DE102023117184A1 - Thermisches management von leistungsstufen für passives motorbremsen - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum passiven Bremsen eines Motors, um eine aktuelle Motordrehzahl zu verringern, beinhaltet das Erzeugen von zumindest einem Steuersignal, um einen ersten Laststrom, der durch eine erste Halbbrückenschaltung erzeugt wird, und einen zweiten Laststrom, der durch eine zweite Halbbrückenschaltung erzeugt wird, zu steuern. Während des passiven Bremsens beinhaltet das Verfahren das synchrone Steuern eines ersten High-Side-Transistors und eines zweiten High-Side-Transistors zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz so, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und das synchrone Steuern eines ersten Low-Side-Transistors und eines zweiten Low-Side-Transistors zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz so, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei der erste High-Side-Transistor und der zweite High-Side-Transistor entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu dem ersten Low-Side-Transistor und dem zweiten Low-Side-Transistor komplementäre Weise angesteuert werden.

Description

  • Viele Funktionen moderner Einrichtungen in Automobil-, Verbraucher- und Industrieanwendungen wie etwa das Steuern eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine bauen auf Leistungshalbleiterbauelemente. Zum Beispiel wurden Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate („Insulated Gate Bipolar Transistors“; IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors“; MOSFETs) und Dioden, um einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen einschließlich aber nicht beschränkt auf Schalter in Leistungsversorgungen und Leistungswandlern eingesetzt.
  • Ein Inverter besteht üblicherweise aus zwei komplementären Leistungsschaltern (z. B. einem High-Side-Transistor und einem Low-Side-Transistor) für jede Motorphase, wobei die beiden komplementären Leistungstransistoren eine mit einer Motorwicklung verbundene Ausgangskontaktstelle („output pad“) ansteuern. Ein Gate-Treiber, der zum Steuern der Leistungsschalter verwendet wird, wird durch eine positive Versorgungsschiene mit einer festen positiven Spannung und durch eine negative Versorgungsschiene mit einer festen negativen Spannung Vneg versorgt. Die positive Versorgungsschiene ist über den High-Side-Schalter mit dem Ausgangs-Pad verbunden, um der Motorwicklung Laststrom zuzuführen, und die negative Versorgungsschiene ist über den Low-Side-Schalter mit dem Ausgangs-Pad verbunden, um Laststrom von der Motorwicklung abzuleiten. Die beiden komplementären Leistungsschalter werden komplementär EIN und AUS geschaltet, um Querschlüsse zu vermeiden.
  • Der Laststrom, der auch als Motorphasenstrom bezeichnet wird, kann mittels einer Steuerelektrode, die manchmal als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Steuerelektrode auf das Empfangen eines entsprechenden Steuersignals von dem Gate-Treiber hin ihren Leistungsschalter entweder in einen leitenden oder einen sperrenden Zustand versetzen. Die Gate-Source-Spannung Vgs eines MOSFETs wird typischerweise auf 0 V herabgesteuert, um die Leistungsschalter auszuschalten, und wird typischerweise auf einen Maximalwert für die Technologie (z. B. 3,3 V) gesteuert, um die Leistungsschalter vollständig einzuschalten. Aus diesem Grund kann die Gate-Source-Spannung Vgs als eine Steuerspannung bezeichnet werden.
  • Während des Normalbetriebs kann ein Motor entsprechend einem Motorsteuerungsalgorithmus angesteuert werden, um eine gewünschte Motordrehzahl, die einer elektrischen Frequenz entspricht, zu erreichen. Es treten jedoch Situationen auf, in denen es gewünscht ist, den Motor zu bremsen. Dies kann eine kontrollierte oder eine Not-Abschaltung des Motors beinhalten oder, allgemeiner ausgedrückt, ein Bremsen des Motors. Ein Motor wird gebremst, indem ein negatives Drehmoment, das die Drehung des Motors verlangsamt, erzeugt wird. Derzeit gibt es aktive Bremsverfahren und passive Bremsverfahren, die zum Motorbremsen verwendet werden. Aktives Bremsen führt einer Motorspule eine aktive Erregung zu (durch Anlegen eines Steuerstroms), um ein Bremsmoment zu erzeugen. Im Gegensatz dazu erzeugt passives Bremsen ein negatives Drehmoment durch Kurzschließen einer Motorwicklung. Im Vergleich zu aktiven Bremsverfahren wird die kinetische Energie des Motors beim passiven Bremsen lediglich durch die Statorwiderstände des Motors (hauptsächlich) und die Leitungsverluste der Leistungsschalter in Wärme umgewandelt, anstatt in den DC-Zwischenkreis („DC link“) zurückgeführt zu werden.
  • Ein üblicher Ansatz für passives Bremsen besteht darin, einen Nullvektor über Low-Side-Schalter anwenden. Die Motorwicklungen werden durch die Low-Side-Schalter kurzgeschlossen. Aufgrund der Leitungsverluste, die auftreten, erhöhen sich die Sperrschichttemperaturen der jeweiligen Komponenten in den Low-Side-Leistungsschaltern. Wenn die Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters eine obere Grenze überschreitet, kann der Leistungsschalter ausfallen.
  • Insbesondere bei kompakten Technologien wie etwa MOSFETs oder rückwärts leitenden IGBTs (Transistor und Freilaufdiode haben nahezu dieselbe Sperrschicht) ist eine thermische Entspannung der Schalter kaum möglich, was leicht zu einem Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur führen kann. Dementsprechend ist ein verbesserter Motor-Controller, der in der Lage ist, die Sperrschichttemperaturen der Leistungsschalter eines Inverters handzuhaben, wünschenswert.
  • Eine oder mehr Ausführungsformen stellen ein Treibersystem, das dazu ausgebildet ist, einen Motor zu steuern, bereit, wobei das Treibersystem aufweist: eine erste Halbbrückenschaltung, die einen ersten High-Side-Transistor und einen ersten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der erste High-Side-Transistor und der erste Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam einen ersten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der erste Laststrom eine elektrische AC-Frequenz, die einer aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist; eine zweite Halbbrückenschaltung, die einen zweiten High-Side-Transistor und einen zweiten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der zweite High-Side-Transistor und der zweite Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam einen zweiten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der zweite Laststrom die elektrische AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist; eine Gatetreiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest ein Steuersignal zu empfangen und den ersten High-Side-Transistor und den ersten Low-Side-Transistor zwischen Schaltzuständen zu steuern, um den ersten Laststrom basierend auf dem zumindest einen Steuersignal zu erzeugen, und den zweiten High-Side-Transistor und den zweiten Low-Side-Transistor zwischen Schaltzuständen zu steuern, um den zweiten Laststrom basierend auf dem zumindest einen Steuersignal zu erzeugen; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Steuersignal zu erzeugen, um den ersten Laststrom und den zweiten Laststrom zu steuern, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, passives Bremsen zu verwenden, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern. Während des passiven Bremsens ist die Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet, den ersten High-Side-Transistor und den zweiten High-Side-Transistor zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und den ersten Low-Side-Transistor und den zweiten Low-Side-Transistor zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei der erste High-Side-Transistor und der zweite High-Side-Transistor entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu dem ersten Low-Side-Transistor und dem zweiten Low-Side-Transistor komplementäre Weise angesteuert werden.
  • Ein Verfahren zum passiven Bremsen eines Motors, um eine aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern, beinhaltet: das Erzeugen von zumindest einem Steuersignal, um einen durch eine erste Halbbrückenschaltung erzeugten ersten Laststrom und einen durch eine zweite Halbbrückenschaltung erzeugten zweiten Laststrom zu steuern, wobei die erste Halbbrückenschaltung einen ersten High-Side-Transistor und einen ersten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der erste High-Side-Transistor und der erste Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam den ersten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der erste Laststrom eine elektrische AC-Frequenz, die einer aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist, und wobei die zweite Halbbrückenschaltung einen zweiten High-Side-Transistor und einen zweiten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der zweite High-Side-Transistor und der zweite Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam den zweiten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der zweite Laststrom die elektrische AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist; und, während des passiven Bremsens, das synchrone Steuern des ersten High-Side-Transistors und des zweiten High-Side-Transistors zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz, so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und das synchrone Steuern des ersten Low-Side-Transistors und des zweiten Low-Side-Transistors zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz, so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei der erste High-Side-Transistor und der zweite High-Side-Transistor entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf zu dem ersten Low-Side-Transistor und dem zweiten Low-Side-Transistor eine komplementäre Weise angesteuert werden.
  • Ausführungsformen werden hier unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
    • 1 ist ein schematisches Blockschaltbild, das ein Motorsteuerungssystem 100 gemäß einer oder mehr Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 2 zeigt verschiedene Stromwellenformen und Sperrschichttemperaturwellenformen während des passiven Bremsens gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
    • 3 ist ein Graph der maximalen Sperrschichttemperatur Tjmax der sechs Leistungstransistoren 3 gegenüber der Bremsfrequenz (d. h. der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt) gemäß einer oder mehr Ausführungsformen; und
    • 4 ist ein schematisches Blockschaltbild, das ein Motorsteuerungssystem gemäß einer oder mehr Ausführungsformen veranschaulicht.
  • Im Folgenden werden Details dargelegt, um eine eingehendere Erläuterung der beispielhaften Ausführungsformen zu bieten. Fachleuten wird es jedoch einleuchten, dass Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details verwirklicht werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Einrichtungen in Blockschaltbildform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um ein Verschleiern der Ausführungsformen zu vermeiden.
  • Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders vermerkt.
  • Weiterhin werden äquivalente oder ähnliche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder ähnlicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder ähnlichen Bezugsziffern bezeichnet. Da dieselben oder funktional äquivalente Elemente in den Figuren mit denselben Bezugsziffern versehen sind, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den denselben Bezugsziffern versehen sind, weggelassen werden. Daher sind Beschreibungen, die für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugsziffern bereitgestellt werden, untereinander austauschbar.
  • In dieser Hinsicht kann richtungsbezogene Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „darunter“, „darüber“, „dahinter“, „vorne“, „hinten“, „voreilend“, „nacheilend“ usw. in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in einer Anzahl von verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die richtungsbezogene Terminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem durch die Ansprüche definierten Umfang abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen.
  • Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element hingegen als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, gibt es keine dazwischenliegenden Elemente. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart“ im Gegensatz zu „direkt benachbart“ usw.).
  • Bei den hier beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. jede Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche Zwischenelemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehr zusätzlichen Zwischenelementen, implementiert werden oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel, um eine bestimmte Art von Signal zu übertragen oder eine bestimmte Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen erhalten bleibt. Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Zum Beispiel können, sofern nichts Gegenteiliges vermerkt ist, Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein.
  • Die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ können hier verwendet werden, um kleine Fertigungstoleranzen (z. B. innerhalb von 5 %), die in der Industrie als akzeptabel gelten, zu berücksichtigen, ohne von den Aspekten der hier beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Zum Beispiel kann ein Widerstand mit einem ungefähren Widerstandswert praktisch einen Widerstand innerhalb von 5 % dieses ungefähren Widerstandswertes haben.
  • In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen wie etwa „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“ und/oder dergleichen enthalten, verschiedene Elemente modifizieren. Diese Elemente werden jedoch durch die obigen Ausdrücke nicht beschränkt. Zum Beispiel schränken die obigen Ausdrücke die Reihenfolge und/oder Wichtigkeit der Elemente nicht ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zu dem Zweck verwendet, ein Element von den anderen Elementen zu unterscheiden. Zum Beispiel bezeichnen ein erster Kasten und ein zweiter Kasten unterschiedliche Kästen, obwohl beide Kästen sind. Als weiteres Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und ähnlich könnte ein zweites Element auch als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Ein Sensor kann sich auf eine Komponente, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandelt, beziehen. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Strom oder eine Spannung an einem Shunt-Widerstand oder ein Magnetfeld, das durch einen Strom oder durch einen rotierenden Magneten erzeugt wird, sein.
  • Ein oder mehr Elemente der vorliegenden Offenbarung können durch Implementieren spezieller Hardware oder eines Softwareprogramms auf einem Speicher, der einen Prozessor steuert, gestaltet werden, um die Funktionen irgendeiner der Komponenten auszuführen, oder Kombinationen davon. Jede der verarbeitenden Komponenten kann als zentrale Verarbeitungseinheit („central processing unit“; CPU) oder anderer Prozessor, der ein Softwareprogramm von einem Aufzeichnungsmedium wie etwa einer Festplatte oder einer Halbleiterspeichereinrichtung liest und ausführt, implementiert werden. Zum Beispiel können die Befehle durch einen oder mehr Prozessoren wie etwa eine(n) oder mehr CPUs, digitale Signalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise („application-specific integrated circuits“; ASICs), feldprogrammierbare Logikarrays („field programmable logic arrays“; FPGAs), programmierbare Logikcontroller („programmable logic controller“; PLCs) oder andere äquivalente integrierte oder diskrete Logikschaltungen ausgeführt werden. Dementsprechend bezieht sich der Begriff „Prozessor“, wie er hier verwendet wird, auf jede der vorgenannten Strukturen oder jede andere Struktur, die zur Implementierung der hier beschriebenen Techniken geeignet ist.
  • Ein Controller, der Hardware enthält, kann auch eine oder mehr der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Ein Controller, der einen oder mehr Prozessoren enthält, kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um seine rezeptiven, analytischen und Steuerungsfunktionen, die auch Korrekturfunktionen enthalten können, auszuführen. Solche Hardware, Software und Firmware können in derselben Einrichtung oder in separaten Einrichtungen implementiert sein, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen.
  • Eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalaufbereitungsschaltung kann ein oder mehr Signale (d. h. Messsignale) von einer oder mehr Komponenten in Form von Rohmessdaten empfangen und kann aus dem Messsignal weitere Informationen ableiten. Signalaufbereiten, wie es hier verwendet wird, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals in einer solchen Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Signalaufbereiten kann das Umwandeln von analog nach digital (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler), die Verstärkung, das Filtern, das Umwandeln, das Versehen mit einem Bias, Bereichsanpassung, die Isolierung und alle anderen Prozesse, die erforderlich sind, um ein Signal für das Verarbeiten nach dem Aufbereiten geeignet zu machen, beinhalten.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement weist üblicherweise eine Halbleiterstruktur, die dazu ausgebildet ist, einen Laststrom entlang eines Laststrompfades zwischen zwei Lastanschlussstrukturen oder Lastelektroden (z. B. der Source/dem Emitter und dem Drain/dem Kollektor) der Einrichtung zu leiten, auf. Weiterhin kann der Laststrompfad mittels einer Steuerelektrode, die manchmal als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Steuerelektrode auf das Empfangen eines entsprechenden Steuersignals hin, z. B. von einer Treibereinheit, das Leistungshalbleiterbauelement in einen von einem leitenden Zustand oder einem sperrenden Zustand versetzen. Ein Steuersignal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal, das einen gesteuerten Wert aufweist, sein. Dementsprechend ist der Laststrompfad eines Transistors ein Gate-gesteuerter leitender Kanal, dessen Leitfähigkeit durch die Gate-Spannung des Transistors gesteuert wird.
  • Ein Leistungstransistor, der auch als Leistungsschalter oder Transistorschalter bezeichnet wird, ist ein Leistungshalbleiterbauelement, das verwendet werden kann, um einen Laststrom zu steuern. Zum Beispiel kann ein Transistor durch Aktivieren und Deaktivieren seines Gate-Anschlusses „EIN“ oder „AUS“ geschaltet werden. Das Anlegen eines positiven Eingangsspannungssignals über das Gate und den Emitter hinweg hält die Einrichtung in ihrem „EIN“-Zustand, während das Setzen des Eingangs-Gatesignals auf Null oder leicht negativ sie veranlassen wird, „AUS“ zu schalten. Es gibt einen Einschaltvorgang und einen Ausschaltvorgang zum Ein- und Auszuschalten des Leistungstransistors.
  • Während des Einschaltvorgangs eines n-Kanal-Transistors kann eine integrierte Gatetreiberschaltung („gate driver integrated circuit (IC)“) verwendet werden, um dem Gate des Leistungstransistors einen Gatestrom (d. h. einen EIN-Strom) zuzuführen (zu beschaffen), um das Gate auf eine ausreichende Spannung, um das Bauelement einzuschalten, zu laden. Im Gegensatz dazu wird die Gate-Treiber-IC während des Ausschaltvorgangs eines n-Kanal-Transistors verwendet, um vom Gate des Leistungstransistors einen Gatestrom (d. h. einen Aus-Strom) zu ziehen (zu senken), um die Gatespannung ausreichend zu entladen, um das Bauelement auszuschalten. Ein Spannungspuls kann von der Gate-Treiber-IC als das Steuersignal entsprechend einem Pulsweitenmodulations (PWM)-Schema ausgegeben werden. Daher kann das Steuersignal zwischen einem EIN-Spannungspegel und einem AUS-Spannungspegel während eines PWM-Zyklus` zum Steuern des Leistungstransistors umgeschaltet werden. Dies wiederum lädt und entlädt die Gate-Spannung, um den Leistungstransistor ein- bzw. auszuschalten.
  • Für einen p-Kanal-Transistor trifft das Gegenteil zu. Die Gate-Treiber-IC kann verwendet werden, um einen Gatestrom (d. h. einen EIN-Strom) von dem Gate des Leistungstransistors zu ziehen (zu senken), um das Gate auf eine ausreichende Spannung, um das Bauelement einzuschalten, zu entladen. Im Gegensatz dazu wird die Gate-Treiber-IC während des Ausschaltvorgangs eines p-Kanal-Transistors verwendet, um dem Gate des Leistungstransistors einen Gatestrom (d. h. einen Aus-Strom) zuzuführen (zu beschaffen), um die Gatespannung ausreichend aufzuladen, um das Bauelement auszuschalten. Das Steuersignal kann während eines PWM-Zyklus` zum Steuern des Leistungstransistors zwischen einem EIN-Spannungspegel und einem AUS-Spannungspegel umgeschaltet werden. Dies wiederum lädt und entlädt die Gate-Spannung, um den Leistungstransistor ein- bzw. auszuschalten.
  • Sowohl bei n-Kanal- als auch bei p-Kanal-Transistoren ist der Transistor aus, wenn die Gate-Source-Spannung Vgs 0 V ist oder unter einer Schwellenspannung liegt, und der Transistor ist ein, wenn die Gate-Source-Spannung Vgs gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist.
  • Zum Steuern einer Last auf diese Weise werden typischerweise zwei Leistungstransistoren in einer Halbbrückenkonfiguration angeordnet. Der High-Side (HS) Leistungstransistor kann ein p-Kanal-Transistor, der an einen Hochspannungsbus oder ein hohes Versorgungspotential angeschlossen ist, sein, und der Low-Side (LS) Leistungstransistor kann ein n-Kanal-Transistor, der an einen Niederspannungsbus oder ein niedriges Versorgungspotential angeschlossen ist, sein. Bei komplizierteren Designs können der High-Side-Leistungstransistor und der Low-Side-Transistor vom gleichen Transistortyp sein (z. B. beide vom n-Kanal-Typ). Beide Arten von Halbbrücken sind denkbar.
  • Ein Laststrom gilt als positiver Laststrom, wenn er in Richtung der Last fließt, und ein Laststrom gilt als negativer Laststrom, wenn er von der Last wegfließt. Ein High-Side-Leistungstransistor ist, wenn er ein ist, für das Leiten eines positiven Laststroms, um der Last den Laststrom zu beschaffen, während sein komplementärer Leistungstransistor ausgeschaltet ist (d. h., der Low-Side-Leistungstransistor befindet sich im sperrenden oder Hochimpedanz-Modus), verantwortlich. Um den Laststrom von der Last abzuleiten, werden die Rollen der beiden Transistoren umgekehrt. Hier ist der Low-Side-Leistungstransistor, wenn er ein ist, für das Leiten eines negativen Laststroms, um den Laststrom von der Last abzuleiten, , während sein komplementärer Leistungstransistor ausgeschaltet ist (d. h., der High-Side-Leistungstransistor befindet sich im sperrenden oder Hochimpedanz-Modus), verantwortlich. Die beiden Leistungstransistoren werden typischerweise so geschaltet, dass nicht beide zu derselben Zeit eingeschaltet sind.
  • Die Transistoren können Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate („Insulated Gate Bipolar Transistors“; IGBTs) und Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors“; MOSFETs) (z. B. Si-MOSFETs oder SiC-MOSFETs) enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Es wird einleuchten, dass MOSFETs anstelle von IGBTs eingesetzt werden können und umgekehrt. In diesem Zusammenhang kann bei jedem der hier beschriebenen Beispiele beim Ersetzen eines IGBTs durch einen MOSFET der Drain eines MOSFETs durch einen Kollektor eines IGBTs ersetzt werden, die Source des MOSFETs kann durch den Emitter des IGBTs ersetzt werden und die Drain-Source-Spannung VDS des MOSFETs kann durch die Kollektor-Emitter-Spannung VCE des IGBTs ersetzt werden. So kann jeder IGBT-Transistor oder andere Transistortyp durch einen MOSFET-Transistor ersetzt werden und umgekehrt.
  • Bestimmte Ausführungsformen, die in dieser Spezifikation beschrieben werden, beziehen sich, ohne darauf beschränkt zu sein, auf Halbbrücken, die zum Steuern von Elektromotoren verwendet werden. Zum Beispiel ist ein Mehrphasen-Inverter dazu ausgebildet, Mehrphasenleistung durch Versorgung von Mehrphasen-Lasten (z. B. einem Dreiphasen-Motor) bereitzustellen. Zum Beispiel beinhaltet Dreiphasen-Leistung drei symmetrische Sinuswellen, die um 120 elektrische Grad zueinander außer Phase sind. Bei einem System mit einer symmetrischen Dreiphasen-Leistungsversorgung führen drei Leiter jeweils einen Wechselstrom („alternating current“; AC) mit derselben Frequenz und Spannungsamplitude in Bezug auf eine gemeinsame Referenz, jedoch mit einer Phasendifferenz von einem Drittel der Periode. Aufgrund der Phasendifferenz erreicht die Spannung auf einem beliebigen Leiter ihre Spitze bei einem Drittel eines Zyklus` nach einem der anderen Leiter und ein Drittel eines Zyklus` vor dem verbleibenden Leiter. Diese Phasenverzögerung sorgt für eine konstante Leistungsübertragung an eine ausgeglichene lineare Last. Sie ermöglicht es auch, ein rotierendes Magnetfeld in einem Elektromotor zu erzeugen.
  • Bei einem Dreiphasensystem, das eine ausgeglichene und lineare Last speist, ist die Summe der momentanen Ströme der drei Leiter Null. Mit anderen Worten, der Strom in jedem Leiter ist von der Stärke her gleich der Summe der Ströme in den beiden anderen Leitern, aber mit umgekehrtem Vorzeichen. Der Rückpfad für den Strom in jedem Phasenleiter sind die beiden anderen Phasenleiter. Die momentanen Ströme führen zu einen Stromraumvektor.
  • Ein Dreiphasen-Inverter enthält drei Inverterzweige, einen für jede der drei Phasen, und jeder Inverterzweig ist an eine Gleichstrom (DC)-Spannungsquelle angeschlossen, und zwar parallel zueinander. Jeder Inverterzweig enthält zum Beispiel ein Paar Transistoren, die in einer Halbbrückenkonfiguration zum Umwandeln von DC in AC angeordnet sind. Mit anderen Worten, jeder Inverterzweig enthält zwei komplementäre Transistoren (d. h. einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor), die in Reihe geschaltet sind und die komplementär zueinander ein- und ausschalten, um eine Phasenlast zu steuern. Allerdings sind Mehrphasen-Inverter nicht auf drei Phasen beschränkt, sondern können zwei Phasen oder mehr als drei Phasen mit einem Inverterzweig für jede Phase enthalten. In einigen Fällen können zwei Halbbrücken als H-Brücken-Schaltung verbunden werden, wobei die Last (z. B. der Motor) als Querbalken zwischen den beiden Halbbrücken als einphasige Last angeschlossen ist.
  • 1 ist ein schematisches Blockschaltbild, das ein Motorsteuerungssystem 100 gemäß einer oder mehr Ausführungsformen zeigt. Das Motorsteuerungssystem 100 enthält insbesondere einen Leistungsinverter 1 und eine Inverter-Steuereinheit, die einen Controller 6 und einen Gate-Treiber 7 enthält. Die Inverter-Steuereinheit verhält sich als Motor-Steuereinheit und kann daher auch als Motor-Controller oder Motor-Steuer-IC bezeichnet werden. Die Motor-Steuereinheit kann ein monolithischer IC sein oder kann in einen Mikrocontroller und einen Gatetreiber auf zwei oder mehr ICs aufgeteilt sein.
  • Das Motorsteuerungssystem 100 ist weiterhin mit einem Dreiphasen-Motor M (z. B. einem Permanentmagnet-Synchronmotor („permanent magnet synchronous motor“; PMSM) als Typ eines Wechselstrommotors), der drei Phasen U, V und W enthält, gekoppelt. Der Leistungsinverter 1 ist ein Dreiphasen-Spannungsgenerator, der dazu ausgebildet ist, Dreiphasen-Leistung zu liefern, indem er den Motor M mit Dreiphasen-Spannungen versorgt. Es versteht sich, dass der Leistungsinverter 1 und die Inverter-Steuereinheit auf derselben Leiterplatte oder auf separaten Leiterplatten platziert sein können.
  • Abweichungen sowohl bei der Stärke als auch der Phase können einen Verlust der Leistung und des Drehmoments des Motors M verursachen. Daher kann das Motorsteuerungssystem 100 dazu ausgebildet sein, die Stärke und Phase der an den Motor M gelieferten Spannungen in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, um basierend auf einer Rückkopplungssteuerschleife sicherzustellen, dass das richtige Stromgleichgewicht aufrechterhalten wird. Motor-Steuereinheiten mit offener Schleife existieren ebenfalls und können implementiert werden.
  • Der Leistungsinverter 1 für einen Dreiphasen-Motor M enthält eine Schaltanordnung aus sechs Leistungstransistoren 3u+, 3u-, 3v+, 3v-, 3w+ und 3w-(gemeinsam als Transistoren 3 oder Schalter bezeichnet), die in komplementären Paaren angeordnet sind. Jedes komplementäre Paar bildet eine Halbbrückenschaltung und begründet einen Inverterzweig, der dem Dreiphasen-Motor M eine Phasenspannung zuführt. Daher enthält jeder Inverterzweig einen oberen (High-Side) Transistor 3 und einen unteren (Low-Side) Transistor 3. Außerdem kann jeder Transistor 3 antiparallel zu einer zugehörigen Freilaufdiode D1-D6 geschaltet sein. Laststrompfade U, V und W erstrecken sich von einem Ausgang jedes Inverterzweigs (d. h. dem Ausgang jeder Halbbrückenschaltung), der sich zwischen komplementären Transistoren befindet, und sind dazu ausgebildet, mit einer Last wie etwa dem Motor M gekoppelt zu werden. Jeder Laststrompfad U, V und W führt einen zugehörigen Phasenstrom Iu, Iv und Iw. Jeder Phasenstrom Iu, Iv und Iw hat eine elektrische AC-Frequenz, die direkt der tatsächlichen (aktuellen) Motordrehzahl des Motors M entspricht.
  • Der Leistungsinverter 1 ist mit einer DC-Leistungsversorgung 4 (z. B. einer Batterie oder einem Diodenbrückengleichrichter) und mit dem Gate-Treiber 7 der Inverter-Steuereinheit gekoppelt.
  • Der Controller 6 führt die Motorsteuerungsfunktion des Motorsteuerungssystems 100 in Echtzeit aus und überträgt PWM-Steuersignale an einen Gatetreiber 7. Der Controller 6 kann ein PWM-Schema zum Steuern der Zustände eines jeden Transistors und letztlich eines jeden Phasenstroms, der auf den jeweiligen Laststrompfaden U, V und W bereitgestellt wird, verwenden. Der Gate-Treiber 7 erzeugt Treibersignale basierend auf den PWM-Steuersignalen zum Steuern der Schaltzustände (d. h. der Ein- und Aus-Zustände) der Transistoren 3. Daher können die Laststrompfade U, V und W durch den Controller 6 und den Gate-Treiber 7 durch Steuern der Steuerelektroden (d. h. der Gate-Elektroden) der Transistoren 3 gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Gate-Treiber 7 auf das Empfangen eines PWM-Steuersignals von dem Controller 6 hin einen entsprechenden Transistor in einen leitenden Zustand (d. h. einen Ein-Zustand) oder in einen sperrenden Zustand (d. h. einen Aus-Zustand) versetzen.
  • Der Gate-Treiber 7 kann dazu ausgebildet sein, Anweisungen einschließlich der Leistungstransistor-Steuersignale von dem Controller 6 zu empfangen und die jeweiligen Transistoren 3 entsprechend den empfangenen Anweisungen und Steuersignalen ein- oder auszuschalten. Zum Beispiel kann die Gate-Treiber IC während des Einschaltvorgangs eines jeweiligen Transistors 3 verwendet werden, um dem Gate des jeweiligen Transistors 3 einen Gatestrom zuzuführen (zu beschaffen), um das Gate zu laden. Im Gegensatz dazu kann die Gate-Treiber-IC während des Ausschaltvorgangs verwendet werden, um von dem Gate des Transistors 3 einen Gatestrom zu ziehen (zu senken), um das Gate zu entladen.
  • Darüber hinaus werden die Transistoren 3 (d. h. die Transistoren) des Leistungsinverters 1 so gesteuert, dass zu keiner Zeit beide Transistoren in demselben Inverterzweig eingeschaltet sind, da die DC-Versorgung anderenfalls kurzgeschlossen würde. Dieses Erfordernis kann durch den komplementären Betrieb der Schalter 3 innerhalb eines Inverterzweigs entsprechend dem Motorsteuerungsalgorithmus erfüllt werden. Durch den Controller kann eine Totzeit festgelegt werden, während der sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Transistor einer Halbbrücke gleichzeitig ausgeschaltet werden.
  • Das Motorsteuerungssystem 100 enthält zumindest ein Mittel zum Messen der elektrischen Frequenz des Motors M, die der tatsächlichen (aktuellen) Motordrehzahl des Motors entspricht. Wie oben erwähnt, haben die Phasenströme Iu, Iv und Iw selbst eine elektrische AC-Frequenz, die direkt der tatsächlichen (aktuellen) Motordrehzahl des Motors M entspricht. Daher kann die elektrische AC-Frequenz als eine Möglichkeit, die aktuelle Motordrehzahl zu messen, gemessen werden.
  • Die elektrische AC-Frequenz kann durch einen Shunt-Widerstand Rs gemessen werden. Zum Beispiel kann der Leistungsinverter 1 einen Shunt-Widerstand Rs enthalten, der auf der negativen DC-Zwischenkreis (DC link) (Bus) des Leistungsinverters 1 platziert ist. Die Transistoren 3u+, 3u-, 3v+, 3v-, 3w+ und 3w-sind als Schalter dargestellt und der Motor M hat für jede seiner Phasen eine Wicklung (nicht abgebildet). Eine Phasenstrom-Messschaltung 11 kann Proben des von dem Shuntwiderstand Rs entnommenen Stroms empfangen und dann einen Algorithmus (d. h. eine Software) verwenden, um den Dreiphasenstrom in Echtzeit zu rekonstruieren. Zum Beispiel ist Raumvektor-Pulsweitenmodulation („space vector pulse width modulation“; SVPWM) ein auf Vektorsteuerung basierender Algorithmus, der das Erfassen der drei Motorphasenströme erfordert. SVPWM selbst ist ein Algorithmus für die Steuerung von PWM in Echtzeit. Sie dient zur Erzeugung von AC-Wellenformen und kann verwendet werden, um AC-angetriebene Dreiphasen-Motoren von einer DC-Quelle unter Verwendung mehrerer Schalttransistoren mit veränderlichen Geschwindigkeiten zu steuern. Obwohl die Beispiele hier im Kontext von Dreiphasen-Motoren beschrieben werden, sind die Beispiele nicht hierauf beschränkt und können auf ein beliebiges Lastschema angewandt werden.
  • Durch Verwenden des einzelnen Shunt-Widerstands Rs werden DC-Zwischenkreis-Strompulse in zeitlich exakt festgelegten Intervallen abgetastet. Ein Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand Rs kann durch einen Operationsverstärker der Phasenstrom-Messschaltung 11 verstärkt und zum Beispiel um 1,65 V nach oben verschoben werden. Die resultierende Spannung kann durch einen ADC der Phasenstrom-Messschaltung 11 umgewandelt werden. Basierend auf der aktuellen Kombination von Schaltern werden die Dreiphasen-Ströme des Motors M unter Verwendung des SVPWM-Algorithmus rekonstruiert. Der ADC kann den DC-Zwischenkreisstrom während der aktiven Vektoren des PWM-Zyklus` messen. In jedem PWM-Zyklus gibt es zwei verschiedene aktive Vektoren, und der DC-Zwischenkreisstrom in jedem aktiven Vektor repräsentiert den Strom in einer Motorphase. Daher sind in jedem PWM-Zyklus zwei Phasenstrommessungen verfügbar. Die Berechnung des dritten Phasenstromwerts ist möglich, weil sich die drei Wicklungsströme zu Null summieren. Dementsprechend kann die Phasenstrom-Messschaltung 11 eine Phasenstrom-Rekonstruktionsschaltung, die eine Einzel-Shunt-Rekonstruktion verwendet, um jeden der Phasenströme Iu, Iv und Iw für jede jeweilige Phase U, V und W zu rekonstruieren, enthalten. In jedem Fall kann die Phasenstrom-Messschaltung 11 eine elektrische AC-Frequenz fac eines der Phasenströme Iu, Iv oder Iw messen und die gemessene elektrische AC-Frequenz fac dem Controller 6 zuführen, der dann die Schaltzustände der Transistoren 3 basierend auf der gemessenen elektrischen AC-Frequenz steuern kann. Zum Beispiel kann der Controller 6 eine alternierende Kurzschlussfrequenz der Transistoren 3 während des passiven Bremsens des Motors M basierend auf der gemessenen elektrischen AC-Frequenz steuern.
  • Es versteht sich, dass andere Implementierungen als ein Einzel-Shunt-Widerstand zum Stromerfassen verwendet werden können, ebenso wie andere Motorsteuerungsalgorithmen verwendet werden können, um die Last zu steuern, und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Zum Beispiel kann ein Stromsensor 8, der entlang eines der Laststrompfade U, V und W platziert ist, anstelle eines Nebenschlusswiderstands Rs, der auf dem negativen DC-Zwischenkreis (Bus) des Leistungsinverters 1 platziert ist, zum Stromerfassen verwendet werden. Zum Beispiel könnte ein Stromsensor wie etwa ein Hall-Sensor 8 oder ein Shunt-Widerstand entlang zumindest eines der Laststrompfade U, V und W platziert werden, und zumindest einer der Phasenströme könnte direkt davon durch die Phasenstrom-Messschaltung 11 gemessen werden, um die elektrische AC-Frequenz fac eines Phasenstroms zu messen. Alternativ könnte die Ausgangsspannung einer entsprechenden Halbbrückenschaltung, die mit der elektrischen AC-Frequenz eines entsprechenden Phasenstroms oszilliert, gemessen werden. Zum Beispiel kann der Spannungssensor 10 zum Messen der elektrischen AC-Frequenz dazu ausgebildet sein, eine oder mehr Netzspannungen Vu, Vv oder Vw, die mit den jeweiligen Lastströmen korrespondieren, zu messen. Da alle Phasenströme dieselbe elektrische AC-Frequenz aufweisen, muss zum Bestimmen der elektrischen AC-Frequenz nur ein Phasenstrom oder eine Netzspannung gemessen werden. Die gemessene elektrische AC-Frequenz ist direkt mit der aktuellen Motordrehzahl des Motors M korreliert und repräsentiert somit die aktuelle Motordrehzahl.
  • Alternativ kann ein Drehzahlsensor 9 verwendet werden, um die Drehzahl (Motordrehzahl) des Motors M, die proportional zu der elektrischen AC-Frequenz, die verwendet wird, um den Motor zu steuern (d. h. die Frequenz der Phasenströme), ist, direkt zu messen. Zum Beispiel kann ein Magnet an einem Ende einer rotierenden Welle, die durch den Motor M angetrieben wird, befestigt werden. Ein nahe des Magneten angeordneter Magnetsensor kann in einem Drehzahlsensor implementiert werden, um eine Stärke und/oder Ausrichtung des Magnetfelds, das sich mit einer Frequenz proportional zur Motordrehzahl ändert, zu messen. Daher kann die Motordrehzahl oder die elektrische Frequenz des Motors M aus elektrischen Signalen, die durch den Magnetsensor durch eine Motordrehzahl-Messschaltung 12 erzeugt werden, abgeleitet werden. Die Motordrehzahl-Messschaltung 12 kann insbesondere einen Prozessor, der dazu ausgebildet ist, ein Sensorsignal von dem Drehzahlsensor 9 zu empfangen und die Motordrehzahl aus dem Sensorsignal zu bestimmen, enthalten. Die Motordrehzahl-Messschaltung 12 liefert die aktuelle Motordrehzahl an den Controller 6, der dann die Schaltzustände der Transistoren 3 basierend auf der gemessenen (aktuellen) Motordrehzahl steuern kann. Zum Beispiel kann der Controller 6 eine alternierende Kurzschlussfrequenz der Transistoren 3 während des passiven Bremsens des Motors M basierend auf der gemessenen (aktuellen) Motordrehzahl steuern.
  • Das Wärmemanagement der Transistoren 3 während des passiven Bremsens des Motors ist wichtig zum Aufrechterhalten der Integrität des Leistungsinverters 1. Der Controller 6 ist dazu ausgebildet, das zumindest eine Steuersignal zu erzeugen, um die Lastströme (d. h. die Phasenströme), die durch die Halbbrücken des Leistungsinverters 1 erzeugt werden, zu steuern. Dies beinhaltet das Steuern der Schaltzustände der Transistoren 3 zum Implementieren von passivem Bremen, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern.
  • Um passives Bremsen zu implementieren, wendet der Controller 6 zum Beispiel bei einem SVPWM-Steuerungsschema eine Nullvektor-Bedingung auf den Stromvektor an. Um die Amplitude des Stromvektors zu modulieren, wird der Nullvektor (000) oder (111) durch den Controller 6 angewandt. Das bedeutet, dass die Motorphasen kurzgeschlossen werden. Dies bewirkt, dass der Strom im Stator abfällt. Sobald der Statorstrom abgeklungen ist, wird zugelassen, dass ein Strom fließt, der der Drehkraft entgegenarbeitet und das Bremsen bewirkt. Da das wechselnde Magnetfeld der Rotor-Stator-Wechselwirkung eine Spannung induziert, die nun über den Leistungsinverter 1 kurzgeschlossen wird.
  • Um die Gesamtbremszeit zu verkürzen und ein Überhitzen der Transistoren 3 zu verhindern, ist der Controller 6 dazu ausgebildet, für alle Transistoren 3 während des passiven Bremsens eine Kühlzeit vorzusehen. Dies wird durch abwechselndes Kurzschließen der Motorwicklung über die Low-Side-Transistoren sowie durch abwechselndes Kurzschließen der High-Side-Transistoren erreicht. Daher wird die thermische Belastung durch die jeweiligen komplementären Schalter geteilt. Basierend auf diesem Ansatz kann die thermische Situation der Leistungsstufe verwaltet werden. Auf diese Weise wird die thermische Belastung besser auf die Transistoren verteilt, was die maximal auftretende Sperrschichttemperatur deutlich verringern kann. Dieser Ansatz ermöglicht es, kompaktere Leistungsstufen zu realisieren, was ohne diesen Ansatz nicht möglich wäre.
  • Insbesondere werden während des passiven Bremsens alle High-Side-Transistoren mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz falt synchron ein- und ausgeschaltet, so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden (d. h. alle sind gleichzeitig ein oder alle sind gleichzeitig aus). Gleichermaßen werden während des passiven Bremsens alle Low-Side-Transistoren mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz falt synchron ein- und ausgeschaltet, so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden (d. h. alle sind gleichzeitig ein oder alle sind gleichzeitig aus). Darüber hinaus werden die High-Side-Transistoren entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu den Low-Side-Transistoren komplementäre Weise angesteuert. Das heißt, während die High-Side-Transistoren eingeschaltet sind, sind die Low-Side-Transistoren ausgeschaltet, und umgekehrt.
  • Dementsprechend ist der Gate-Treiber 7 dazu ausgebildet, während des passiven Bremsens den High-Side-Transistor 3u+ und den Low-Side-Transistor 3u- auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern, der Gate-Treiber 7 ist dazu ausgebildet, den High-Side-Transistor 3v+ und den Low-Side-Transistor 3v- auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern, und der Gate-Treiber 7 ist dazu ausgebildet, den High-Side-Transistor 3w+ und den Low-Side-Transistor 3w- auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern, mit den zusätzlichen Bedingungen, dass die High-Side-Transistoren 3u+, 3v+, und 3w+ zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt synchron so angesteuert werden, dass sie alle gleichzeitig ein oder alle gleichzeitig aus sind, und die Low-Side-Transistoren 3u-, 3v- und 3w- zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt synchron so angesteuert werden, dass sie alle gleichzeitig ein oder alle gleichzeitig aus sind.
  • Darüber hinaus ist der Gate-Treiber 7 dazu ausgebildet, die High-Side-Transistoren und die Low-Side-Transistoren während des passiven Bremsens in alternierenden Schaltintervallen zu steuern, die ein erstes Schaltintervall, das sich mit einem zweiten Schaltintervall abwechselt, enthalten und entsprechend der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt wechseln, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern. Während des ersten Schaltintervalls befinden sich die High-Side-Transistoren in einem EIN-Zustand und die Low-Side-Transistoren befinden sich in einem AUS-Zustand. Während des zweiten Schaltintervalls befinden sich die Low-Side-Transistoren in einem EIN-Zustand und die High-Side-Transistoren befinden sich in einem AUS-Zustand. Eine Dauer des ersten Schaltintervalls und eine Dauer des zweiten Schaltintervalls definieren den vorgegebenen Tastgrad.
  • In manchen Fällen beträgt der vorgegebene Tastgrad 50 %, so dass die Dauer des ersten Schaltintervalls gleich der Dauer des zweiten Schaltintervalls ist. Dies kann der Fall sein, wenn die Sperrschichttemperaturen aller Transistoren 3 (der High-Side-Transistoren und der Low-Side-Transistoren), wenn sie ausgeschaltet werden, mit im Wesentlichen gleichen Raten ansteigen und/oder abfallen. Das Ergebnis ist, dass eine thermische Belastung im Wesentlichen gleich (d. h. ausgeglichen) auf alle Transistoren 3 verteilt wird, so dass ihre jeweiligen Sperrschichttemperaturen während ihrer jeweiligen Einschaltintervalle im Wesentlichen gleich sind. Mit anderen Worten, die Sperrschichttemperaturen der Transistoren 3 steigen und fallen über eine PWM-Periode oder einen PWM-Zyklus hinweg in einem ähnlichen Muster oder variieren im Wesentlichen zwischen der gleichen niedrigeren Sperrschichttemperatur und der gleichen höheren Sperrschichttemperatur.
  • Im Gegensatz dazu ist in einigen Fällen der vorgegebene Tastgrad von 50 % verschieden, so dass die Dauer des ersten Schaltintervalls anders als die Dauer des zweiten Schaltintervalls ist. Dies kann der Fall sein, wenn die Sperrschichttemperaturen der High-Side-Transistoren verglichen mit den Sperrschichttemperaturen der Low-Side-Transistoren mit unterschiedlichen Raten ansteigen und/oder abfallen. Zum Beispiel kann es sein, dass die High-Side-Transistoren bessere Kühleigenschaften als die Low-Side-Transistoren aufweisen, oder umgekehrt. Zum Beispiel können die High-Side-Transistoren auf einem Kühlkörper angeordnet sein, während es sein kann, dass die Low-Side-Transistoren nicht auf einem Kühlkörper angeordnet sind, oder umgekehrt. Daher benötigen die Transistoren mit besseren Kühleigenschaften (z. B. diejenigen, die auf einem Kühlkörper angeordnet sind), verglichen mit den Transistoren mit weniger günstigen Kühleigenschaften, weniger Zeit, um zu kühlen. Die Transistoren mit besseren Kühleigenschaften können innerhalb einer PWM-Periode für eine längere Dauer eingeschaltet werden und die Transistoren mit weniger günstigen Kühleigenschaften können innerhalb einer PWM-Periode für eine längere Dauer ausgeschaltet werden, um die thermische Belastung auf alle Transistoren 3 zu verteilen.
  • Zum Beispiel kann der vorgegebene Tastgrad zwischen 35 % und 50 % oder zwischen 50 % und 65 % eingestellt werden, so dass entweder die Dauer des ersten Schaltintervalls größer als die Dauer des zweiten Schaltintervalls ist oder die Dauer des zweiten Schaltintervalls größer als die Dauer des ersten Schaltintervalls ist, jeweils abhängig von den Kühleigenschaften der High-Side-Transistoren im Vergleich zu den Kühleigenschaften der Low-Side-Transistoren.
  • Daher wird der vorgegebene Tastgrad so eingestellt, dass die Sperrschichttemperaturen aller Transistoren 3 innerhalb eines definierten Temperaturbereichs (z. B. zwischen einem unteren Temperaturschwellenwert und einem oberen Temperaturschwellenwert) bleiben, und er kann insbesondere so eingestellt werden, dass sich die Sperrschichttemperaturen aller Transistoren 3 während des passiven Bremsens im Wesentlichen zwischen der gleichen unteren und der gleichen höheren Sperrschichttemperatur ändern. Auf diese Weise wird das Wärmemanagement durch die gleichmäßige Verteilung der Verlustleistungen auf alle sechs Leistungstransistoren eingesetzt.
  • Es ist erwähnenswert, dass der Controller 6 den Motor alternativ auch im Fahrbetrieb, während dem der Motor aktiv angetrieben und nicht passiv gebremst wird, betreiben kann. Zum Beispiel kann der Controller 6 den Gate-Treiber 7 steuern, um die Transistoren 3 zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen zu steuern, um den Motor auf einer Soll-Motordrehzahl zu halten. Während des Fahrbetriebs wird zu jeder gegebenen Zeit nur ein High-Side-Transistor und nur ein Low-Side-Transistor eingeschaltet, und die Transistoren in derselben Halbbrücke (Inverterzweig) werden nie gleichzeitig eingeschaltet. Daher werden die High-Side-Transistoren zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen so angesteuert, dass keine gleichzeitig eingeschaltet sind. Gleichermaßen werden die Low-Side-Transistoren zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen so angesteuert, dass keine gleichzeitig eingeschaltet sind. Zusätzlich kann durch den Controller 6 eine Totzeit vorgegeben werden, während der sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-Transistoren einer Halbbrücke für eine kurze Dauer gleichzeitig ausgeschaltet sind.
  • 2 zeigt verschiedene Strom-Wellenformen und Sperrschichttemperatur-Wellenformen im Zeitverlauf während des passiven Bremsens gemäß einer oder mehr Ausführungsformen. Die obere Wellenform in 2 zeigt einen Phasenstrom Iv während des passiven Bremsens, während dem die Motordrehzahl verringert wird. Der Phasenstrom Iv oszilliert mit einer elektrischen AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht. Wenn also die Motordrehzahl verringert wird, ändert sich auch die elektrische AC-Frequenz des Phasenstroms Iv.
  • Die nächste Wellenform in 2 zeigt den Ein-Strom durch den High-Side-Transistor 3v+ (dargestellt durch eine durchgezogene Linie) und den Ein-Strom durch den Low-Side-Transistor 3v- (dargestellt durch eine gestrichelte Linie) während alternierender Schaltintervalle. Zusammen vereinigen sich die beiden Ein-Ströme, um den Phasenstrom Iv zu bilden. Daher oszillieren die beiden Ein-Ströme auch mit der elektrischen AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht. Die alternierenden Schaltintervalle enthalten ein erstes Schaltintervall T1 und ein zweites Schaltintervall T2, deren Summe eine Periode Talt bildet. Während des ersten Schaltintervalls T1 befindet sich der High-Side-Transistor 3v+ in einem EIN-Zustand und der Low-Side-Transistor 3v- befindet sich in einem AUS-Zustand. Während des ersten Schaltintervalls T1 oszilliert der Fluss des Ein-Stroms (HS) zwischen einem Vorwärtsleitungspfad des Gate-gesteuerten Kanals des Transistors 3v+ und seiner Freilaufdiode D3. Während des zweiten Schaltintervalls T2 befindet sich der Low-Side-Transistor 3v- in einem EIN-Zustand und der High-Side-Transistor 3v+ befindet sich in einem AUS-Zustand. Während des zweiten Schaltintervalls T2 oszilliert der Fluss des Ein-Stroms (LS) zwischen einem Vorwärtsleitungspfad des Gate-gesteuerten Kanals des Transistors 3v- und seiner Freilaufdiode D4. Sowohl der High-Side-Transistor 3v+ als auch der Low-Side-Transistor 3v- werden zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer durch die Periode Talt definierten alternierenden Kurzschlussfrequenz falt umgeschaltet. Außerdem sind die Dauern der beiden Schaltintervalle T1 und T2 gleich lang. Daher ist bei diesem Beispiel der Tastgrad auf 50 % eingestellt.
  • Die beiden unteren Wellenformen in 2 zeigen Sperrschichttemperaturen Tj des High-Side-Transistors 3v+ bzw. des Low-Side-Transistors 3v-. Es ist zu sehen, dass während des ersten Schaltintervalls T1, während dem der High-Side-Transistor 3v+ ein und der Low-Side-Transistor 3v- aus ist, die Sperrschichttemperatur des High-Side-Transistors 3v+ über die Länge des Intervalls mit einer gewissen Welligkeit auf einen Maximalwert ansteigt, da der Ein-Strom abwechselnd durch den Gate-gesteuerten Kanal des Transistors 3v+ und seine Freilaufdiode D3 fließt. Indes fällt die Sperrschichttemperatur des Low-Side-Transistors 3v- stetig auf einen Minimalwert ab, während der Low-Side-Transistor 3v-ausgeschaltet ist. Es ist auch zu sehen, dass die Sperrschichttemperatur des Low-Side-Transistors 3v- während des zweiten Schaltintervalls T2, während dem der Low-Side-Transistor 3v- ein ist und der High-Side-Transistor 3v+ aus ist, über die Länge des Intervalls mit einer gewissen Welligkeit auf einen Maximalwert ansteigt, da der Ein-Strom abwechselnd durch den Gate-gesteuerten Kanal des Transistors 3v- und seine Freilaufdiode D4 fließt. Indes fällt die Sperrschichttemperatur des High-Side-Transistors 3v+, während der High-Side-Transistor 3v+ ausgeschaltet ist, stetig auf einen Minimalwert ab. Die thermische Belastung zwischen den Transistoren 3v+ und 3v- ist über den gesamten passiven Bremsvorgang hinweg im Wesentlichen ausgeglichen. Zum Beispiel fluktuieren die Sperrschichttemperaturen der Transistoren 3v+ und 3v- während des passiven Bremsens zwischen im Wesentlichen denselben minimalen und maximalen Temperaturwerten.
  • 3 ist ein Graph der maximalen Sperrschichttemperatur Tjmax der sechs Leistungstransistoren 3 gegenüber der Bremsfrequenz (d. h. der alternierenden Kurzschlussfrequenz falt) gemäß einer oder mehr Ausführungsformen. Die maximalen Sperrschichttemperaturen Tjmax entsprechen verschiedenen Phasenströmen (PH1 HS, PH1 LS, PH2 HS, PH2 LS, PH3 HS und PH3 LS), die durch einen jeweiligen Transistor fließen. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass die elektrische AC-Frequenz fac 100 Hz beträgt und dass die Nyquist-Frequenz 400 Hz beträgt (d. h. das Vierfache der elektrischen AC-Frequenz). Die Nyquist-Frequenz ist ein N-faches der elektrischen AC-Frequenz, wobei N eine ganze Zahl ist, unterhalb der Verzerrung (Aliasing) auftritt. Anders ausgedrückt, die Nyquist-Frequenz ist ein N-faches der elektrischen AC-Frequenz, wobei N eine ganze Zahl von zwei oder mehr ist, bei oder über der es nur geringe oder gar keine Verzerrungen gibt (d. h. ohne Aliasing). Bei diesem Beispiel ist N gleich vier. Die Nyquist-Frequenz kann auch als Aliasing-Frequenz bezeichnet werden.
  • Aus 3 ist ersichtlich, dass es bei alternierenden Kurzschlussfrequenzen falt unter 400 Hz (d. h. unter der Nyquist-Frequenz des Motors) große Fluktuationen der Sperrschichttemperatur zwischen den Transistoren 3u+, 3u-, 3v+, 3v-, 3w+ und 3w-gibt, wobei die größten Fluktuationen bei Frequenzen knapp unterhalb der Nyquist-Frequenz auftreten. Diese Fluktuationen deuten auf ungleichmäßige Verteilungen der thermischen Belastung zwischen den Transistoren 3u+, 3u-, 3v+, 3v-, 3w+ und 3w- hin, was dazu führen würde, dass die Sperrschichttemperaturen der Transistoren während des passiven Bremsens zwischen erheblich verschiedenen minimalen und maximalen Temperaturwerten fluktuieren. Um gleichmäßige Verteilungen der thermischen Belastung zwischen den Transistoren 3u+, 3u-, 3v+, 3v-, 3w+ und 3w- zu gewährleisten, wurde bestimmt, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz falt so eingestellt werden sollte, dass sie gleich einer oder größer als eine Nyquist-Frequenz des Motors ist. In diesem Fall ist die Nyquist-Frequenz das Vierfache der elektrischen AC-Frequenz und die alternierende Kurzschlussfrequenz falt sollte zumindest auf das Vierfache der elektrischen AC-Frequenz eingestellt werden. Es ist auch zu beobachten, dass die maximalen Sperrschichttemperaturen mit zunehmender alternierender Kurzschlussfrequenz falt über die Nyquist-Frequenz hinaus zu steigen beginnen und dass die maximale Sperrschichttemperatur an einem gewissen Punkt über einen Übertemperatur-Schwellenwert ansteigt, was die Transistoren 3 beschädigen kann. Dies ist ein Ergebnis kürzerer Ruhezeiten für jeden Transistor, wenn die Frequenz ansteigt. Dadurch kann sich die Sperrschichttemperatur aufbauen. Ein Überschreiten dieses Übertemperatur-Schwellenwerts sollte vermieden werden. Zum Beispiel kann die alternierende Kurzschlussfrequenz so begrenzt werden, dass sie gleich oder geringer als das 100-fache der elektrischen AC-Frequenz ist, um zu verhindern, dass die maximale Sperrschichttemperatur der Transistoren den Übertemperatur-Schwellenwert übersteigt.
  • Zurückkommend auf 1 enthält das Motorsteuerungssystem 100 eine Messschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Betriebsparameter, der der elektrischen AC-Frequenz entspricht, zu messen, wobei der Controller 6 dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter so einzustellen, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz falt gleich oder größer als die Nyquist-Frequenz des Motors ist. Der Betriebsparameter kann die elektrische AC-Frequenz sein und die Messschaltung weist einen Stromsensor, der dazu ausgebildet ist, einen der Lastströme zum Messen der elektrischen AC-Frequenz zu messen, auf. Alternativ kann der Betriebsparameter die elektrische AC-Frequenz sein, und die Schaltung weist einen Spannungssensor auf, der dazu ausgebildet ist, zum Messen der elektrischen AC-Frequenz eine Netzspannung zu messen, die einem Laststrom entspricht. Alternativ kann der Betriebsparameter auch die aktuelle Motordrehzahl des Motors sein und die Messschaltung weist einen Drehzahlsensor auf, der dazu ausgebildet ist, die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu messen.
  • Die Messschaltung kann die Phasenstrom-Messschaltung 11, die die elektrische AC-Frequenz fac als Betriebsparameter auf die zuvor oben beschriebene Weise misst, enthalten. Daher liefert die Phasenstrom-Messschaltung 11 die elektrische AC-Frequenz fac als Betriebsparameter an den Controller 6 und der Controller 6 stellt die alternierende Kurzschlussfrequenz falt basierend auf der elektrischen AC-Frequenz fac ein.
  • Alternativ kann die Messschaltung die Motordrehzahl-Messschaltung 12, die die Motordrehzahl als Betriebsparameter auf die zuvor oben beschriebene Weise misst, enthalten. Daher liefert die Motordrehzahl-Messschaltung 12 die Motordrehzahl als Betriebsparameter an den Controller 6, und der Controller 6 stellt die alternierende Kurzschlussfrequenz falt basierend auf der gemessenen Motordrehzahl ein (z. B. so, dass sie das Vierfache der von der Motordrehzahl abgeleiteten elektrischen Frequenz des Motors oder größer ist).
  • Der Controller 6 kann dazu ausgebildet sein, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt so einzustellen, dass sie gleich oder größer als eine Nyquist-Frequenz des Motors ist, und zwar zu der Zeit, zu der das passive Bremsen eingeleitet wird. Mit anderen Worten: Der Controller 6 fragt den Betriebsparameter (z. B. die elektrische AC-Frequenz fac oder die Motordrehzahl) zu der Zeit, zu der er das passive Bremsen einleitet, ab und stellt die alternierende Kurzschlussfrequenz falt zu dieser Zeit entsprechend ein. Die alternierende Kurzschlussfrequenz falt kann während des gesamten passiven Bremsvorgangs entsprechend dieser anfänglichen Frequenzeinstellung fixiert werden.
  • Alternativ kann die alternierende Kurzschlussfrequenz falt während des passiven Bremsens veränderlich sein und der Controller 6 ist dazu ausgebildet, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt anzupassen, wenn sich die aktuelle Motordrehzahl während des passiven Bremsens ändert. Da zum Beispiel die elektrische AC-Frequenz falt direkt mit der Motordrehzahl zusammenhängt, sinkt mit der Motordrehzahl auch die elektrische AC-Frequenz fac und mit ihr die Nyquist-Frequenz. Das heißt, wenn die Motordrehzahl sinkt, sinkt auch die Nyquist-Frequenz. Die Frequenz, bei der der Übertemperatur-Schwellenwert auftritt, kann ebenfalls mit einer verringerten Motordrehzahl sinken. Daher kann der Controller 6, um die Sperrschichttemperaturen innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs mit gleichmäßiger Verteilung der thermischen Belastung zwischen den Transistoren 3 zu halten, dazu ausgebildet sein, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt zu verringern, wenn die Motordrehzahl abnimmt, und zwar basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter, und gleichzeitig sicherzustellen, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz falt so gehalten wird, dass sie gleich der sich ändernden Nyquist-Frequenz oder größer ist.
  • Wenn die alternierende Kurzschlussfrequenz falt variabel ist, kann der Controller 6 dazu ausgebildet sein, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt auf ein vorgegebenes Vielfaches der elektrischen AC-Frequenz einzustellen, und zwar basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter. Das vorgegebene Vielfache kann, wie oben erörtert, vier oder mehr sein, aber es kann das 100-fache der elektrischen AC-Frequenz oder weniger sein. Während des passiven Bremsens ist die Messschaltung 11 oder 12 dazu ausgebildet, den Betriebsparameter kontinuierlich oder in regelmäßigen, vorgegebenen Intervallen zu messen, und der Controller 6 ist dazu ausgebildet, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt so einzustellen, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz falt bei dem vorgegebenen Vielfachen der elektrischen AC-Frequenz gehalten wird, wenn die aktuelle Motordrehzahl verringert wird. Daher ist die alternierende Kurzschlussfrequenz falt während des passiven Bremsens veränderlich und der Controller 6 ist dazu ausgebildet, die alternierende Kurzschlussfrequenz falt anzupassen, wenn sich die aktuelle Motordrehzahl während des passiven Bremsens ändert.
  • Während sich die oben beschriebenen Ausführungsformen auf eine dreiphasige Inverterschaltung, die die drei Halbbrückenschaltungen aufweist, bezogen, sind auch andere Konfigurationen, die zwei oder mehr Halbbrücken verwenden, möglich. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild, das ein Motorsteuerungssystem 400 gemäß einer oder mehr Ausführungsformen veranschaulicht. Das Motorsteuerungssystem 400 enthält zwei Halbbrückenschaltungen, die zum Steuern eines Motors in einer H-Brücken-Konfiguration angeordnet sind. Dementsprechend enthält eine erste Halbbrückenschaltung einen High-Side-Transistor 3u+ und einen Low-Side-Transistor 3u- und eine zweite Halbbrückenschaltung enthält einen High-Side-Transistor 3v+ und einen Low-Side-Transistor 3v-. Die Phasenstrom-Messschaltung 11 kann einen Phasen- (Last-)-Strom Iph oder eine Phasen-(Netz-)-Spannung Vph messen, um die elektrische AC-Frequenz fac zu bestimmen, oder die Motordrehzahl-Messschaltung 12 kann zum Messen der Motordrehzahl auf eine oben beschriebene, ähnliche Weise verwendet werden.
  • Während des passiven Bremsens ist der Gate-Treiber 7 dazu ausgebildet, die High-Side-Transistoren zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und die Low-Side-Transistoren zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei die High-Side-Transistoren entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu den Low-Side-Transistoren komplementäre Weise angesteuert werden. Dementsprechend kann dasselbe Prinzip, das oben für das passive Bremsen beschrieben wurde, auch auf die H-Brücke Schaltung angewandt werden.
  • Weitere Ausführungsformen werden unten beschrieben.
  • Ausführungsform 1: Ein Treibersystem, das dazu ausgebildet ist, einen Motor zu steuern, wobei das Treibersystem aufweist: eine erste Halbbrückenschaltung, die einen ersten High-Side-Transistor und einen ersten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der erste High-Side-Transistor und der erste Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam einen ersten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der erste Laststrom eine elektrische AC-Frequenz, die einer aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist; eine zweite Halbbrückenschaltung, die einen zweiten High-Side-Transistor und einen zweiten Low-Side-Transistor aufweist, wobei der zweite High-Side-Transistor und der zweite Low-Side-Transistor dazu ausgebildet sind, gemeinsam einen zweiten Laststrom zum Antreiben des Motors zu erzeugen, wobei der zweite Laststrom die elektrische AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors entspricht, aufweist; eine Gatetreiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest ein Steuersignal zu empfangen und den ersten High-Side-Transistor und den ersten Low-Side-Transistor zwischen Schaltzuständen zu steuern, um den ersten Laststrom basierend auf dem zumindest einen Steuersignal zu erzeugen, und den zweiten High-Side-Transistor und den zweiten Low-Side-Transistor zwischen Schaltzuständen zu steuern, um den zweiten Laststrom basierend auf dem zumindest einen Steuersignal zu erzeugen; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Steuersignal zu erzeugen, um den ersten Laststrom und den zweiten Laststrom zu steuern, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, passives Bremsen zu verwenden, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors zu verringern, wobei die Gatetreiberschaltung während des passiven Bremsens dazu ausgebildet ist, den ersten High-Side-Transistor und den ersten Low-Side-Transistor auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz mit einem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, wobei die Gatetreiberschaltung während des passiven Bremsens dazu ausgebildet ist, den zweiten High-Side-Transistor und den zweiten Low-Side-Transistor auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, wobei der erste High-Side-Transistor und der zweite High-Side-Transistor während des passiven Bremsens zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so angesteuert werden, dass sie beide gleichzeitig ein oder beide gleichzeitig aus sind, und wobei der erste Low-Side-Transistor und der zweite Low-Side-Transistor während des passiven Bremsens zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz synchron so angesteuert werden, dass sie beide gleichzeitig ein oder beide gleichzeitig aus sind.
  • Ausführungsform 2: Das Treibersystem von Ausführungsform 1, wobei die elektrische AC-Frequenz direkt mit der aktuellen Motordrehzahl des Motors korreliert ist.
  • Ausführungsform 3: Das Treibersystem von Ausführungsform 1, bei dem die Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, während des Fahrmodus` den ersten High-Side-Transistor, den zweiten High-Side-Transistor, den ersten Low-Side-Transistor und den zweiten Low-Side-Transistor zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen zu steuern, um den Motor auf einer Soll-Motordrehzahl zu halten.
  • Ausführungsform 4: Das Treibersystem von Ausführungsform 3, bei dem während des Fahrmodus` : der erste High-Side-Transistor und der zweite High-Side-Transistor zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen so angesteuert werden, dass sie nicht gleichzeitig ein sind, und der erste Low-Side-Transistor und der zweite Low-Side-Transistor zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen so angesteuert werden, so dass sie nicht gleichzeitig ein sind.
  • Während verschiedene Ausführungsformen offenbart wurden, wird es Fachleuten einleuchten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen, die einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte erreichen, vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und Umfang der Erfindung zu verlassen. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläutert werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in denen, die nicht ausdrücklich erwähnt sind. Derartige Modifikationen des allgemeinen erfinderischen Konzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivaltente abgedeckt werden.
  • Darüber hinaus werden die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich als separate Beispiel-Ausführungsform stehen kann. Während jeder Anspruch für sich allein als separate Beispiel-Ausführungsform stehen kann, ist anzumerken, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehr anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiel-Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs enthalten können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in jeden anderen unabhängigen Anspruch einzubeziehen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
  • Es ist weiterhin anzumerken, dass die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarten Verfahren durch eine Einrichtung, die über Mittel zum Durchführen der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren verfügt, implementiert werden können. Zum Beispiel können die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden, einschließlich einer beliebigen Kombination aus einem Computersystem, einer integrierten Schaltung und einem Computerprogramm auf einem nicht-flüchtigen, computerlesbaren Aufzeichnungsmedium. Zum Beispiel können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken in einem oder mehr Prozessoren einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, DSPs, ASICs oder beliebiger anderer gleichwertiger integrierter oder diskreter logischer Schaltkreise sowie beliebiger Kombinationen solcher Komponenten implementiert werden.
  • Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden darf, dass sie sich innerhalb der spezifischen Reihenfolge befinden. Daher wird die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränken, es sei denn, solche Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann bei einigen Ausführungsformen eine einzelne Handlung mehrere Unterhandlungen enthalten oder in diese unterteilt sein. Solche Unterhandlungen können enthalten sein und Teil der Offenbarung dieser einzelnen Handlung sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims (22)

  1. Treibersystem, das dazu ausgebildet ist, einen Motor (M) zu steuern, wobei das Treibersystem aufweist: eine erste Halbbrückenschaltung, die einen ersten High-Side-Transistor (3u+) und einen ersten Low-Side-Transistor (3u-) aufweist; eine zweite Halbbrückenschaltung, die einen zweiten High-Side-Transistor (3v+) und einen zweiten Low-Side-Transistor (3v-) aufweist; eine Gatetreiberschaltung (7), die dazu ausgebildet ist, zumindest ein Steuersignal zu empfangen und den ersten High-Side-Transistor (3u+) und den ersten Low-Side-Transistor (3u-) zwischen Schaltzuständen zu steuern, um einen ersten Laststrom (Iu) zu erzeugen, und zwar basierend auf dem zumindest einen Steuersignal, und den zweiten High-Side-Transistor (3v+) und den zweiten Low-Side-Transistor (3v-) zwischen Schaltzuständen zu steuern, um einen zweiten Laststrom (Iv) zu erzeugen, und zwar basierend auf dem zumindest einen Steuersignal; und einen Controller (6), der dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Steuersignal zu erzeugen, um den ersten Laststrom (Iu) und den zweiten Laststrom (Iv) zu steuern, wobei jeder der ersten und zweiten Lastströme (Iu, Iv) zum Antreiben des Motors dient und eine elektrische AC-Frequenz, die einer aktuellen Motordrehzahl des Motors (M) entspricht, aufweist, wobei der Controller (6) dazu ausgebildet ist, passives Bremsen zu verwenden, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu verringern, wobei die Gatetreiberschaltung (7) während des passiven Bremsens dazu ausgebildet ist, den ersten High-Side-Transistor (3u+) und den zweiten High-Side-Transistor (3v+) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und den ersten Low-Side-Transistor (3u-) und den zweiten Low-Side-Transistor (3v-) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so zu steuern, dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei der erste High-Side-Transistor (3u+) und der zweite High-Side-Transistor (3v+) entsprechend entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu dem ersten Low-Side-Transistor (3u-) und dem zweiten Low-Side-Transistor (3v-) komplementäre Weise angesteuert werden.
  2. Treibersystem nach Anspruch 1, wobei während des passiven Bremsens: die Gatetreiberschaltung (7) dazu ausgebildet ist, den ersten High-Side-Transistor (3u+) und den ersten Low-Side-Transistor (3u-) auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu verringern, die Gatetreiberschaltung (7) dazu ausgebildet ist, den zweiten High-Side-Transistor (3v+) und den zweiten Low-Side-Transistor (3v-) auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu verringern, der erste High-Side-Transistor (3u+) und der zweite High-Side-Transistor (3v+) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so angesteuert werden, dass sie beide gleichzeitig ein oder beide gleichzeitig aus sind, und der erste Low-Side-Transistor (3u-) und der zweite Low-Side-Transistor (3v-) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so angesteuert werden, dass sie beide gleichzeitig ein oder beide gleichzeitig aus sind.
  3. Treibersystem nach Anspruch 1, wobei während des passiven Bremsens: die Gatetreiberschaltung (7) dazu ausgebildet ist, den ersten High-Side-Transistor (3u+), den ersten Low-Side-Transistor (3u-), den zweiten High-Side-Transistor (3v+) und den zweiten Low-Side-Transistor (3v-) in abwechselnden Schaltintervallen zu steuern, die ein erstes Schaltintervall enthalten, das sich mit einem zweiten Schaltintervall abwechselt, die entsprechend der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) wechseln, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu verringern, wobei sich während des ersten Schaltintervalls der erste High-Side-Transistor (3u+) und der zweite High-Side-Transistor (3v+) in einem EIN-Zustand befinden und der erste Low-Side-Transistor (3u-) und der zweite Low-Side-Transistor (3v-) in einem AUS-Zustand befinden, und wobei sich während des zweiten Schaltintervalls der erste Low-Side-Transistor (3u-) und der zweite Low-Side-Transistor (3v-) in einem EIN-Zustand befinden und der erste High-Side-Transistor (3u+) und der zweite High-Side-Transistor (3v+) in einem AUS-Zustand befinden, wobei eine Dauer des ersten Schaltintervalls und eine Dauer des zweiten Schaltintervalls den vorgegebenen Tastgrad definieren.
  4. Treibersystem nach Anspruch 3, wobei der vorgegebene Tastgrad 50 % beträgt, so dass die Dauer des ersten Schaltintervalls gleich der Dauer des zweiten Schaltintervalls ist.
  5. Treibersystem nach Anspruch 3, wobei der vorgegebene Tastgrad zwischen 35 % und 50 % oder zwischen 50 % und 65 % liegt, so dass entweder die Dauer des ersten Schaltintervalls größer als die Dauer des zweiten Schaltintervalls ist beziehungsweise die Dauer des zweiten Schaltintervalls größer als die Dauer des ersten Schaltintervalls ist.
  6. Treibersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin aufweist: eine H-Brückenschaltung, die die erste Halbbrückenschaltung und die zweite Halbbrückenschaltung aufweist.
  7. Treibersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin aufweist: eine Dreiphasen-Inverterschaltung, die die erste Halbbrückenschaltung und die zweite Halbbrückenschaltung aufweist.
  8. Treibersystem nach Anspruch 1, wobei die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) gleich oder größer als eine Nyquist-Frequenz des Motors (M) ist.
  9. Treibersystem nach Anspruch 8, wobei die Nyquist-Frequenz das Vierfache der elektrischen AC-Frequenz ist.
  10. Treibersystem nach Anspruch 9, wobei die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) gleich oder kleiner als das 100-fache der elektrischen AC-Frequenz ist.
  11. Treibersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das weiterhin aufweist: eine Messschaltung (11), die dazu ausgebildet ist, einen Betriebsparameter, der mit der elektrischen AC-Frequenz korrespondiert, zu messen, wobei der Controller (6) dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter so einzustellen, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) gleich oder größer als die Nyquist-Frequenz des Motors (M) ist.
  12. Treibersystem nach Anspruch 11, wobei: der Controller (6) dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter auf ein vorgegebenes Vielfaches der elektrischen AC-Frequenz einzustellen, die Messschaltung (11) während des passiven Bremsens dazu ausgebildet ist, den Betriebsparameter kontinuierlich oder in regelmäßigen, vorgegebenen Intervallen zu messen, und der Controller (6) dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) so einzustellen, dass die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) auf dem vorgegebenen Vielfachen der elektrischen AC-Frequenz gehalten wird, wenn die aktuelle Motordrehzahl verringert wird.
  13. Treibersystem nach Anspruch 12, wobei das vorgegebene Vielfache gleich oder größer als vier ist.
  14. Treibersystem nach Anspruch 11, wobei der Betriebsparameter die elektrische AC-Frequenz ist und die Messschaltung (11) zum Messen der elektrischen AC-Frequenz einen Stromsensor, der dazu ausgebildet ist, den ersten Laststrom (Iu) zu messen, aufweist.
  15. Treibersystem nach Anspruch 11, wobei der Betriebsparameter die elektrische AC-Frequenz ist und die Messschaltung (11) zum Messen der elektrischen AC-Frequenz einen Spannungssensor, der dazu ausgebildet ist, eine mit dem ersten Laststrom (Iu) korrespondierende Netzspannung zu messen, aufweist.
  16. Treibersystem nach Anspruch 11, wobei der Betriebsparameter die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) ist und die Messschaltung (11) einen Drehzahlsensor, der dazu ausgebildet ist, die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu messen, aufweist.
  17. Treibersystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) während des passiven Bremsens veränderlich ist und der Controller (6) dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) anzupassen, wenn sich die aktuelle Motordrehzahl während des passiven Bremsens ändert.
  18. Treibersystem nach Anspruch 1, wobei der Controller (6) dazu ausgebildet ist, die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) so einzustellen, dass sie gleich oder größer als eine Nyquist-Frequenz des Motors (M), und zwar zu der Zeit, zu der das passive Bremsen eingeleitet wird.
  19. Treibersystem nach Anspruch 17, wobei die alternierende Kurzschlussfrequenz (falt) während des passiven Bremsens fixiert ist.
  20. Treibersystem nach Anspruch 1, wobei der Controller (6) zum passiven Bremsen dazu ausgebildet ist, den vorgegebenen Tastgrad so einzustellen, dass eine thermische Last im Wesentlichen gleichmäßig zwischen dem ersten High-Side-Transistor (3u+), dem ersten Low-Side-Transistor (3u-), dem zweiten High-Side-Transistor (3v+) und dem zweiten Low-Side-Transistor (3v-) im Wesentlichen gleich verteilt ist, so dass die jeweiligen Sperrschichttemperaturen des ersten High-Side-Transistors (3u+), des ersten Low-Side-Transistors (3u-), des zweiten High-Side-Transistors (3v+) und des zweiten Low-Side-Transistors (3v-) im Wesentlichen gleich sind.
  21. Treibersystem nach Anspruch 2, das weiterhin aufweist: eine dritte Halbbrückenschaltung, die einen dritten High-Side-Transistor (3w+) und einen dritten Low-Side-Transistor (3w-) aufweist, wobei die Gatetreiberschaltung (7) dazu ausgebildet ist, den dritten High-Side-Transistor (3w+) und den dritten Low-Side-Transistor (3w-) zwischen Schaltzuständen zu steuern, um den dritten Laststrom (Iw) zu erzeugen, und zwar basierend auf dem zumindest einen Steuersignal, wobei der dritte Laststrom (Iw) zum Antreiben des Motors dient und die elektrische AC-Frequenz, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors (M) entspricht, aufweist, wobei der Controller (6) dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Steuersignal zu erzeugen, um den ersten Laststrom (Iu), den zweiten Laststrom (Iv) und den dritten Laststrom (Iw) zu steuern, wobei die Gatetreiberschaltung (7) während des passiven Bremsens dazu ausgebildet ist, den dritten High-Side-Transistor (3w+) und den dritten Low-Side-Transistor (3w-) auf eine komplementäre Weise zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) mit dem vorgegebenen Tastgrad zu steuern, um die aktuelle Motordrehzahl des Motors (M) zu verringern, wobei der erste High-Side-Transistor (3u+), der zweite High-Side-Transistor (3v+) und der dritte High-Side-Transistor (3w+) während des passiven Bremsens zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so angesteuert werden, dass sie alle gleichzeitig ein oder alle gleichzeitig aus sind, und wobei der erste Low-Side-Transistor (3w+), der zweite Low-Side-Transistor (3v-) und der dritte Low-Side-Transistor (3w-) während des passiven Bremsens zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt) synchron so angesteuert werden, dass sie alle gleichzeitig ein sind oder alle gleichzeitig aus sind.
  22. Verfahren, das aufweist: Erzeugen von zumindest einem Steuersignal, um einen ersten Laststrom (Iu), der durch eine erste Halbbrückenschaltung erzeugt wird, und einen zweiten Laststrom (Iv), der durch eine zweite Halbbrückenschaltung erzeugt wird, zu steuern, wobei die erste Halbbrückenschaltung einen ersten High-Side-Transistor (3u+) und einen ersten Low-Side-Transistor (3u-) aufweist, wobei die zweite Halbbrückenschaltung einen zweiten High-Side-Transistor (3v+) und einen zweiten Low-Side-Transistor (3v-) aufweist, wobei von den ersten und zweiten Lastströmen (Iu, Iv) jeder zum Antreiben des Motors (M) dient und eine elektrische AC-Frequenz aufweist, die der aktuellen Motordrehzahl des Motors (M) entspricht, wobei das Verfahren weiterhin ein passives Bremsen des Motors aufweist, und wobei das passive Bremsen des Motors (M) aufweist: synchrones Steuern des ersten High-Side-Transistors (3u+) und des zweiten High-Side-Transistors (3v+) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit einer alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt), so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, und synchrones Steuern des ersten Low-Side-Transistors (3u-) und des zweiten Low-Side-Transistors (3v-) zwischen ihren jeweiligen Schaltzuständen mit der alternierenden Kurzschlussfrequenz (falt), so dass sie sich gleichzeitig in einem gleichen Schaltzustand befinden, wobei der erste High-Side-Transistor (3u+) und der zweite High-Side-Transistor (3v+) entsprechend einem vorgegebenen Tastgrad auf eine zu dem ersten Low-Side-Transistor (3u-) und dem zweiten Low-Side-Transistor (3v-) komplementäre Weise angesteuert werden.
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