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HINTERGRUND
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TECHNISCHES FELD
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Stromrichter. Andere Ausführungsformen betreffen die Steuerung der thermischen Wechselbeanspruchung von Stromrichtern.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Züge weisen typischerweise eine Anzahl von Wagons auf, die von einer Lokomotive geschoben oder gezogen werden. Die Lokomotive weist Traktionsräder auf, die mit dem Schienenstrang im Eingriff stehen. In modernen Bauformen treiben elektrische Radmotoren die Traktionsräder an. Die elektrischen Radmotoren werden über eine elektrische Verteilungseinrichtung von einem oder mehreren motorgetriebenen Generatoren mit Energie versorgt, die in der Lokomotive untergebracht sind. Die Traktionsräder und Radmotoren können reversibel eingerichtet sein, um auch als Bremsen zum Abbremsen der Lokomotive zu dienen.
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In ähnlicher Weise setzen in der Bergbauindustrie geländegängige Fahrzeuge (GFz) zum Antreiben und Abbremsen des Fahrzeugs gewöhnlich elektrisch motorisierte Räder ein. Speziell weisen GFz gewöhnlich einen PS-leistungsstarken Dieselmotor (oder einen anderen Motor) in Verbindung mit einem Wechselstromgenerator, einem Haupttraktionsstromrichter und einem Paar Radantriebsanordnungen, die in den Hinterradreifen des Fahrzeugs untergebracht sind, auf. Der Dieselmotor ist dem Wechselstromgenerator direkt zugeordnet, so dass der Dieselmotor den Wechselstromgenerator antreibt. Der Wechselstromgenerator speist den Haupttraktionsstromrichter, in dem Halbleiterleistungsschalter den Generatorausgangsstrom kommutieren, um elektrische Leistung für elektrische Antriebsmotoren der beiden Radantriebsanordnungen bereitzustellen.
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Sowohl in Lokomotiv- als auch in Gfz-Anwendungen werden Festkörper-Stromrichter verwendet, um Ströme von den Generatoren oder Wechselstromgeneratoren zu den Radmotoren bei Hochspannung zu liefern. Solche Stromrichter weisen induktive Spulen, um die Spannung herunterzutransformieren, sowie Halbleiterleistungsschalter auf, um den Strom zu kommutieren. Obwohl die vorstehend beschriebenen Anwendungen typisch sind, sollte beachtet werden, dass Stromrichter in vielen anderen Umgebungen verwendet werden können.
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Im Allgemeinen erfolgt der Betrieb eines Stromrichters durch abwechselndes Anlegen von zwei Gate-Spannungsniveaus an die einzelnen Halbleiterleistungsschalter über zugehörige Gate-Ansteuereinheiten. Es ist ein bekanntes Problem, dass Halbleiterleistungsschalter zyklischen thermischen Belastungen unterworfen sind. Beim Ansteuern mittels einer Gate-Spannung, leitet jeder Leistungsschalter in Durchlassrichtung einen beträchtlichen Strom bei einem relativ geringen Spannungsabfall über dem Schalter. Trotz der relativ niedrigen Spannung über dem in Durchlassrichtung vorgespannten Leistungsschalter tritt nichtsdestoweniger eine widerstandsbedingte Erwärmung auf. Wenn die Gate-Spannung entfernt wird, hört jeder Halbleiter auf zu leiten (mit Ausnahme eines Leckstroms). Somit sollte sich ein nicht durch eine Gate-Spannung angesteuerter Leistungsschalter bei richtiger thermischer Auslegung in Richtung der Umgebungstemperatur abkühlen.
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Obwohl Haltbarkeit beim Entwurf von Halbleiterbauelementen einen Gesichtspunkt darstellt, haben elektrische Konstruktionsbeschränkungen zur Folge, dass verschiedene Schichten der Halbleiterleistungsschalter aus Materialien mit verschiedenen thermischen Eigenschaften, insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hergestellt werden. Im Laufe der Zeit kann thermische Belastung folglich mechanische Ausfallmodi, wie z.B. Schichtablösung, Ablösung von Anschlüssen oder Ermüdungsbrüche, bewirken. Thermische Belastung kann auch elektrochemische Ausfallmodi, wie bspw. Stromfilamentierung und Bildung von Kirkendall-Poren, bewirken. Auswirkungen thermischer Belastungen können vorhersagbarer gemacht werden und können abgeschwächt werden, indem der Heiz-Kühl-Kreislauf innerhalb eines Entwurfsbereichs aufrechterhalten wird, der definiert ist, um trotz fortlaufender AN/AUS-Zyklen die Temperaturschwankungen zu minimieren.
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US 2007/0221994 A1 beschreibt einen Gate-Treiberschaltkreis für einen Sperrschicht-FET und einen MOSFET mit einem Halbleiter mit breiter Bandlücke, beispielsweise aus SiC und GaN. Der Gate-Treiberschaltkreis erkennt die Temperatur des Halbleiterschalters. Wenn die Temperatur des Halbleiterschalters hoch ist, wird eine Gate-Ansteuerspannung erhöht oder ein Gate-Ansteuerwiderstand verringert, um dadurch die Gesamtverluste aus Leitungsverlusten, Einschaltverlusten und Ausschaltverlusten bei hoher Temperatur zu verringern.
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DE 10 2009 015 322 A1 beschreibt eine Schaltung, die einen Feldeffekttransistor vom Sperrschichttyp mit einem Gateanschluss aufweist, der mit einem unipolaren Schaltvorgang arbeitet, wenn eine erste Gatespannung niedriger als eine bestimmte Schwellenspannung an den Gateanschluss angelegt wird, und der mit einem quasi-bipolaren oder bipolaren Schaltvorgang arbeitet, wenn eine zweite Gatespannung gleich oder höher als die Schwellenwertspannung an den Gateanschluss angelegt wird, so dass ein Gatestrom durch den Sperrschicht-Feldeffekttransistor fließt. Ein Temperaturdetektor erkennt eine Temperatur des Sperrschicht-Feldeffekttransistors, und eine Gate-Ansteuerschaltung ist zum Anlegen der ersten und zweiten Gatespannungen an den Gateanschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors vorgesehen. Die Gate-Ansteuerschaltung legt die erste Gatespannung an, wenn die Temperatur des Sperrschicht-Feldeffekttransistors niedriger als eine bestimmte Schwellenwerttemperatur ist, und legt die zweite Gatespannung an, wenn die Temperatur des Sperrschicht-Feldeffekttransistors gleich oder höher als die Schwellenwerttemperatur ist.
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Es ist zur Verringerung thermischer Belastungen in Halbleiterleistungsschaltern erwünscht, die thermische Wechselbeanspruchung zu regulieren.
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KURZBESCHREIBUNG
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren, das ein Erhalten wenigstens eines Wertes aufweist, der für eine Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters kennzeichnend ist. Das Verfahren weist ferner ein Auswählen einer Gate-Ansteuerspannung aus mehreren vorbestimmten Gate-Ansteuerspannungen auf der Basis des wenigstens einen erhaltenen Wertes auf. Das Verfahren weist ferner ein Bereitstellen der ausgewählten Gate-Ansteuerspannung an einem Gate des Leistungsschalters auf. Die mehreren vorbestimmten Gate-Ansteuerspannungswerte sind eingerichtet, um, wenn sie an dem Gate des Leistungsschalters bereitgestellt werden, in Abhängigkeit von jeweiligen Sperrschichttemperaturwerten, die den Gate-Ansteuerspannungswerten entsprechen, die thermische Wechselbeanspruchung des Leistungsschalters im Vergleich zu der thermischen Wechselbeanspruchung zu reduzieren, die beim Betrieb mit einer einzigen Gate-Spannung über mehrere Sperrschichttemperaturen hinweg vorliegen würde. Das Verfahren weist auf, dass für höhere Sperrschichttemperaturwerte des Leistungsschalters wenigstens eines von Reduktion des Gate-Ansteuerspannungsniveaus, Erhöhung des Gate-Ansteuerwiderstands und Anpassung der Flankensteilheit oder der Zeitfunktion des Gate-Ansteuerspannung vorgenommen wird, um Leitungsverluste und/oder Schaltverluste des Leistungsschalters zu erhöhen, um die thermische Wechselbeanspruchung zu reduzieren.
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In einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Empfangen eines ersten Wertes auf, der für eine Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters kennzeichnend ist. Das Verfahren kann ferner ein Bereitstellen einer ersten Gate-Ansteuerspannung an dem Leistungsschalter auf der Basis des ersten Wertes aufweisen. Das Verfahren kann ferner ein Empfangen eines anderen, zweiten Wertes aufweisen, der für die Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnend ist. Das Verfahren kann ferner das Bereitstellen einer anderen, zweiten Gate-Ansteuerspannung an dem Leistungsschalter auf der Basis des zweiten Wertes aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Gate-Ansteuereinheit für einen Leistungsschalter eine Ausgangsstufe auf, die steuerbar ist, um eine anpassbare Gate-Ansteuerspannung an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen. Die Gate-Ansteuereinheit weist ferner eine Signalverbindung, die eingerichtet ist, um einen Wert zu erhalten, der für eine Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters kennzeichnend ist, und eine Steuereinrichtung auf, die mit der Signalverbindung und mit der Ausgangsstufe verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um die Ausgangsstufe anzuweisen, die Gate-Ansteuerspannung als Reaktion auf den Wert, der für die Sperrschichttemperatur kennzeichnend ist, anzupassen. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um für höhere Sperrschichttemperaturwerte des Leistungsschalters wenigstens eines von Reduktion des Gate-Ansteuerspannungsniveaus, Erhöhung des Gate-Ansteuerwiderstands und Anpassung der Flankensteilheit oder der Zeitfunktion des Gate-Ansteuerspannung vorzunehmen, um Leitungsverluste und/oder Schaltverluste des Leistungsschalters zu erhöhen, um seine thermische Wechselbeanspruchung zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform weist ein Stromrichter mehrere Gate-Ansteuereinheiten auf, die mit mehreren Leistungsschaltern verbunden sind. Jede Gate-Ansteuereinheit weist eine Ausgangsstufe, die eingerichtet ist, um eine anpassbare Gate-Spannung an wenigstens einen der mehreren Leistungsschalter zu liefern, und eine Signalverbindung auf, die eingerichtet ist, um einen Wert zu empfangen, der für eine Sperrschichttemperatur des wenigstens einen der mehreren Leistungsschalter kennzeichnend ist. Der Stromrichter weist ferner wenigstens eine Steuereinrichtung auf, die mit der wenigstens einen Signalverbindung und mit der wenigstens einen Ausgangsstufe verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um die wenigstens eine Ausgangsstufe zur Anpassung der Gate-Spannung als Reaktion auf den für die Sperrschichttemperatur kennzeichnenden Wert zu steuern. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um für höhere Sperrschichttemperaturwerte des Leistungsschalters wenigstens eines von Reduktion des Gate-Ansteuerspannungsniveaus, Erhöhung des Gate-Ansteuerwiderstands und Anpassung der Flankensteilheit oder der Zeitfunktion des Gate-Ansteuerspannung vorzunehmen, um Leitungsverluste und/oder Schaltverluste des Leistungsschalters zu erhöhen, um seine thermische Wechselbeanspruchung zu reduzieren.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der nachstehenden Beschreibung der nicht einschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen verständlicher, in denen nachstehend:
- 1 ist eine schematische Ansicht eines diesel-elektrischen Traktionssystems, das zur Verwendung mit Gate-Ansteuereinheiten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist.
- 2 ist eine schematische Ansicht eines Schaltermoduls des in 1 gezeigten Stromrichters, der einen Halbleiterleistungsschalter und eine Freilaufdiode aufweist.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Außenseite des in 2 gezeigten Schaltermoduls.
- 4 ist eine schematische Ansicht einer Gate-Ansteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Leistungsschalters gemäß einer Ausführungsform.
- 6 ist eine graphische Ansicht von Schalttransientvorgängen für verschiedene Werte des Gate-Ansteuerwiderstands bei vorgegebener Leistungsschaltersperrschichttemperatur.
- 7 ist eine graphische Ansicht der Verlustleistung für verschiedene Werte des Gate-Ansteuerwiderstands bei vorgegebener Leistungsschaltersperrschichttemperatur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird nun im Einzelnen auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wenn immer möglich, werden gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgehend gleiche Teile bezeichnen. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Stromrichter beschrieben sind, sind Ausführungsformen der Erfindung auch allgemein zu Verwendung mit Leistungshalbleitern anwendbar.
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen Verfahren zur Steuerung von Halbleiterleistungsschaltersperrschichttemperaturen über einen Bereich von Betriebsbedingungen hinweg. Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen Gate-Ansteuereinheiten, die Gate-Ansteuerspannungen für Leistungsschalter anpassen, um die Leistungsschaltersperrschichttemperatur innerhalb eines oder mehrerer vorbestimmter Betriebsbereiche zu halten.
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Entsprechend zeigt 1 in einer schematischen Ansicht ein diesel-elektrisches Traktionssystem 100, in welchem eine Verbrennungsmaschine 102 einen Dreiphasengenerator 104 antreibt. Die von dem Generator 104 erzeugte Wechselspannung wird durch eine dreiphasige Diodenanordnung 106 gleichgerichtet, welche eine Spannung Vdc über einen Gleichspannungszwischenkreis 107 zu einem Kondensator 108 und einem Stromrichter 110 liefert. Der Stromrichter weist die Schaltermodule 111, 112, 113, 114, 115, 116 auf, welche zusammen die Vdc kommutieren, um über Ausgangsleitungen 120 (z.B. Ausgangsstromschienen) dreiphasige elektrische Leistung zu einem Traktionsmotor 130 zu liefern. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 4 weiter erläutert, wird jedes Schaltermodul durch eine zugehörige Gate-Ansteuereinheit gesteuert.
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Es wird erkannt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Anordnung der Schaltermodule 111, 112, usw., um einen Stromrichter 110 zu bilden, beschränkt ist. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung gleichsam auf andere (nicht gezeigte) Ausführungsformen anwendbar, einschließlich beispielsweise eines Einschaltermoduls oder eines Arrays von Schaltermodulen, die zur elektrischen Leistungswandlung verwendet werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht des Schaltermoduls 112, während 3 ein Gehäuse 320 des Schaltermoduls 112 in perspektivischer Ansicht zeigt. Wie in 2 gezeigt, weist das Schaltermodul 112 innerhalb seines Gehäuses 320 einen spannungsgesteuerten Halbleiterleistungsschalter 220 und eine Freilaufdiode 221 auf. Der Leistungsschalter 220 weist einen Kollektor 222 und einen Emitter 223 auf, die durch eine Sperrschicht 224 verbunden sind. Ein Gate 225 ist an der Sperrschicht 224 angeschlossen, um eine Gate-Ansteuerspannung Vg und einen Gate-Strom Ige von einer zugehörigen Gate-Ansteuereinheit 402 aufzunehmen. (Gate-Ansteuerspannung bezieht sich auf eine Spannung, die ausreicht, um den Schalter zu aktivieren, um einen Laststrom an eine Last zu liefern. Es sollte erkannt werden, dass, wenn ein Leistungsschalter ausgeschaltet ist, relativ kleine Strommengen eventuell immer noch zu der Last geliefert werden, aber ein solcher Strom ist nebensächlich und zur Energieversorgung der Last nicht eingerichtet/beabsichtigt/ausreichend.) Die Freilaufdiode 221 ist antiparallel zu dem Leistungsschalter 220 angeschlossen, so dass in anderen Worten die Anode der Freilaufdiode mit dem Leistungsschalteremitter 223 verbunden ist, während die Kathode der Freilaufdiode mit dem Leistungsschalterkollektor 222 verbunden ist.
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Obwohl 2 speziell eine beispielhafte Ausführungsform veranschaulicht, in der der Leistungsschalter ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere spannungsgesteuerte Halbleiterbauelemente anwendbar, wozu als nicht beschränkende Beispiele gehören: Bimode-Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, rückwärtsleitende IGBTS, MOSFETs und JFETs. Außerdem wird erkannt, dass zwar 2 eine Freilaufdiode zeigt, diese aber durch andere Bauelemente und Strukturen, die einen Sperrstrom leiten, ersetzt werden kann. Obwohl 2 ein Schaltermodul zeigt, das sowohl einen Leistungsschalter als auch eine Freilaufdiode zusammenpackt, könnten diese Komponenten separat untergebracht sein. Als ein nicht einschränkenden Beispiels könnten mehrere Leistungsschalter gemeinsam in ein Schaltermodul gepackt werden, während zugehörige Dioden in ein Diodenmodul zusammengepackt werden könnten.
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2 und 3 zeigen, dass das Schaltermodulgehäuse 320 einige Kollektorschraubanschlussklemmen 322, einige Emitterschraubanschlussklemmen 323, Sensor- oder Hilfsanschlüsse 324, 325, einen Steuerungsanschluss 326 und einen Thermistor 327 aufweist. Insbesondere Bezug nehmend auf 2 sind die Kollektorschraubanschlussklemmen 322 mit dem Leistungsschalterkollektor 222 innerhalb des Gehäuses 320 verbunden und sind mittels eines Stromkabels 121 außerhalb des Gehäuses mit einer der Ausgangsleitungen 120 und mit einem elektrisch benachbarten Schaltermodul 113 verbunden. Die Emitterschraubanschlussklemmen 323 sind innerhalb des Gehäuses 320 mit dem Leistungsschalteremitter 223 verbunden und sind mittels eines Stromkabels 122 außerhalb des Gehäuses mit dem Gleichspannungszwischenkreis 107 verbunden. Die Hilfsanschlussklemmen 324, 325 sind für hochohmige Sensorverbindungen der Gate-Ansteuereinheit 402 mit dem Leistungsschalterkollektor 222 und -emitter 223 vorgesehen, während die Steuerungsanschlussklemme 326 für die Zuführung der Ansteuerspannung von der Gate-Ansteuereinheit 402 zu dem Gate 225 vorgesehen ist, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 4 weiter beschrieben ist.
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In Ausführungsformen werden eine oder mehrere Temperaturen des Leistungsschalters 220 (z.B. die Leistungsschaltersperrschichttemperatur) mittels eines realen Temperatursensors oder durch Schätzung auf der Basis von Betriebsbedingungen des Leistungsschalters bestimmt. Im erstgenannten Fall ist die Gate-Ansteuereinheit 402 auch mit einem realen Temperatursensor verbunden. Beispielsweise ist in den 2 und 4 ein realer Temperatursensor als der Thermistor 327 angezeigt, der an dem Schaltermodulgehäuse 320 befestigt ist. Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Thermistor 327 angeordnet, um die Gehäusetemperatur Tc durch eine Berührung des Schaltermodulgehäuses 320 nahe des Bereichs, wo der Leistungsschalter 112 an dem Gehäuse befestigt ist, zu erfassen. Es wird erkannt, dass die Spannung an dem Thermistor 327 auf eine Weise variieren wird, die die Gehäusetemperatur Tc direkt kennzeichnet und die Leistungsschaltersperrschichttemperatur Tj indirekt kennzeichnet.
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In anderen Ausführungsformen werden eine oder mehrere Temperaturen eines Leistungsschalters 220 (z.B. die Leistungsschaltersperrschichttemperatur) auf der Basis der Betriebsbedingungen des Leistungsschalters geschätzt. Die Leistungsschaltersperrschichttemperatur kann auf der Basis der folgenden Kenntnisse hinsichtlich der Halbleitersperrschichttemperatur Tj geschätzt werden: Tj ist unter anderen Faktoren eine Funktion der Umgebungstemperatur Ta, der auslegungsgemäßen Wärmetransferparameter, der Einschaltdauer, der Schaltfrequenz fs, der Gleichspannungszwischenkreisspannnung Vdc, des Stromrichterausgangsstroms Iload (in einigen Ausführungsformen eines Stroms pro Phase), der stationären Gate-Spannung Vg und der Zeitfunktion der Gate-Spannung Vg(t) während des Umschaltens des Halbleiterbauelements. In einer Ausführungsform wird wenigstens ein Wert, der die Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnet, auf der Basis von Messungen von wenigstens der Gleichspannungszwischenkreisspannnung und des Stromrichterausgangsstroms erhalten.
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Die Betriebsbedingungen, wie Vdc und Iload, variieren während des Betriebs, was eine Veränderung der stationären Sperrschichttemperatur verursacht. Eine Erhöhung von Tj verursacht eine differenzielle Ausdehnung des Leistungsschalters, wodurch interne Spannungen entstehen. Eine Verringerung der Last verringert Ice, wodurch es der Halbleitersperrschicht ermöglicht wird, sich in Richtung auf die Umgebungstemperatur abzukühlen, was ein differenzielles Zusammenziehen verursacht, das die innere Spannung entspannen oder verschlimmern kann (abhängig davon, ob während der vorherigen Erwärmung die Streckspannung in irgendeiner Schicht überschritten wurde). Somit werden zyklische thermische Belastungen durch Veränderungen der Last und der Temperatur, nicht durch die Größe des Laststroms oder der Sperrschichttemperatur verursacht. Eine zyklische thermische Belastung kann zu mechanischen Ermüdungsausfallmodi, wie beispielsweise Schichtablösung, Ablösung von Anschlussklemmen oder Ermüdungsbrüchen, führen. Darüber hinaus kann ein schneller Temperaturwechsel zu elektrochemischen Ermüdungsausfallmodi, wie z.B. Stromfilamentierung und Bildung von Kirkendall-Poren an der Halbleitersperrschicht durch ein Kriechstromphänomen an lokalen heißen Stellen, führen.
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Um die durch thermische Wechselbeanspruchung bedingten Probleme zu mindern, werden in Ausführungsformen Leistungsschalterparameter derart gesteuert, dass z.B. Tj (die Sperrschichttemperatur) während des Betriebs innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist eine Gate-Ansteuereinheit zur Anpassung der Gate-Spannung eingerichtet, um Leitungs- und/ oder Schaltverluste und zugehörige Temperaturveränderungen innerhalb vorbestimmter Entwurfsbereiche zu halten, z.B. zur Minimierung der Höhe und Rate von Sperrschichttemperaturveränderungen während der Stromversorgung.
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4 zeigt dementsprechend in schematischer Ansicht eine Gate-Ansteuereinheit 402, die mit dem Schaltermodul 112 verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Gate-Ansteuereinheit 402 weist eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) 420 auf, die in einer Ausführungsform eine FPGA (im Feld programmierbare Logikgatter-Anordnung) sein kann. Alternativ kann die Gate-Ansteuereinheit 402 eine andere Art einer Steuereinrichtung als eine PLC aufweisen. Die Gate-Ansteuereinheit 402 weist ferner eine Gleichspannungs-Energieversorgung 421, einen Signalwandler 422 (z.B. einen optischen Wandler), einen gemultiplexten (MUX) ADC (Analog-Digital-Signalwandler) 424, einen Speicher 426 und einige Signalverbindungen auf. Insbesondere empfängt und überträgt der Signalwandler 422 Daten, einschließlich Bedienersteuerungssignale OC1, OC2, usw. über eine Steuerungs-/Datensignalverbindung 428 (z.B. eine Glasfaserverbindung oder eine andere Kommunikationsverbindung), während die PLC oder eine andere Steuerung 420 in einer Ausführungsform die gemessenen Werte Vce, Tc und Ice von den Sensorsignalverbindungen 430, 432, 434 über den ADC 424 direkt empfängt. In einer weiteren Ausführungsform wird Ice auf der Basis der Spannung über der inneren Streuinduktivität des Schaltermoduls geschätzt, die als Spannung zwischen Hilfsanschlussklemmen 325 und der Emitteranschlussklemme 323 gemessen wird.
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Auf der Basis der gemessenen Werte und/oder der empfangenen Daten sucht die PLC oder eine andere Steuerung 420 mehrere vorbestimmte Gate-Ansteuerspannungswerte 441 aus, die in einer Nachschlagetabelle 442 in dem Speicher 426 gespeichert sind. Der PLC oder eine andere Steuerung 420 steuert dann eine Ausgangsstufe 440 zur Lieferung einer statischen EIN-Schalt-Gate-Spannung Vg (Gate-Ansteuerspannung), die aus den mehreren vorbestimmten Werten ausgewählt wird. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die gespeicherten Werte von Vg gemäß einer Funktion von Tj bestimmt. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die gespeicherten Werte von Vg gemäß linearen Funktionen von Tc, Iload und/oder Vce vorbestimmt. In einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die gespeicherten Werte von Vg gemäß einem oder mehreren Steuerungssignalen OC1, OC2, usw. vorbestimmt, die an der PLC oder einer anderen Steuerung 420 über die Steuerungs-/Daten-Signalverbindung 428 und den Signalwandler 422 empfangen werden. Beispielsweise kann das Bedienersteuerungssignal OC1 einen Referenzwert Tj repräsentieren, der von einer (nicht gezeigten) Steuerung empfangen wird, die von jeder der lokalen Gate-Ansteuereinheiten gesondert ist. In einem noch weiteren Aspekt der Erfindung können die gespeicherten Werte von Vg zeitlich aufeinanderfolgende Reihen oder Zeitfunktionen sein, die jeweils zu einem oder mehreren vorbestimmten Bereichen eines oder mehrerer Betriebsparameter, wie z.B. Tj, Iload, Vdc und/oder OC1, OC2 usw., gehören.
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In bestimmten Ausführungsformen kann somit eine thermische Wechselbeanspruchung (können Temperaturschwankungen) durch die Anpassung eines statischen Zielwerts der Gate-Ansteuerspannung gemindert werden. Am Ende eines Schaltereignisses fällt Vce auf ein Niveau von lediglich wenigen Volt herab. Dies ist der Durchlassspannungsabfall, der die Leitungsverluste des Bauelements bestimmt. Das statische Gate-Ansteuerspannungsniveau beeinflusst den Durchlassspannungsabfall. Je niedriger das Gate-Ansteuerspannungsniveau ist, desto höher ist der Durchlassspannungsabfall für denselben Strom. Das standardgemäße Gate-Ansteuerspannungsniveau beträgt +15V. In dem Anpassungsfall kann die Gate-Ansteuerspannung z.B. auf 12V verringert werden, indem der Gate-Ansteuerwiderstand an der Ausgangsstufe 440 angepasst wird, wodurch die Leitungsverluste des IGBTs oder eines anderen Leistungsschalters erhöht werden. Erhöhte Leitungsverluste mindern wiederum die Leistungshalbleitersperrschichtabkühlung während Betriebsbedingungen bei niedriger Belastung des Bauelements. In anderen Ausführungsformen kann die thermische Wechselbeanspruchung gesteuert werden, indem die Gate-Spannungsflankensteilheit sowie der Gate-Spannungszielwert angepasst werden. Darüber hinaus kann durch die Anpassung von Vg eine Gate-Ansteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung thermische und elektrische Belastungen in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen ausgleichen, wodurch die thermische Ermüdung von Leistungsschaltern, die durch die Gate-Ansteuereinheit gesteuert werden, reduziert wird.
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Eine Veränderung des statischen Gate-Ansteuerspannungsniveaus wird durch die Anpassung der Versorgungsspannung für die Ausgangsstufe an der Gate-Ansteuereinheit erzielt. In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Spannungsversorgung 421 z.B. programmierbar, um die statische EIN-Schalt-Gate-Spannung (Gate-Ansteuerspannung) zu steuern. In einigen Ausführungsformen wird ein anpassbarer linearer Spannungsregler verwendet, und ein Spannungsteilerverhältnis für einen Referenzanschluss des Spannungsreglers wird modifiziert, z.B. indem ein Widerstand mittels eines Transistors geschaltet wird oder indem ein programmierbarer Potentiometer verwendet wird. 4 zeigt auch, dass die Ausgangsstufe 440 programmierbar ist und mehrere standardgemäße Widerstandsausgangsstufen, die parallel angeschlossen sind, aufweist. Jede der parallelen Widerstandsausgangsstufen besteht aus einem MOSFET, BJT oder anderem Halbleiterschalter, der in Reihe mit einem Widerstand zwischen einer veränderbaren Gleichspannungs-Energieversorgung 421 und der Gate-Spannungsanschlussklemme 326 angeschlossen ist, die mit dem Leistungsschalter verbunden ist. Die Zeitfunktion der Gate-Spannung wird während des Schaltens von der PLC oder einer anderen Steuerung 420 über die programmierbare Ausgangsstufe 440 und/oder über die programmierbare Spannungsversorgung 421 gesteuert. In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform wird ein anpassbarer Abwärts- oder Aufwärtswandler verwendet, und das Spannungsteilerverhältnis für die Referenzanschlussklemme modifiziert, z.B. indem ein Widerstand mittels eines Transistors geschaltet wird oder indem ein programmierbarer Potentiometer verwendet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung steuert die Gate-Ansteuereinheit 402 die Flankensteilheit des Kollektor-Emitter-Stroms Ice während EIN- und AUS-Schalttransienten, indem sie die Flankensteilheit der Gate-Ansteuerspannung Vg gemäß einer Zeitfunktion, die durch die PLC oder eine andere Steuerung 420 aus dem Speicher 426 ausgewählt wird, steuert. In diesem Fall werden die Schaltverluste angepasst, um Tj innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die thermische Wechselbeanspruchung folglich gesteuert werden, indem die Flankensteilheit oder Zeitfunktion der Gate-Ansteuerspannung Vg angepasst wird. Die Gate-Spannungsflankensteilheit steuert die Flankensteilheit des Anschaltstroms Ice und steuert folglich die Schaltverluste. In einem Fall, wenn ein Schalttransient (durch erhöhten Wert der Gatewiderstandsausgangsstufe) verlangsamt wird, werden die Schaltverluste beträchtlich erhöht. Das statische Zielniveau der Gate-Ansteuerspannung beträgt jedoch in beiden Fällen +15V. Lediglich die Flankensteilheit wird mit dem Gatewiderstand angepasst. Der Vorteil besteht darin, dass durch die Verstärkung des Schaltverlustes die Leistungshalbleitersperrschichtabkühlung während Betriebsbedingungen bei niedriger Belastung des Bauelements gemindert wird.
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In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die gespeicherten Werte von Vg 441 als lineare Funktionen von Tj entsprechend vordefinierten Bereichen von Vdc vorbestimmt werden. Die gespeicherten Werte von Vg 441 können z.B. als eine erste lineare Funktion von Tj, die einem ersten Bereich von Vdc entspricht, eine zweite lineare Funktion von Tj, die einem zweiten Bereich von Vdc entspricht, etc. definiert werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere der linearen Funktionen für einen vorgegebenen Bereich von Vdc über den Entwurfsbereich von Tj mit konstanten Werten belegt sein.
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In anderen Ausführungsformen sind die gespeicherten Werte von Vg als Funktionen von Tj vorbestimmt. Darüber hinaus können die gespeicherten Werte von Vg stufenartig variierende Zeitfunktionen sein, die als Funktionen von Tc, Iload und/oder Vdc, die vordefinierten Werten eines oder mehrerer Bedienersteuerungssignale OC1, OC2, usw. entsprechen, vorbestimmt sein können. In einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die gespeicherten Werte von Vg als Zielwerte vorbestimmt, die vordefinierten Werten eines oder mehrerer Bedienersteuerungssignale OC1, OC2, usw. entsprechen, die an der PLC 420 von einer gesonderten Steuerung über die Steuerungs-/Datensignalverbindung 428 und den Signalwandler 422 empfangen werden.
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Die gespeicherten Werte von Vg können auf der Basis empirischer Daten berechnet werden, die das Schaltverhalten jedes Leistungsschalters bei verschiedenen Werten der Leistungsschaltersperrschichttemperatur Tj kennzeichnen, wie ferner unter Bezugnahme auf die 6 und 7 nachstehend erläutert.
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In Ausführungsformen wird ein thermisches Modell in der Gate-Ansteuereinheit implementiert, das die Sperrschichttemperatur Tj auf der Basis von Messeingaben, wie der Gehäusetemperatur, Vdc, Ice und vorbestimmter Systemparameter, wie Rthjc, schätzt. Auf der Basis des Schätzwertes der Sperrschichttemperatur Tj wird ein geeigneter Wert der Gate-Ansteuerspannung Vg und/oder Gate-Spannungszeitfunktion Vg(t) ausgewählt. In einem noch weiteren Aspekt wird das thermische Modell in einer (nicht gezeigten) separaten Steuerung implementiert, die einen für die Sperrschichttemperatur Tj kennzeichnenden Referenzwert auswählen und der Gate-Ansteuereinheit mitteilen kann, der von der Gate-Ansteuereinheit zum Auswählen eines geeigneten Wertes der Gate-Spannung Vg und/oder einer Gate-Spannungszeitfunktion Vg(t) verwendet wird. Am Anfang der Minute 1 kann beispielsweise ein erster Zielwert Vg(0) der Gate-Ansteuerspannung als 15 V auf der Basis der Temperatur und Vdc ausgewählt und bis zur Minute 2 verwendet werden. Am Ende der Minute 1 kann auf der Basis der Temperatur ein zweiter Zielwert Vg(1) der Gate-Ansteuerspannung als 14 V ausgewählt und bis zur Minute 3 verwendet werden. Die Gate-Spannungszeitfunktion Vg(t) könnte bis zu der Gate-Ansteuereinheit 402 von einer externen Steuerung mittels einer Steuerungs-/Datensignalverbindung 428 als eine Reihe von Zeit- und Spannungswerten übertragen werden: {(1min, 15V), (2min, 14V), ....}. Die PLC 420 kann somit die Schaltverluste erhöhen oder senken, um thermische Transientvorgänge in der Leistungsschaltersperrschicht 224 zu minimieren.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Betriebsbedingung, wie z.B. der Laststrom oder die Bedienersteuerungseingabe, an einer (nicht gezeigten) zentralen Steuerung gemessen werden, die ein Steuerungssignal zum Auswählen eines geeigneten Wertes der Gate-Spannung Vg und/ oder einer Gate-Spannungszeitfunktion Vg(t) auswählen und zu der Gate-Ansteuereinheit kommunizieren kann.
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In Ausführungsformen wird die Gate-Ansteuereinheit 402 zur Temperatursteuerung im geschlossen oder offenen Regelkreismodus verwendet. Im geschlossenen Regelkreismodus (Closed-Loop-Modus) wählt die PLC oder eine andere Steuerung 420 Vg auf der Basis eines gleichzeitig gemessenen oder geschätzten Wertes von Tj aus. Im offenen Regelkreismodus (Open-Loop-Modus) wählt die PLC 420 Vg auf der Basis eines gemessenen oder geschätzten Wertes eines weiteren Parameters aus, von dem erwarten werden kann, dass er Tj in einer vorhersagbaren Weise beeinflusst. Die PLC 420 kann beispielsweise einen höheren Wert für Vg auf der Basis eines Empfangs eines Bedienersteuerungssignals OC1 auswählen, das eine Beschleunigung des Motors 130 anfordert.
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Andererseits kann, während erwartet wird, dass der Traktionsmotor 130 im stationärem Zustand arbeitet, die PLC oder eine andere Steuerung 420 Werte für Vg auf der Basis von Closed-Loop-Schätzwerten von Tj auswählen. Tj kann beispielsweise auf der Basis einer Umgebungstemperatur, der Entwurfswärmeübertragungsparameter, des Arbeitszyklus, der Gleichspannungszwischenkreisspannung und der Zeitdauer seit der Inbetriebnahme des diesel-elektrischen Traktionssystems 100 geschätzt werden. Während der Aufwärmphase des Traktionssystems kann die PLC 420 Vg gemäß einer vorbestimmten Rampenfunktion erhöhen. Wenn vorhergesagt wurde, dass sich Tj im stationären Zustand befindet, kann die PLC 420 einen stationären Wert für Vg speichern und implementieren.
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Als ein weiteres Beispiel kann Tj auf der Basis der Gehäusetemperatur, der Entwurfswärmeübertragungsparameter und gemessener Werte für Ice und Vdc geschätzt werden. Andere Variationen werden für Fachleuten offensichtlich sein.
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Im Allgemeinen können mehrere Gate-Ansteuerspannungswerte und/oder -zeitfunktionen auf der Basis bekannter Parameter des Leistungsschalters bestimmt werden, zu denen gehören: Kollektor-Emitter-Widerstände und Gate-Emitter-Widerstände im leitenden und nicht leitenden Zustand als Funktionen der Sperrschichttemperatur; innere Induktivitäten; Kollektor-Emitter-Strom als Zeitfunktion der Sperrschichttemperatur und der Gate-Ansteuerspannung; und Kühlkapazität. Zusätzlich können die mehreren Gate-Ansteuerspannungswerte und/oder -zeitfunktionen auf der Basis von vordefinierten Zielwerten für Betriebsparameter bestimmt werden, z.B. auf der Basis eines Zielwerts für die Leistungsverluste während eines Schalttransienten bei einer vorbestimmten Sperrschichttemperatur.
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6 zeigt Werte für Kollektor-Emitter-Spannung und -Strom (Vce und Ice) für einige Schalttransienten, die bei verschiedenen Zielwerten der Gate-Ansteuerspannung Vg bei einer gegebenen Sperrschichttemperatur Tj = 138°C durchgeführt wurden. Auf der Basis dieser Zeitübergangswerte ist es möglich, Schalttransientleistungsverluste für jeden Zielwert von Vg bei einer gegebenen Sperrschichttemperatur Tj zu berechnen. Auf der Basis der Kühlkapazität des Leistungsschalters ist es möglich zu bestimmen, welcher Zielwert für die Gate-Ansteuerspannung gewählt werden sollte, um eine Zieländerungsrate der Leistungsschaltersperrschichttemperatur zu erzielen. Typischerweise wird die Zieländerungsrate eine Null-Änderung sein (thermisch stationärer Zustand), um die thermische Wechselbeanspruchung zu minimieren. Elektrische Konstruktionsbeschränkungen können jedoch eine minimale Abweichung der Sperrschichttemperatur Tj erfordern (wo „minimal“ weniger als ungefähr fünf (5) Prozent bedeutet), und eine solche Abweichung bleibt im beabsichtigten Umfang der Erfindung.
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7 zeigt die Leistungsverluste für verschiedene Werte des Gate-Ansteuerwiderstands Rgon bei einer Sperrschichttemperatur Tj = 138°C. Eine Steuerung des parallelen Widerstandsnetzwerks in der Ausgangsstufe 440, um einen niedrigen Wert für Rgon auszuwählen, führt zu einem höheren Wert der Gate-Ansteuerspannung Vg. Dieser höhere Wert der Gate-Ansteuerspannung erzeugt wiederum niedrigere Schaltverluste Eon. 7 zeigt beispielsweise die Schaltverluste Eon, die sich ungefähr umgekehrt verhalten entsprechend dem Gate-Ansteuerwiderstand Rgon. Ein weiterer Modus zur Anpassung der Gate-Ansteuerspannung Vg bestünde darin, anstelle des Widerstandsnetzwerks eine programmierbare Stromquelle an der Ausgangsstufe 440 vorzusehen.
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Empirische Daten, wie sie in den 6 und 7 gezeigt sind, variieren zwischen den Leistungsschaltertypen oder -modells und sogar zwischen den einzelnen Leistungsschaltern. In ausgewählten Ausführungsformen werden deshalb Daten bei der Zielbetriebstemperatur jedes Leistungsschalters bei Inbetriebnahme erhalten, und eine Leistungsschalterkennzeichnung wird an einer zentralen Steuereinrichtung verwendet, um gespeicherte Werte 441 auszuwählen, die in der Gate-Ansteuereinheit 402 programmiert werden sollen. Die Zielbetriebstemperatur beträgt typischerweise neunzig (90) Prozent der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur und ist deshalb auch von dem Typ oder Modell des Leistungsschalters abhängig. Empirische Daten können auch für andere Sperrschichttemperaturwerte erhalten oder geschätzt werden, so dass die Leistungsschaltersperrschichttemperatur unter anderen Parametern dazu verwendet werden kann, aus der Nachschlagetabelle 441 einen Zielwert für Vg auszuwählen.
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In ausgewählten Ausführungsformen können empirische Leistungsverlustdaten auch für einen stationären Zustand der Leitung durch einen Leistungsschalter bestimmt werden, und Vg für den stationären Zustand kann gleich mit der Ziel-Vg zum Schalten oder von dieser verschieden gewählt werden.
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In einer Ausführungsform wird die thermische Wechselbeanspruchung eines Leistungsschalters durch ein Verfahren 500 (z.B. ein Verfahren zur Steuerung des Leistungsschalters) reduziert, wie in 5 gezeigt. Das Verfahren weist bei 502 ein Erhalten eines Wertes auf, das für eine Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnend ist. (Ein Erhalten kann eine direkte oder indirekte Messung, eine Schätzung auf der Basis von Bedingungen/Parametern des Leistungsschalters im Betrieb, ein Empfangen von Daten/Informationen oder anderer Signale, usw. aufweisen). Das Verfahren weist ferner bei 504 ein Auswählen einer Gate-Ansteuerspannung von mehreren vorbestimmten Gate-Ansteuerspannungswerten auf der Basis des wenigstens einen Wertes, der erhalten wurde, auf. Das Verfahren weist ferner bei 506 ein Bereitstellen der ausgewählten Gate-Ansteuerspannung an einem Gate des Leistungsschalters auf. Die mehreren vorbestimmten Gate-Ansteuerspannungswerte sind eingerichtet, um, wenn sie an das Gate des Leistungsschalters angelegt werden, als Funktion der jeweiligen Sperrschichttemperaturwerte, die den Gate-Ansteuerspannungswerten entsprechen (z.B. für einen ersten Sperrschichttemperaturwert oder Bereich von Werten gibt es eine erste Gate-Ansteuerspannung, für einen anderen zweiten Sperrschichttemperaturwert oder Bereich von Werten gibt es eine andere zweite Gate-Ansteuerspannung, usw.) die thermische Wechselbeanspruchung des Leistungsschalters im Vergleich zu der thermischen Wechselbeanspruchung zu reduzieren, die beim Betrieb mit einer einzigen kontanten Gate-Spannung über mehrere Sperrschichttemperaturen hinweg vorliegen würde.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ein Identifizieren eines Bereiches eines Betriebsparameters auf, der dem erhaltenen Wert, der die Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnet, entspricht. Das Verfahren weist ferner ein Auswählen einer vorbestimmten Gate-Ansteuerspannung für den Leistungsschalter auf der Basis eines identifizierten Bereiches des Betriebsparameters und Bereitstellen der ausgewählten Gate-Ansteuerspannung an dem Gate des Leistungsschalters auf, um die Leistungsschaltersperrschichttemperatur zu steuern.
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Wie bemerkt, wird die Gate-Ansteuerspannung zur Ansteuerung eines Leistungsschalters aus den mehreren vorbestimmten Gate-Ansteuerspannungswerten auf der Basis des wenigstens einen erhaltenen Wertes, der für eine Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnend ist, ausgewählt. Der wenigstens eine die Sperrschichttemperatur kennzeichnende Wert kann durch eine Messung der Leistungsschaltertemperatur erhalten werden. Die Leistungsschaltertemperatur kann durch Berührung eines zugehörigen Gehäuses oder durch einen optischen oder einen anderen Sensor in der Nähe der Leistungsschaltersperrschicht gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Sperrschichttemperatur, wie vorstehend beschrieben, auf der Basis von Parametern/ Bedingungen des Leistungsschalters im Betrieb geschätzt werden. Somit kann ein Wert die Sperrschichttemperatur kennzeichnen, weil die Sperrschichttemperatur auf der Basis des Wertes bestimmbar oder schätzbar ist, selbst wenn der Wert kein direkter Temperaturmesswert ist, oder der Wert kann ein direkter Temperaturmesswert der Sperrschicht oder eines anderen Teils des Leistungsschalters sein.
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Ein die Sperrschichttemperatur kennzeichnender Wert kann beispielsweise auf der Basis von Messungen von wenigstens einer Gleichspannungszwischenkreisspannnung eines Gleichspannungszwischenkreises, an dem der Leistungsschalter angeschlossen ist, und eines Stromrichterausgangsstroms eines Stromrichters, der den Leistungsschalter aufweist, erhalten werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein die Sperrschichttemperatur kennzeichnender Wert auf der Basis eines Schätzwertes des Laststroms einer Last erhalten werden, die von dem Leistungsschalter wenigstens teilweise mit dem Laststrom beliefert wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Gate-Ansteuerspannung auf der Basis eines identifizierten Bereichs des Laststroms ausgewählt werden. Der Bereich des Laststroms kann beispielsweise vor dem Einschalten des Leistungsschalters identifiziert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Wert, der für eine Sperrschichttemperatur kennzeichnend ist, auf der Basis eines Bedienersteuerungssignals geschätzt werden. Alternativ kann die Gate-Ansteuerspannung angepasst werden, um die Leistungsschaltersperrschichttemperatur auf der Basis eines von einer gesonderten Steuerung gelieferten Referenzwertes zu steuern.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Gate-Ansteuereinheit für einen Leistungsschalter eine Ausgangsstufe, die zur Bereitstellung einer anpassbaren Gate-Ansteuerspannung an einem Ausgangsanschluss gesteuert werden kann, eine Signalverbindung, die eingerichtet ist, um einen Wert zu empfangen, der für eine Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters kennzeichnend ist, und eine Steuereinrichtung, der mit der Signalverbindung und mit der Ausgangsstufe verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um die Ausgangsstufe zu steuern, um die Gate-Ansteuerspannung als Reaktion auf den Wert, der für die Sperrschichttemperatur kennzeichnend ist, anzupassen.
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Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, um die Ausgangsstufe auf der Basis einer Suche in einer Nachschlagetabelle zur Identifizierung eines oder mehrerer vorbestimmter Werte der Gate-Ansteuerspannungen zu steuern, die zu dem die Leistungsschaltersperrschichttemperatur kennzeichnenden Wert gehören. In einigen Ausführungsformen kann die Nachschlagetabelle mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vordefinierten Bereichen von Spannungen an dem von der Ausgangsstufe angesteuerten Leistungsschalter gehören. Die Nachschlagetabelle kann auch mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vordefinierten Bereichen des Stroms durch einen von der Ausgangsstufe angesteuerten Leistungsschalter gehören. In noch anderen Ausführungsformen kann die Nachschlagetabelle mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vorbestimmten Bereichen von Leistungsschaltersperrschichttemperaturen gehören. Der die Leistungsschaltersperrschichttemperatur kennzeichnende Wert kann ein von einer separaten Steuerung empfangener Referenzwert sein, und die Nachschlagetabelle kann mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu den vordefinierten Referenzwerten gehören.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Leistungsschalter mehrere Gate-Ansteuereinheiten auf, die mit mehreren Leistungsschaltern verbunden sind. Jede Gate-Ansteuereinheit weist eine Ausgangsstufe auf, die eingerichtet ist, um eine anpassbare Gate-Ansteuerspannung an wenigstens einen Leistungsschalter der mehreren Leistungsschalter zu liefern. Jede Gate-Ansteuereinheit weist ferner eine Signalverbindung auf, um einen Wert zu empfangen, der für eine Sperrschichttemperatur des wenigstens einen Leistungsschalters kennzeichnend ist. Der Stromrichter weist ferner wenigstens eine Steuereinrichtung auf, die mit wenigstens einer Signalverbindung und mit wenigstens einer Ausgangsstufe verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um die wenigstens eine Ausgangsstufe zu steuern, um die Gate-Ansteuerspannung als Reaktion auf den die Sperrschichttemperatur kennzeichnenden Wert anzupassen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, um die Ausgangsstufe auf der Basis einer Durchsuchung einer Nachschlagetabelle zur Identifizierung vorbestimmter Werte der Gate-Ansteuerspannungen zu steuern, die dem empfangenen Wert entsprechen, der für die Sperrschichttemperatur kennzeichnend ist. (Die Nachschlagetabelle kann mehrere verschiedene vorbestimmte Gate-Ansteuerspannungswerte aufweisen, die zu verschiedenen Leistungsschaltersperrschichttemperaturen gehören.) In einigen Ausführungsformen kann die Nachschlagetabelle mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vordefinierten Bereichen der Spannung an dem wenigstens einen Leistungsschalter gehören. Die Nachschlagetabelle kann mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunk-tionen aufweisen, die zu vordefinierten Bereichen des Stroms durch den wenigstens einen Leistungsschalter gehören. In noch anderen Ausführungsformen kann die Nachschlagetabelle mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vordefinierten Bereichen der Leistungsschaltersperrschichttemperatur gehören. In manchen Ausführungsformen kann der die Sperrschichttemperatur kennzeichnende Wert ein Referenzwert sein, der von einer separaten Steuerung empfangen wird, und die Nachschlagetabelle kann mehrere Gate-Ansteuerspannungszeitfunktionen aufweisen, die zu vordefinierten Referenzwerten gehören.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren (z.B. ein Verfahren zur Steuerung eines Halbleiterleistungsschalters), das ein Empfangen eines ersten Wertes aufweist, der für eine Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters kennzeichnend ist. Das Verfahren weist ferner ein Bereitstellen einer ersten Gate-Ansteuerspannung an dem Leistungsschalter auf der Basis des ersten Wertes auf. Das Verfahren weist ferner ein Empfangen eines anderen zweiten Wertes auf, der für die Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters kennzeichnend ist (z.B. zu einem späteren Zeitpunkt, wobei der zweite Wert eine Änderung der Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters widerspiegelt). Das Verfahren weist ferner ein Bereitstellen einer anderen zweiten Gate-Ansteuerspannung an dem Leistungsschalter auf der Basis des zweiten Wertes auf.
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Wie leicht erkannt wird, kann in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Gate-Ansteuerspannung auf der Basis eines Wertes angepasst werden, der für die Leistungsschaltersperrschichttemperatur kennzeichnend ist, um einen offenen Regelkreis oder einen geschlossenen Regelkreis der Leistungsschaltersperrschichttemperatur innerhalb von Entwurfsbereichen ausgewählter Parameter, wie z.B. der Gleichspannungszwischenkreisspannnung oder des Laststroms, zu schaffen. Die Steuerung der Leistungsschaltersperrschichttemperatur kann die Auswirkungen der thermischen Wechselbeanspruchung über Betriebsbereiche der ausgewählten Betriebsparameter hinweg verringern, so dass die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des gesteuerten Leistungsschalters durch Bereitstellung einer Gate-Ansteuereinheit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erhöht werden kann.
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Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht beschränkend sein soll. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Ausführungsformen (und/oder Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Während mit den hierin beschriebenen Dimensionen und Materialtypen beabsichtigt wird, Parameter der Erfindung anzugeben, sind diese auf keinen Fall beschränkend, sondern stellen beispielhafte Ausführungsformen dar. Viele weitere Ausführungsformen werden für Fachleuten bei Betrachtung der obigen Beschreibung offensichtlich sein. Der Umfang der Erfindung sollte daher mit Bezug auf die angehängten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden. In den angehängten Ansprüchen werden die Begriffe „enthalten“ und „bei der/dem/denen“ als Äquivalente in einfacher Sprache zu den Begriffen „aufweisen“ und „wobei“ verwendet. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“, „obere“, „untere“ „unten“ „oben“, usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet, und es ist nicht vorgesehen, dass sie ihren Objekten numerische oder positionsbezogene Anforderungen auferlegen. Ferner sind die Merkmale der folgenden Ansprüche nicht in dem Mittel-plus-Funktion-Format geschrieben, und sie sollen nicht auf der Basis von 35 USC § 112, sechster Absatz, ausgelegt werden, sofern und bis derartige Anspruchsmerkmale nicht ausdrücklich die Formulierung „Mittel für“, gefolgt von einer Funktionsangabe ohne weitere Struktur verwenden.
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Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Ausführungsformen der Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, falls sie Strukturelemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Wie hierin verwendet, ist ein Element oder Schritt, das bzw. der im Singular angegeben ist und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist, so zu verstehen, dass es/er eine Mehrzahl der Elemente oder Schritte nicht ausschließt, es sei denn, ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich angegeben. Es ist des Weiteren nicht vorgesehen, dass Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein zusätzlicher Ausführungsformen, die ebenfalls die aufgelisteten Merkmale beinhalten, ausschließen. Darüber hinaus können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen“, „enthalten“ oder „haben“, zusätzliche derartige Elemente beinhalten, die diese Eigenschaft nicht haben.
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Da an der vorstehend beschriebenen Gate-Ansteuereinheit und dem Verfahren zur Steuerung der thermischen Wechselbeanspruchung gewisse Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der hierin einbezogenen Erfindung abzuweichen, ist es vorgesehen, dass der gesamte Gegenstand der obigen Beschreibung oder der gesamte in den Begleitzeichnungen gezeigte Gegenstand lediglich als Beispiele auszulegen ist, welche das erfindungsgemäße Konzept hierin veranschaulichen, und nicht als die Erfindung beschränkend betrachtet werden soll.
