows.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls zur Verfügung zu stellen, bei dem die Probleme aufgrund von Toleranzen der einzelnen Transistoren reduziert werden. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung einer geeigneten Vorrichtung und eines geeigneten Gate-Treiberbausteins.The invention is based on the technical problem of providing a method for operating a power semiconductor module in which the problems due to tolerances of the individual transistors are reduced. Another technical problem is the creation of a suitable device and a suitable gate driver component.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einen Gate-Treiberbaustein mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from a method with the features of claim 1, a device with the features of claim 9 and a gate driver module with the features of claim 10. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls, wobei das Leistungshalbleiter-Modul mindestens eine Parallelschaltung von mindestens zwei Leistungs-Transistoren mit isolierten Gate-Anschlüssen aufweist, wobei die Gate-Anschlüsse der Leistungs-Transistoren einzeln herausgeführt sind und einzeln durch einen Gate-Treiberbaustein ansteuerbar sind. In einem Speicher ist eine Kennlinie der Schwellspannung über der Temperatur abgelegt. Diese Kennlinie wird typischerweise vom Hersteller des Leistungs-Transistors als Datenblatt geliefert und stellt den Zusammenhang für einen gemittelten Leistungs-Transistor der Herstellungsserie dar. In einem Initialisierungsschritt wird die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors bei einer aktuell vorliegenden Temperatur gemessen, wobei die Temperatur beispielsweise mittels eines Temperatursensors gemessen wird. Dabei wird der Drainstrom bzw. Kollektorstrom so gering wie möglich gehalten, um eine Temperaturerhöhung während der Messung zu verhindern. Anschließend wird für jeden Leistungs-Transistor eine angepasste Kennlinie aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert. Die Anpassung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Kennlinie des Herstellers verschoben wird, so dass diese durch den gemessenen Punkt der gemessenen Schwellspannung bei der aktuellen Temperatur geht. Im Betrieb werden die Schwellspannungen des Leistungs-Transistors erfasst und daraus eine Temperatur jedes einzelnen Leistungs-Transistors mittels seiner angepassten Kennlinie bestimmt, wobei bei einer Abweichung der Temperatur zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistors verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken. Hierdurch wird das Verhalten symmetriert, so dass die Leistungs-Transistoren gleichmäßiger belastet werden. Die Abweichung kann dabei absolut sein (z. B. 2 - 10° C) oder aber relativ sein (z. B. 2 - 5 % wärmer oder kälter). Bei einem Leistungs-MOSFET wird die Schwellspannung auch als Gate-Threshold-Spannung bezeichnet.What is proposed is a method for operating a power semiconductor module, wherein the power semiconductor module has at least one parallel connection of at least two power transistors with insulated gate connections, the gate connections of the power transistors being led out individually and individually through a gate connection. Driver module can be controlled. A characteristic curve of the threshold voltage versus temperature is stored in a memory. This characteristic curve is typically supplied by the manufacturer of the power transistor as a data sheet and represents the relationship for an averaged power transistor of the production series. In an initialization step, the threshold voltage of each power transistor is measured at a current temperature, the temperature being measured, for example, by means of a Temperature sensor is measured. The drain current or collector current is kept as low as possible in order to prevent an increase in temperature during the measurement. An adapted characteristic curve based on the measured threshold voltage is then saved for each power transistor. The adjustment is preferably carried out by shifting the manufacturer's characteristic curve so that it passes through the measured point of the measured threshold voltage at the current temperature. During operation, the threshold voltages of the power transistor are recorded and a temperature of each individual power transistor is determined using its adapted characteristic curve, whereby if there is a deviation in the temperature between at least two power transistors, the control of at least one of the power transistors is changed in order to to counteract deviation. This symmetrizes the behavior so that the power transistors are loaded more evenly. The deviation can be absolute (e.g. 2 - 10° C) or relative (e.g. 2 - 5% warmer or colder). For a power MOSFET, the threshold voltage is also known as the gate threshold voltage.

In einer Ausführungsform wird ein wärmerer Leistungs-Transistor schneller geschaltet und/oder ein kälterer Leistungs-Transistor langsamer geschaltet. Bei stromgesteuerten Gate-Treiberbausteinen erfolgt dies durch die Höhe des Stroms und bei spannungsgesteuerten Gate-Treiberbausteinen durch Anpassung des Gate-Widerstandes oder der Gate-Spannung.In one embodiment, a warmer power transistor is switched faster and/or a colder power transistor is switched slower. In the case of current-controlled gate driver components, this is done by adjusting the current level and in the case of voltage-controlled gate driver components, this is done by adjusting the gate resistance or the gate voltage.

In einer weiteren Ausführungsform werden die ermittelten Temperaturen des Leistungs-Transistors mittels der Schwellspannungen mittels mindestens einer weiteren Temperaturmessung und/oder Ermittlung der Temperatur plausibilisiert. Die Messung kann beispielsweise mittels des Temperatursensors aus der Initialisierungsphase erfolgen und/oder eines anderen Temperatursensors.In a further embodiment, the determined temperatures of the power transistor are checked for plausibility using the threshold voltages using at least one further temperature measurement and/or determination of the temperature. The measurement can be carried out, for example, using the temperature sensor from the initialization phase and/or another temperature sensor.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Durchgangswiderstand Rdson bzw. Rceon der Parallelschaltung ermittelt und daraus eine Temperatur für die Leistungs-Transistoren ermittelt. In a further embodiment, the volume resistance Rdson or R ceon of the parallel connection is determined and a temperature for the power transistors is determined from this.

Diese gemittelte Temperatur ist für Plausibilisierungszwecke häufig ausreichend, um Messfehler der Schwellspannung bzw. Gate-Threshold-Spannung zu erfassen.This averaged temperature is often sufficient for plausibility checks in order to detect measurement errors in the threshold voltage or gate threshold voltage.

In einer weiteren Ausführungsform wird in dem Initialisierungsschritt der Drainstrom bzw. Kollektorstrom durch eine Stromquelle konstant eingestellt, was die Genauigkeit der Messung verbessert. Vorzugsweise ist die Stromquelle Bestandteil des Gate-Treiberbausteins.In a further embodiment, in the initialization step, the drain current or collector current is set constant by a current source, which improves the accuracy of the measurement. The current source is preferably part of the gate driver module.

In einer weiteren Ausführungsform wird bei einer erfassten Schwellspannung größer einem Schwellwert ein Fehlersignal für den zugeordneten Leistungs-Transistor erzeugt, so dass dieser beispielsweise ausgetauscht werden kann oder die Ansteuerung angepasst wird, da eine steigende Schwellspannung auf einen baldigen Ausfall hinweist. Die Abweichung kann dabei auch wieder absolut sein oder aber relativ (z. B. + 20 % von der ursprünglichen Schwellspannung bzw. z. B. 3 V).In a further embodiment, if a detected threshold voltage is greater than a threshold value, an error signal is generated for the associated power transistor, so that it can be replaced, for example, or the control is adjusted, since an increasing threshold voltage indicates an imminent failure. The deviation can again be absolute or relative (e.g. + 20% of the original threshold voltage or e.g. 3 V).

In einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungshalbleiter-Modul Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Kraftfahrzeuges, wobei der Initialisierungsschritt beim Starten des Kraftfahrzeuges durchgeführt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass dies bei jedem Start erfolgt. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen den Starts eine gewisse Zeit verstrichen sein muss, damit alle thermischen Ausgleichsvorgänge abgeschlossen sind.In a further embodiment, the power semiconductor module is part of a traction network of a motor vehicle, with the initialization step being carried out when the motor vehicle is started. Provision can be made for this to occur at every start. It can also be provided that a certain time must have elapsed between starts so that all thermal compensation processes are completed.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungshalbleiter-Modul ein Wechselrichter einer Elektromaschine, wobei bei einem detektierten Kurzschluss eines Leistungs-Transistors oder einem zu erwartenden Kurzschluss eines Leistungs-Transistors in einem aktiven Kurzschluss der Elektromaschine die parallelen Leistungs-Transistoren des kurzschlussbehafteten Leistungs-Transistors dauerhaft durchgeschaltet werden, so dass ein Kurzschluss der Betriebsspannung vermieden wird.In a further embodiment, the power semiconductor module is an inverter of an electric machine, wherein in the event of a detected short circuit of a power transistor or an expected short circuit of a power transistor in an active short circuit of the electric machine, the parallel power transistors of the short-circuited power transistor are permanently switched on so that a short circuit in the operating voltage is avoided.

Die Vorrichtung zum Betreiben mindestens eines Leistungshalbleiter-Moduls weist ein Leistungshalbleiter-Modul mit einer Parallelschaltung von mindestens zwei Leistungs-Transistoren mit isolierten Gate-Anschlüssen auf, wobei die Gate-Anschlüsse der Leistungs-Transistoren einzeln herausgeführt sind und einzeln durch mindestens einen Gate-Treiberbaustein ansteuerbar sind, wobei die Vorrichtung weiter mindestens einen Speicher und mindestens einen Temperatursensor aufweist, wobei in dem Speicher eine Kennlinie der Schwellspannung über der Temperatur abgelegt ist, wobei die Vorrichtung weiter derart ausgebildet ist, dass in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors bei einer aktuell vorliegenden Temperatur gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor eine angepasste Kennlinie aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannung erfasst werden und daraus eine Temperatur jedes einzelnen Leistungs-Transistors bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistoren verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen wird auf die vorangegangenen verfahrensmäßigen Ausgestaltungen verwiesen, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.The device for operating at least one power semiconductor module has a power semiconductor module with a parallel connection of at least two power transistors with insulated gate connections, the gate connections of the power transistors being led out individually and individually through at least one gate driver module can be controlled, the device further having at least one memory and at least one temperature sensor, a characteristic curve of the threshold voltage versus the temperature being stored in the memory, the device being further designed such that in an initialization step, the threshold voltage of each power transistor at a current temperature is measured and an adapted characteristic curve is stored for each power transistor based on the measured threshold voltage, the threshold voltage being recorded during operation and a temperature of each individual power transistor being determined from this, with a deviation in the temperature between at least two power -Transistors, the control of at least one of the power transistors is changed in order to counteract the deviation. With regard to further refinements, reference is made to the previous procedural refinements, to which reference is made in full.

Der Gate-Treiberbaustein zur Ansteuerung von mindestens zwei parallelgeschalteten Leistungs-Transistoren mit Einzel-Gate-Ansteuerung weist mindestens einen Speicher auf, in dem eine Kennlinie der Schwellspannung über der Temperatur abgelegt ist. Der Gate-Treiberbaustein ist derart ausgebildet, dass in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors bei einer aktuell vorliegenden Temperatur gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor eine angepasste Kennlinie aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannungen der Leistungs-Transistoren erfasst werden und daraus eine Temperatur jedes einzelnen Leistungs-Transistors anhand der angepassten Kennlinie bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistoren verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken.The gate driver module for controlling at least two power transistors connected in parallel with single gate control has at least one memory in which a characteristic curve of the threshold voltage versus temperature is stored. The gate driver module is designed in such a way that in an initialization step the threshold voltage of each power transistor is measured at a current temperature and an adapted characteristic curve based on the measured threshold voltage is stored for each power transistor, the threshold voltages of the power transistors being the same during operation are detected and from this a temperature of each individual power transistor is determined based on the adapted characteristic curve, whereby if there is a deviation in the temperature between at least two power transistors, the control of at least one of the power transistors is changed in order to counteract the deviation.

Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.With regard to the further configurations, reference is made in full to the previous statements.

Die Leistungs-Transistoren sind vorzugsweise SiC-MOSFETs. Die Leistungs-Transitoren können aber auch iGBTs oder MOSFETs mit anderer Technologie sein. Das Leistungshalbleiter-Modul ist vorzugsweise ein Wechselrichter eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.The power transistors are preferably SiC MOSFETs. The power transistors can also be iGBTs or MOSFETs with other technology. The power semiconductor module is preferably an inverter of a traction network of an electric or hybrid vehicle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls und
  • 2 eine schematische Kennlinie der Gate-Threshold-Spannung über der Temperatur.
The invention is explained in more detail below using preferred exemplary embodiments. The figures show:
  • 1 a schematic representation of a device for operating a power semiconductor module and
  • 2 a schematic characteristic curve of the gate threshold voltage versus temperature.

In der 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Betreiben eines Leistungshalbleitermoduls 2 dargestellt. Das Leistungshalbleitermodul 2 ist als Halbbrückenschaltung ausgebildet, wobei zwei Leistungs-Transistoren T1, T2 als High-Side-Schalter und zwei Leistungs-Transistoren T3, T4 als Low-Side-Schalter parallelgeschaltet sind. Die Leistungs-Transistoren T1 - T4 sind dabei als MOSFETs ausgebildet. Die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren kann dabei auch größer sein und beispielsweise zwischen 4 - 8 liegen. Die Gate-Anschlüsse G1 - G4 sind dabei einzeln herausgeführt. Dabei sind die Gate-Anschlüsse G1, G2 der High-Side-Schalter mit einem Gate-Treiberbaustein 3 und die Gate-Anschlüsse G3 und G4 der Low-Side-Schalter mit einem Gate-Treiberbaustein 4 verbunden, wobei die Gate-Treiberbausteine 3, 4 derart ausgebildet sind, die Gate-Anschlüsse G1 - G4 voneinander unabhängig anzusteuern. Das Leistungshalbleiter-Modul 2 weist weiter mindestens eine nicht dargestellte Spannungsmesseinrichtung und mindestens eine nicht dargestellte Strommesseinrichtung auf, um die jeweilige Drain-Source-Spannung UDS und den Drainstrom ID durch die Parallelschaltung zu messen. Diese Messwerte werden jeweils dem zugeordneten Gate-Treiberbausteinen 3, 4 zugeführt. Die Gate-Treiberbausteine 3, 4 können dabei als strom- oder spannungsgesteuerte Gate-Treiberbausteine 3, 4 ausgebildet sein. Die Gate-Treiberbausteine 3, 4 weisen weiter mindestens einen Speicher 5 und einen Mikroprozessor 6 auf, wobei diese aber auch als separate Bauteile ausgebildet sein können. Weiter sind die Gate-Treiberbausteine 3, 4 derart ausgebildet, die Gate-Threshold-Spannung als Schwellspannung der einzelnen Leistungs-Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 zu erfassen. Schließlich weisen die Gate-Treiberbausteine 3, 4 zuschaltbare Stromquellen 7 auf, um einen konstanten Drainstrom ID in einem Initialisierungsschritt einzustellen.In the 1 A device 1 for operating a power semiconductor module 2 is shown schematically. The power semiconductor module 2 is designed as a half-bridge circuit, with two power transistors T1, T2 being connected in parallel as high-side switches and two power transistors T3, T4 as low-side switches. The power transistors T1 - T4 are designed as MOSFETs. The number of parallel connected Transistors can also be larger and, for example, between 4 and 8. The gate connections G1 - G4 are led out individually. The gate connections G1, G2 of the high-side switch are connected to a gate driver module 3 and the gate connections G3 and G4 of the low-side switch are connected to a gate driver module 4, the gate driver modules 3, 4 are designed to control the gate connections G1 - G4 independently of each other. The power semiconductor module 2 further has at least one voltage measuring device, not shown, and at least one current measuring device, not shown, in order to measure the respective drain-source voltage U DS and the drain current I D through the parallel connection. These measured values are each fed to the assigned gate driver modules 3, 4. The gate driver modules 3, 4 can be designed as current or voltage-controlled gate driver modules 3, 4. The gate driver modules 3, 4 also have at least one memory 5 and a microprocessor 6, although these can also be designed as separate components. Furthermore, the gate driver modules 3, 4 are designed to detect the gate threshold voltage as the threshold voltage of the individual power transistors T1, T2 or T3, T4. Finally, the gate driver modules 3, 4 have switchable current sources 7 in order to set a constant drain current I D in an initialization step.

In dem Speicher 5 ist eine Kennlinie der Gate-Threshold-Spannung UGS über der Temperatur T abgespeichert (s. 2). Diese Kennlinie wird vorzugsweise vom Hersteller vorgegeben und kann einem Datenblatt entnommen werden. Diese Kennlinie ist stark toleranzbehaftet. Dabei sei angemerkt, dass vorliegend unter dem Begriff Kennlinie auch eine Look-up-Tabelle verstanden wird. Weiter ist dem Leistungshalbleiter-Modul 2 mindestens ein Temperatursensor 8 zugeordnet, der beispielsweise an einem Kühlkreislauf des Leistungshalbleiter-Moduls 2 angeordnet ist, wobei die Messwerte der Temperatur T ebenfalls dem Gate-Treiberbaustein 3, 4 zugeführt werden.A characteristic curve of the gate threshold voltage U GS versus the temperature T is stored in the memory 5 (see Fig. 2 ). This characteristic curve is preferably specified by the manufacturer and can be found on a data sheet. This characteristic curve is subject to high tolerances. It should be noted that in this case the term characteristic curve also means a look-up table. Furthermore, at least one temperature sensor 8 is assigned to the power semiconductor module 2, which is arranged, for example, on a cooling circuit of the power semiconductor module 2, the measured values of the temperature T also being supplied to the gate driver module 3, 4.

Aufgrund von Herstellungstoleranzen sind die Leistungs-Transistoren T1 - T4 hinsichtlich ihrer Parameter (z. B. Gate-Threshold-Spannung) unterschiedlich. Dies würde im Betrieb ohne Gegenmaßnahmen zu einer unterschiedlich starken Belastung der Leistungs-Transistoren T1 - T4 führen, so dass stärker belastete Leistungs-Transistoren T1 - T4 eher ausfallen würden.Due to manufacturing tolerances, the power transistors T1 - T4 are different in terms of their parameters (e.g. gate threshold voltage). During operation, without countermeasures, this would lead to different levels of loading on the power transistors T1 - T4, so that more heavily loaded power transistors T1 - T4 would be more likely to fail.

Zur Vermeidung dieses Problems erfolgt vor der eigentlichen Inbetriebnahme ein Initialisierungsschritt. Dabei wird angenommen, dass vor dem Start das Leistungshalbleiter-Modul 2 thermisch stabil ist und die vom Temperatursensor 8 gemessene Temperatur T mit der Temperatur Tj der Leistungs-Transistoren T1 - T4 übereinstimmt. Die Gate-Treiberbausteine 3, 4 bestimmen nun nacheinander die Gate-Threshold-Spannung UGS jedes Leistungs-Transistors T1 - T4. Aufgrund der Messwerte für die Gate-Threshold-Spannung UGS bei der aktuellen Temperatur T wird dann für jeden Leistungs-Transistor T1 - T4 die Kennlinie durch eine Verschiebung angepasst, so dass die Kennlinie durch den Messpunkt geht. Die derart angepassten Kennlinien für jeden Leistungs-Transistor T1 - T4 werden dann abgespeichert. Dabei wird für die Messung der Drainstrom ID durch die Stromquellen 7 auf niedrigem Niveau konstant gehalten (z. B. 20 mA), so dass es während der Messung zu keiner nennenswerten Temperaturerhöhung und Stromänderung kommt.To avoid this problem, an initialization step is carried out before the actual commissioning. It is assumed that before starting the power semiconductor module 2 is thermally stable and the temperature T measured by the temperature sensor 8 corresponds to the temperature Tj of the power transistors T1 - T4. The gate driver modules 3, 4 now successively determine the gate threshold voltage U GS of each power transistor T1 - T4. Based on the measured values for the gate threshold voltage U GS at the current temperature T, the characteristic curve is then adjusted for each power transistor T1 - T4 by a shift so that the characteristic curve passes through the measuring point. The characteristics adapted in this way for each power transistor T1 - T4 are then saved. For the measurement, the drain current I D is kept constant at a low level by the current sources 7 (e.g. 20 mA), so that there is no significant increase in temperature or change in current during the measurement.

Im Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls 2 werden dann wieder die Gate-Threshold-Spannungen UGS der Leistungs-Transistoren T1 - T4 bestimmt und daraus mittels der angepassten Kennlinien die jeweilige Temperatur T der einzelnen Leistungs-Transistoren T1 - T4 bestimmt. Weichen dabei die Temperaturen T von parallelgeschalteten Transistoren um einen absoluten oder relativen Wert voneinander ab, so spricht dies für eine ungleichmäßige Belastung und die Ansteuerung wird angepasst, um der Abweichung entgegen zu wirken. So kann beispielsweise ein wärmerer Transistor schneller und/oder ein kälterer Transistor langsamer geschaltet werden, um so den Strom in den Umschaltmomenten gleichmäßiger zu verteilen.During operation of the power semiconductor module 2, the gate threshold voltages U GS of the power transistors T1 - T4 are then determined again and the respective temperature T of the individual power transistors T1 - T4 is determined from this using the adapted characteristic curves. If the temperatures T of transistors connected in parallel differ from one another by an absolute or relative value, this indicates an uneven load and the control is adjusted to counteract the deviation. For example, a warmer transistor can be switched faster and/or a colder transistor can be switched slower in order to distribute the current more evenly during the switching moments.

Da der Durchgangswiderstand Rdson ebenfalls von der Temperatur T abhängig ist, können aus der ermittelten Temperatur T mittels des Durchgangswiderstandes Rdson die ermittelten Temperaturen T für die Leistungs-MOSFETs plausibilisiert werden, auch wenn die Temperatur aufgrund des Durchgangswiderstandes Rdson im Betrieb über die Parallelschaltung geht und somit gemittelt ist.Since the volume resistance Rdson also depends on the temperature T, the determined temperatures T for the power MOSFETs can be checked for plausibility from the determined temperature T using the volume resistance Rdson, even if the temperature goes over the parallel connection during operation due to the volume resistance Rdson and thus is averaged.

Weiter kann bei einem bestimmten Wert für die Gate-Threshold-Spannung UGS auf einen Fehler geschlossen werden und ein Warnsignal erzeugt werden.Furthermore, at a certain value for the gate threshold voltage U GS, an error can be concluded and a warning signal can be generated.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz in einem Wechselrichter eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, wobei dann drei Halbbrücken verwendet werden, wobei der Initialisierungsschritt parallel in den drei Halbbrücken erfolgen kann.A preferred area of application is use in an inverter of a traction network of an electric or hybrid vehicle, in which case three half-bridges are used, and the initialization step can take place in parallel in the three half-bridges.

In der 2 ist eine Kennlinie K der Gate-Threshold-Spannung UGS sowie angepasste Kennlinie K` aufgrund einer Gate-Threshold-Spannungsmessung in dem Initialisierungsschritt über der Temperatur T für ein Leistungs-MOSFET dargestellt.In the 2 a characteristic curve K of the gate threshold voltage U GS and an adapted characteristic curve K` based on a gate threshold voltage measurement in the initialization step are shown over the temperature T for a power MOSFET.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Vorrichtungcontraption
22
LeistungshalbleitermodulPower semiconductor module
33
Gate-TreiberbausteinGate driver module
44
Gate-TreiberbausteinGate driver module
55
SpeicherStorage
66
Mikroprozessormicroprocessor
77
StromquellenPower sources
88th
TemperatursensorTemperature sensor
G1 - G4G1 - G4
GateanschlüsseGate connections
IDID
Drainstromdrain current
KK
Kennliniecurve
K`K`
angepasste Kennlinieadapted characteristic curve
TT
Temperaturtemperature
T1 - T4T1 - T4
Leistungs-TransistorPower transistor
UDSUDS
Drain-Source SpannungDrain-source voltage
UGSUGS
Gate-Threshold-SpannungGate threshold voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 20110018593 A1 [0003]US 20110018593 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Leistungshalbleiter-Moduls (2), wobei das Leistungshalbleiter-Modul (2) mindestens eine Parallelschaltung von mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) mit isolierten Gate-Anschlüssen (G1 - G4) aufweist, wobei die Gate-Anschlüsse (G1 - G4) der Leistungs-Transistoren (T1 - T4) einzeln herausgeführt sind und einzeln durch mindestens einen Gate-Treiberbaustein (3, 4) ansteuerbar sind, wobei in einem Speicher (5) eine Kennlinie (K) der Schwellspannung über der Temperatur (T) abgelegt ist, wobei in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors (T1 - T4) bei einer aktuell vorliegenden Temperatur (T) gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor (T1 - T4) eine angepasste Kennlinie (K`) aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannungen der Leistungs-Transistoren (T1 - T4) erfasst werden und daraus eine Temperatur (T) jedes einzelnen Leistungs-Transistors (T1 - T4) bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur (T) zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken.Method for operating a power semiconductor module (2), wherein the power semiconductor module (2) has at least one parallel connection of at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) with insulated gate connections (G1 - G4), wherein the gate connections (G1 - G4) of the power transistors (T1 - T4) are brought out individually and can be controlled individually by at least one gate driver module (3, 4), a characteristic curve (K) being stored in a memory (5). Threshold voltage is stored above the temperature (T), the threshold voltage of each power transistor (T1 - T4) being measured at a current temperature (T) in an initialization step and an adapted characteristic curve (T1 - T4) for each power transistor (T1 - T4). K`) is stored based on the measured threshold voltage, the threshold voltages of the power transistors (T1 - T4) being recorded during operation and a temperature (T) of each individual power transistor (T1 - T4) being determined from this, whereby in the event of a deviation the temperature (T) between at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) the control of at least one of the power transistors (T1, T2; T3, T4) is changed in order to counteract the deviation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein wärmerer Leistungs-Transistor (T1 - T4) schneller geschaltet und/oder ein kälterer Leistungs-Transistor (T1 - T4) langsamer geschaltet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a warmer power transistor (T1 - T4) is switched faster and / or a colder power transistor (T1 - T4) is switched slower. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Temperaturen (T) mittels der Schwellspannung mittels mindestens einer weiteren Temperaturmessung und/oder Ermittlung der Temperatur plausibilisiert werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the determined temperatures (T) are checked for plausibility by means of the threshold voltage by means of at least one further temperature measurement and/or determination of the temperature. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgangswiderstand (Rdson) der Parallelschaltung ermittelt wird und daraus eine Temperatur (T) für die Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) ermittelt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that a volume resistance (Rdson) of the parallel connection is determined and from this a temperature (T) for the power transistors (T1, T2; T3, T4) is determined. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Initialisierungsschritt der Drain-Strom (ID) oder Kollektorstrom durch eine Stromquelle (7) konstant eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the initialization step the drain current ( ID ) or collector current is set constant by a current source (7). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erfassten Schwellspannung größer einem Schwellwert ein Fehlersignal für den zugeordneten Leistungs-Transistor (T1 - T4) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when a detected threshold voltage is greater than a threshold value, an error signal is generated for the associated power transistor (T1 - T4). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiter-Modul (2) Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Kraftfahrzeuges ist, wobei der Initialisierungsschritt beim Starten des Kraftfahrzeuges durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductor module (2) is part of a traction network of a motor vehicle, the initialization step being carried out when the motor vehicle is started. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiter-Modul (2) ein Wechselrichter einer Elektromaschine ist, wobei bei einem detektierten oder bevorstehenden Kurzschluss eines Leistungs-Transistors (T1 - T4) in einem aktiven Kurzschluss der Elektromaschine die parallelen Leistungs-Transistoren (T1 - T4) des kurzschlussbehafteten Leistungs-Transistors (T1 - T4) dauerhaft durchgeschaltet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductor module (2) is an inverter of an electric machine, wherein in the event of a detected or impending short circuit of a power transistor (T1 - T4) in an active short circuit of the electric machine, the parallel power Transistors (T1 - T4) of the short-circuited power transistor (T1 - T4) are permanently switched on. Vorrichtung (1) zum Betreiben mindestens eines Leistungshalbleiter-Moduls (2), wobei die Vorrichtung (1) ein Leistungshalbleiter-Modul (2) mit einer Parallelschaltung von mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) mit isolierten Gate-Anschlüssen (G1 - G4) aufweist, wobei die Gate-Anschlüsse (G1 - G4) der Leistungs-Transistoren (T1 - T4) einzeln herausgeführt sind und einzeln durch mindestens einen Gate-Treiberbaustein (3, 4) ansteuerbar sind, wobei die Vorrichtung (1) weiter mindestens einen Speicher (5) und mindestens einen Temperatursensor (8) aufweist, wobei in dem Speicher (5) eine Kennlinie (K) der Schwellspannung über der Temperatur (T) abgelegt ist, wobei die Vorrichtung (1) weiter derart ausgebildet ist, dass in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors (T1 - T4) bei einer aktuell vorliegenden Temperatur (T) gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor (T1 - T4) eine angepasste Kennlinie (K`) aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannung erfasst werden und daraus eine Temperatur (T) jedes einzelnen Leistungs-Transistors (T1 - T4) bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur (T) zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistors (T1, T2; T3, T4) verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken.Device (1) for operating at least one power semiconductor module (2), the device (1) having a power semiconductor module (2) with a parallel connection of at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) with insulated gates. Connections (G1 - G4), wherein the gate connections (G1 - G4) of the power transistors (T1 - T4) are led out individually and can be controlled individually by at least one gate driver module (3, 4), the device ( 1) further has at least one memory (5) and at least one temperature sensor (8), a characteristic curve (K) of the threshold voltage versus the temperature (T) being stored in the memory (5), the device (1) being further designed in this way is that in an initialization step, the threshold voltage of each power transistor (T1 - T4) is measured at a current temperature (T) and an adapted characteristic curve (K`) is stored for each power transistor (T1 - T4) based on the measured threshold voltage is, whereby the threshold voltage is detected during operation and a temperature (T) of each individual power transistor (T1 - T4) is determined therefrom, with a deviation in the temperature (T) between at least two power transistors (T1, T2; T3, T4) the control of at least one of the power transistors (T1, T2; T3, T4) is changed in order to counteract the deviation. Gate-Treiberbaustein (3, 4) zur Ansteuerung von mindestens zwei parallelgeschalteten Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) mit Einzel-Gate-Ansteuerung, wobei der Gate-Treiberbaustein (3, 4) mindestens einen Speicher (5) aufweist, wobei in dem Speicher (5) eine Kennlinie (K) der Schwellspannung über der Temperatur (T) abgelegt ist, wobei der Gate-Treiberbaustein (3, 4) derart ausgebildet ist, dass in einem Initialisierungsschritt die Schwellspannung jedes Leistungs-Transistors (T1 - T4) bei einer aktuell vorliegenden Temperatur (T) gemessen wird und für jeden Leistungs-Transistor (T1 - T4) eine angepasste Kennlinie (K`) aufgrund der gemessenen Schwellspannung abgespeichert wird, wobei im Betrieb die Schwellspannungen der Leistungs-Transistoren (T1 -T4) erfasst werden und daraus eine Temperatur (T) jedes einzelnen Leistungs-Transistors (T1 - T4) bestimmt wird, wobei bei einer Abweichung der Temperatur (T) zwischen mindestens zwei Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) die Ansteuerung mindestens eines der Leistungs-Transistoren (T1, T2; T3, T4) verändert wird, um der Abweichung entgegen zu wirken.Gate driver module (3, 4) for controlling at least two parallel-connected power transistors (T1, T2; T3, T4) with single gate control, the gate driver module (3, 4) having at least one memory (5). , wherein a characteristic curve (K) of the threshold voltage over the temperature (T) is stored in the memory (5), the gate driver module (3, 4) being designed such that in an initialization step, the threshold voltage of each power transistor (T1 - T4) is measured at a current temperature (T) and for each power transistor (T1 - T4) an adapted characteristic curve (K`) is stored based on the measured threshold voltage, the threshold voltages of the power transistors (T1 -T4) being recorded during operation and from this a temperature (T) of each individual power transistor (T1 - T4) is determined, wherein if there is a deviation in the temperature (T) between at least two power transistors (T1, T2; T3, T4), the control of at least one of the power transistors (T1, T2; T3, T4) is changed to counteract the deviation.
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