JP2022524722A - パワーエレクトロニクスハーフブリッジのためのデッドタイムを決定する制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、デッドタイムを決定する制御装置に関する。【解決手段】車両パワーモジュールのブリッジ回路（３０）を制御する制御装置（１０）は、ブリッジ回路（３０）の出力電流を取得する入力インターフェイス（１２）と、取得された出力電流に応じて適応デッドタイムを決定する評価ユニット（１４）と、を含む。適応デッドタイムは、ブリッジ回路（３０）の所定の転流時間に結合され、所定の最小値によって制限される。制御装置（１）は信号ユニット（１６）をさらに含む。信号ユニット（１６）は、適応デッドタイムをブリッジ回路（３０）に印加する制御信号を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ベースのパワーモジュールの分野に関する。特に、本発明は、例えば電気自動車および／またはハイブリッド自動車用のインバータ等である、パワーエレクトロニクススイッチのためのデッドタイムを決定する制御装置に関する。

パワーエレクトロニクスのスイッチまたは回路は、現在、多様な用途に使用されている。特に、進化するエレクトロモビリティにおいて、パワーエレクトロニクスは、重要な役割を担っている。車両に組み込まれる機能の数が増加するに伴って、そこに搭載されるパワーエレクトロニクスの数および複雑さも増加する。

電源およびインバータ等のパワーエレクトロニクス回路の多くでは、ブリッジ回路が使用される。ブリッジ回路は、典型的に、上側（ハイサイド）スイッチおよび下側（ローサイド）スイッチから構成される。ハイサイドスイッチ（ＨＳスイッチ：High Side Switch）は、負荷を電源電圧に切り換える例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）等のトランジスタを含むことができる。同様に、ローサイドスイッチ（ＬＳスイッチ：Low Side Switch）は、負荷をグランド（またはアース）に切り換える例えばＦＥＴ等のトランジスタを含むことができる

このようなブリッジ回路は、例えば欧州登録特許第１２３０７３４Ｂ１号から既知である。

２つのスイッチは、作動中に、相互に反転させて制御される。オンとオフを切り換える際に、ＨＳスイッチおよびＬＳスイッチの両方に時間遅延がある。これは、ゲートソース電圧（Ｖ_ＧＳ）を印加した後、ドレインソース電圧（Ｖ_ＤＳ）が遅延を伴って後者に反応するという事実による。しかしながら、２つのスイッチは、ゲートソース電圧に対するドレインソース電圧の反応速度が異なるために異なる長さの遅延時間を有し、ならびにオンとオフを切り換える際に異なる長さの立ち上がり時間および立ち下がり時間を有する。立ち上り時間または立ち下り時間は、ドレインソース電圧が最終値に達するのに要する時間に関連する。これによって、２つのスイッチは異なる速さでオンおよびオフを切り換える。その結果、ＨＳスイッチおよびＬＳスイッチは、容易に反転させて制御することができない。そうしないと、２つのスイッチが同時に導通するオーバーラップフェーズにつながるであろう。その結果、２つのスイッチの一方のスイッチから他方のスイッチに高い交差電流が流れ、回路遮断器全体を破壊する短絡のようになってしまう。

さらに、例えば、金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor）または窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）（ＧａＮ‐ＨＥＭＴ）等を含む、より最新のパワースイッチでは、スイッチオフ時の遅延時間は、通常、スイッチオン時よりも著しく長い。

上記の問題を解決しようとする多様な解決策が過去に提案された。例えば、ＨＳスイッチおよびＬＳスイッチのどちらも閉じられていないタイムスパンとして定義されるいわゆる「デッドタイム」（またはロックタイム）が導入される。これによって、供給電圧の短絡が防止される。それによって、交差導通が防止される。

しかしながら、従来技術から既知のパワーエレクトロニクス回路は、高い伝導損失を被る。これは、デッドタイムが適切に選択されず、多くの場合に大きすぎるためである。逆導通を可能にするパワー半導体は、オフに切り換えられた状態で順方向電圧が著しく増大する。その結果、デッドタイムが長くなると、逆導通における伝導損失の増加につながる。

欧州登録特許第１２３０７３４Ｂ１号

したがって、本発明の課題は、逆導通における伝導損失が低減されるように、パワーエレクトロニクス回路におけるデッドタイムを最適化することである。

この課題は、独立請求項に記載の制御装置、制御方法、最適化方法、コンピュータプログラム製品、コンピュータ可読記憶媒体、およびデータキャリア信号によって達成される。

車両パワーモジュールは、逆方向に切り換え可能な少なくとも１つのパワー半導体を備える。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）または炭化珪素（ＳｉＣ）等のバンドギャップの大きい半導体（ワイドギャップ半導体）（英語: Wide Bandgap Semiconductors)を考慮できる。車両パワーモジュールは、１つまたは複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、１つまたは複数の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含むことができる。

ブリッジ回路は、ＨＳスイッチおよびＬＳスイッチを含むハーフブリッジであってよい。代替的に、ブリッジ回路は、いわゆるマルチレベルハーフブリッジであってもよい。入力インターフェイスは、例えば、アナログ‐デジタル変換器として、またはデータラインのインターフェイス（例えばシリアル周辺インターフェイス、ＳＰＩ：Serial Peripheral Interface）として構成することができる。

出力電流は、変流器、電流計またはデータラインから取得できる。評価ユニットは、例えば、マイクロコントローラまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（英語：ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）を含む。または、評価ユニットは、出力電流を読み出して、それに応じて適応デッドタイムを決定するマイクロコントローラの一部である。これは、３つの決定バリエーションと理解することができる。第１決定バリエーションによれば、評価ユニットは、ブリッジ回路に組み込まれた、またはブリッジ回路に接続された測定モジュールを用いて、ブリッジ回路の転流時間およびデッドタイムの最小値を測定する。次に、評価ユニットは、転流時間および最小値を使用して、これら２つの測定変数を組み合わせることによって、適応デッドタイムを決定する。この場合、転流時間および最小値に関連する「所定の」という語句は、これら２つの測定変数が、これらが組み合わされる前に評価ユニット自体によって決定された、という事実を指す。

第２決定バリエーションによれば、評価ユニットは、転流時間および最小値を使用する。これらの２つの測定変数は、前出のブリッジ回路、または（例えばプロトタイプにおける）別のブリッジ回路の特徴付けによって取得されている。次に、評価ユニットは、転流時間および最小値を使用して、これら２つの測定変数を組み合わせることによって、適応デッドタイムを決定する。この場合、転流時間および最小値に関連する「所定の」という語句は、第１決定バリエーションと同様に、これらの２つの測定変数が、これらが組み合わされる前に（プロトタイプにおける）特徴付けを用いて決定された、という事実を指す。

第３決定バリエーションによれば、評価ユニットは、転流時間および最小値を使用する。これらの２つの測定変数は、前出のブリッジ回路、または（例えばプロトタイプにおける）別のブリッジ回路の特徴付けによって取得され、組み合わされている。この場合、転流時間および最小値に関連する「所定の」という語句は、これらの２つの測定変数が、適応デッドタイムを決定する目的でこれらが評価ユニットに供給される時点の前に決定され、組み合わされた、という事実を指す。例えば、制御装置は、特徴付けられたブリッジ回路（プロトタイプ）の出力電流に応じた所定の組み合わされた転流時間／デッドタイムの最小値を記憶する記憶媒体を備えることができる。

好適な実施形態によれば、転流時間は、ブリッジ回路のドレインソース電圧（Ｖ_ＤＳ）が初期値から、初期値の３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％または０％に低下する期間として定義されている。

適応デッドタイムに基づいて、信号ユニットによって制御信号が生成される。制御信号は、適応デッドタイムをブリッジ回路に印加する役割を果たす。制御信号は、例えば、ブリッジ回路の上側スイッチ（ＨＳスイッチ）のための第１パルス幅変調信号（例えばＰＷＭ信号）およびブリッジ回路の下側スイッチ（ＬＳスイッチ）のための第２パルス幅変調信号（例えば、ＰＷＭ信号）を含むことができる。信号ユニットは、マイクロコントローラの一部とすることができる。

本発明による制御装置および制御方法は、従来技術から既知の解決策と比較して、適応デッドタイムを理由として有利である。適応デッドタイムを所定の最小値に制限することによって、前述の交差導通を回避、または低減することができる。これによって、短絡電流を回避し、それに伴うパワー半導体の過熱に起因するパワー半導体の破壊を回避する。デッドタイムを最小値に制限するとは、デッドタイムが最小値以上であることを意味する。

さらに、デッドタイムが所定の転流時間に結合されるので、いわゆる「ダブルスイッチング」が回避される。パワー半導体では、負荷電流が減少するにつれて、転流時間が急激に長くなる。これは、電流出力でコンデンサとして機能するスイッチが、出力キャパシタンスで比較的ゆっくりとリロードされるためである。デッドタイムが転流時間よりも短い場合、各回路遮断器の出力コンデンサは、スイッチオンの時点にまだ完全に放電されていない。これは、スイッチに印加される電圧およびスイッチに印加される電流が同時にゼロでないダブルスイッチング、またはハードスイッチング過渡現象につながる。これは、追加の損失につながる。追加の損失は、デッドタイムが転流時間以上になるように選択される場合に、回避することができる。デッドタイムをブリッジ回路の転流時間に結合するとは、デッドタイムが転流時間に等しく設定される、または指定の数学的関係を介して（例えば、固定差および／または固定乗算係数で）転流時間に関連付けられることを意味する。

さらに、これによって、従来技術から既知の解決策に対してブリッジ回路の制御が改善される。既知の解決策では、ブリッジ回路は、作動中にそのスイッチング挙動が強制的にチェックされ、誤った挙動（例えば、導通の損失またはダブルスイッチング）が発生した場合に強制的に修正されることがない。これに対して（例えば、プロトタイプを特徴付けることによって）所定の整流時間およびデッドタイムの最小値を既存のデータとして使用可能であり、制御信号の形でブリッジ回路に印加されるデッドタイムを、出力電流に応じて決定することができる。これによって、最適化された適応デッドタイムを用いて、ブリッジ回路を容易に制御可能である。

有利な実施形態および発展形態は、従属請求項に記載されている。

さらなる実施形態によれば、所定の最小値は、スイッチオン時のブリッジ回路のスイッチオン遅延時間、スイッチオン時のブリッジ回路のゲート制御のスイッチオン制御遅延時間、スイッチオフ時のブリッジ回路のスイッチオフ遅延時間、および／またはスイッチオフ時のブリッジ回路のゲート制御のスイッチオフ制御遅延時間に依存する。

デッドタイムをこの最小値に制限することによって、交差導通を効果的に回避できる。特に、ゲート電圧に対するドレインソース電圧の反応に関連する遅延時間に加えて、スイッチオン時またはスイッチオフ時のゲート制御自体の遅延時間も考慮することができる。代替的または追加的に、このようにして決定されたデッドタイムの最小値は、可及的に多くの作動条件（例えば、パワー半導体のスイッチング挙動を大きく変化させる可能性のある熱的影響）下での交差導通を回避するために、予備の値だけ増加させることができる。

さらなる実施形態によれば、評価ユニットは、適応デッドタイムを、所定の閾値を超える出力電流の第１範囲についての最小値に、および／またはこの閾値を下回る出力電流の第２範囲についての所定の転流時間に、等しく設定するように構成されている。

閾値は、所定の転流時間および／またはデッドタイムの所定の最小値に基づいて設定することができる。例えば、負荷電流に対して時間（転流時間またはデッドタイム）をプロットしたグラフにおける、特徴付けられたブリッジ回路（プロトタイプ）の出力電流（負荷電流）に応じた転流時間の推移と、デッドタイムの一定の最小値の直線との交点の電流値が、閾値である。これは、負荷電流が増加するにつれて転流時間が短くなるパワー半導体の場合に特に有利である。

さらなる実施形態によれば、評価ユニットは、所定の転流時間および／または所定の最小値を、テーブルまたは可変フィールドから出力電流に応じて選択するように構成されている。

テーブル（例えばルックアップテーブル）または可変フィールド（例えばアレイ）は、好適には、ブリッジ回路またはプロトタイプを上述のように特徴付けることによって取得されている。テーブルの第１列または可変フィールドには、ブリッジ回路の出力電流の複数の値が格納されている。テーブルの第２列または可変フィールドには、デッドタイムの値が格納されている。デッドタイムは、出力電流の複数の値について決定され、さらに所定の転流時間に結合され、所定の最小値に制限されている。したがって、評価ユニットは、プロトタイプの特徴づけを用いて事前に取得された最適化された適応デッドタイムのデータに容易にアクセス可能であり、これに基づいてブリッジ回路を制御することができる。

評価ユニットは、テーブル又は可変フィールドの代わりに、例えば、プロトタイプの特徴付けを用いて事前に取得された最適化された適応デッドタイムの上述のデータに基づいて得られる近似式に、アクセスすることができる。したがって、近似式は、所定の転流時間と所定の最小値とを組み合わせることによって得られる適応デッドタイムの、特徴付けられたブリッジ回路（プロトタイプ）の負荷電流または出力電流への数学的依存性を記述する。これによって、ブリッジ回路の負荷電流の単なる離散値の代わりに、比較的拡張された連続的な範囲にわたって適応デッドタイムを確立することができるので、制御の改善が可能になる。

本発明によるコンピュータプログラム製品は、コンピュータのメモリにロードされるように構成され、ソフトウエアコード部分を含む。コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されると、このソフトウエアコード部分で、本発明による方法の方法ステップが実行される。

プログラムは、データ処理システムのソフトウエア、例えば評価ユニットまたはコンピュータに属する。ソフトウエアは、プログラムおよび関連データの総称である。ソフトウエアを補完するのがハードウエアである。ハードウエアは、データ処理システムの機械的および電子的な方向性を指す。コンピュータは評価ユニットである。

コンピュータプログラム製品は、通常、一連の命令を含む。一連の命令によって、ハードウエアは、プログラムがロードされると、特定の結果に至る特定の方法を実行する。当該プログラムがコンピュータ上で使用されると、コンピュータプログラム製品は、上述の本発明の技術的効果をもたらす。

本発明によるコンピュータプログラム製品は、プラットフォームに依存しない。すなわち、任意のコンピューティングプラットフォーム上で実行することができる。好適には、コンピュータプログラム製品は、車両の周囲を検出する本発明による評価ユニット上で実行される。

ソフトウエアコード部分は、例えばPython（登録商標）、Java（登録商標）、JavaScript（登録商標）、C、C++、C#、Matlab（登録商標）、LabView（登録商標）、Objective C（登録商標）等のプログラミング言語で記述されている。代替的または追加的に、ハードウエア記述言語（例えばＶＨＤＬ等）を使用することもできる。

コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、電子、磁気、光学、または光磁気記憶媒体である。

データキャリア信号は、コンピュータプログラム製品が記憶されている記憶媒体から、別のエンティティ、例えば、別の記憶媒体、サーバ、クラウドシステム、４Ｇ／５Ｇの無線通信システム、またはデータ処理ユニット等に、コンピュータプログラム製品が送信する信号である。

次に、実施形態を、添付の図面を参照して例示的に説明する。

一実施形態による制御装置の概略図である。 制御装置によって制御されるブリッジ回路の概略図である。 ブリッジ回路のためのデッドタイムを最適化する方法の概略図である。

図において、同一の参照符号は、同一または機能的に類似した参照部分を指す。各図には、関連する各参照部分が記載されている。

図１は、一実施形態による制御装置１０の概略図を示す。制御装置１０は、入力インターフェイス１２と、評価ユニット１４と、信号ユニット１６と、を備える。入力インターフェイス１２を介して、例えば電流計４０（図２）を用いてブリッジ回路３０の出力で測定される出力電流が取得される。評価ユニット１４は、出力電流を評価し、それに応じて適応デッドタイムを決定する。この場合、図２に例示するように、評価ユニット１４は、負荷電流Ｉに応じた適応デッドタイムｔ_Ｄのデータが格納されているテーブル１４２を使用する。

図３は、適応デッドタイムを決定する方法を概略的に示す。この方法を用いてテーブル１４２のデータを取得する。ステップＳ１では、ブリッジ回路プロトタイプにおいて最小デッドタイム（最小値）を測定する。さらなるステップＳ２では、同一のまたは別のブリッジ回路プロトタイプにおいて、負荷電流Iに応じて転流時間ｔ_Ｃを測定する。さらなるステップでは、負荷電流Ｉに応じた適応デッドタイムｔ_Ｄを取得するために、ステップＳ１およびＳ２の測定結果を組み合わせる。図３に例示するように、適応デッドタイムを、関連する負荷電流値と共にテーブルに記憶させておくことができる。代替的または追加的に、値のペアに基づいて近似式：ｔ_Ｄ＝ａＩ^－ｂを決定することができる。ここで、ａおよびｂは近似パラメータである。（図３のグラフに曲線として示す。）値のペアにおいて、各値のペアは、一方では適応デッドタイムを、他方では関連する負荷電流を含む。

評価ユニット１４は、テーブル１４２に基づいて、適応デッドタイムｔ_Ｄを決定する。これに基づいて、信号ユニット１６は、ブリッジ回路３０に印加される制御信号を生成する。図２においては、追加的に、図１の制御装置１０を用いるブリッジ回路３０の制御が概略的に示される。ＨＳスイッチ３２のゲートを制御する第１制御信号１４４は、矩形ＰＷＭ信号として概略的に示されている。ＬＳスイッチ３４のゲートを制御する第２制御信号１４６は、同様に矩形ＰＷＭ信号として概略的に示されている。その際、評価ユニット１４によって決定される適応デッドタイムｔ_Ｄが考慮されている。図２に例示されるように、２つの制御信号は、相互に反転して生成される。２つのスイッチのいずれも作動されないデッドタイムの持続時間の間、位相が存在する。ＬＳスイッチ３４のための第２ＰＷＭ信号において、信号エッジは、ＨＳスイッチのための第１ＰＷＭ信号における信号エッジに対して、ｔ_Ｄだけ時間的にシフトされている。同時に、ＨＳスイッチ３２のための第１ＰＷＭ信号において、信号エッジは、ＬＳスイッチ３４のための第２ＰＷＭ信号における信号エッジに対して、同様にｔ_Ｄだけシフトされている。

１０ 制御ユニット
１２ 入力インターフェイス
１４ 評価ユニット
１４２ テーブル
１４４ 第１制御信号
１４６ 第２制御信号
１６ 信号ユニット
３０ ブリッジ回路
３２ ハイサイドスイッチ
３４ ローサイドスイッチ
３６ 第１ゲート制御
３８ 第２ゲート制御
４０ 電流測定ユニット
Ｓ１‐Ｓ３ 方法のステップ

Claims (11)

1. 車両パワーモジュールのブリッジ回路（３０）を制御する制御装置（１０）であって、
   前記ブリッジ回路（３０）の出力電流を取得する入力インターフェイス（１２）と、
   取得された前記出力電流に応じて適応デッドタイムを決定する評価ユニット（１４）と、を含み、前記適応デッドタイムは、前記ブリッジ回路（３０）の所定の転流時間に結合され、所定の最小値によって制限され、
   前記制御装置（１０）は信号ユニット（１６）をさらに含み、前記信号ユニット（１６）は、前記適応デッドタイムを前記ブリッジ回路（３０）に印加する制御信号を生成する、制御装置（１０）。
2. 請求項１に記載の制御装置（１０）であって、前記転流時間は、前記ブリッジ回路（３０）のドレインソース電圧（Ｖ_ＤＳ）が初期値から、前記初期値の３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％または０％に低下する期間として定義されている、制御装置（１０）。
3. 請求項１または２に記載の制御装置（１０）であって、前記入力インターフェイス（１２）は、前記所定の転流時間および前記所定の最小値を取得するようさらに構成されている、制御装置（１０）。
4. 請求項３に記載の制御装置（１０）であって、前記評価ユニット（１２）は、前記適応デッドタイムを、所定の閾値を超える出力電流の第１範囲についての最小値に、および／または前記閾値を下回る出力電流の第２範囲についての所定の転流時間に、等しく設定するように構成されている、制御装置（１０）。
5. 請求項１～４の何れか一項に記載の制御装置（１０）であって、前記評価ユニット（１４）は、前記適応デッドタイムを、テーブルまたは可変フィールドから出力電流に応じて選択するように構成されている、制御装置（１０）。
6. 請求項１～５の何れか一項に記載の制御装置（１０）であって、前記評価ユニット（１４）は、前記適応デッドタイムを、近似式にしたがって出力電流に応じて選択するように構成されている、制御装置（１０）。
7. 車両パワーモジュールのブリッジ回路（３０）を制御する方法であって、
   前記ブリッジ回路（３０）の出力電流を取得するステップと、
   取得した前記出力電流に応じて適応デッドタイムを決定するステップと、を含み、前記決定するステップにおいて、前記適応デッドタイムを、前記ブリッジ回路（３０）の所定の転流時間に結合し、所定の最小値によって制限し、
   前記方法は、前記適応デッドタイムを前記ブリッジ回路（３０）に印加するための制御信号を生成するステップをさらに含む、方法。
8. ブリッジ回路（３０）の適応デッドタイムを決定する方法であって、
   前記ブリッジ回路（３０）のデッドタイムの最小値を測定するステップと、
   前記ブリッジ回路（３０）の出力電流に応じて前記ブリッジ回路（３０）の転流時間を測定するステップと、
   前記出力電流に応じた適応デッドタイムを取得するために、測定した前記転流時間を決定した前記最小値と組み合わせるステップと、を含み、前記デッドタイムは、測定した前記転流時間に結合され、決定した前記最小値によって制限されている、方法。
9. 命令を含むコンピュータプログラム製品であって、前記命令は、プログラムがコンピュータによって実行される際に、請求項７または８に記載の方法を実行する、コンピュータプログラム製品。
10. 請求項９に記載のコンピュータプログラム製品が記憶されている、コンピュータ可読記憶媒体。
11. 請求項９に記載のコンピュータプログラム製品が送信する、データキャリア信号。
    

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