JP2023531061A - Power output stage for a device for supplying energy to an electrical load - Google Patents

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Abstract

本発明は、電気負荷(3)にエネルギを供給するための装置(1)のための電力出力段(10)であって、当該電力出力段(10)は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいて構成された、少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)を含む電力スイッチング装置(12)と、電力スイッチング装置(12)のための駆動回路(15)とを有し、少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の半導体電力スイッチは、支持体基板の表面上に亜硝酸ガリウム半導体として構成されている、電力出力段(10)と、そのような電力出力段(10)を有する、電気負荷(3)にエネルギを供給するための対応する装置(1)と、そのような電力出力段(10)のための無電圧のスイッチング時点を特定するための方法とに関する。この場合、少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)のための駆動回路(15)は、それぞれ1つのARCPモジュール(16B)を含み、ARCPモジュール(16B)は、2つの補助スイッチ及びチョークコイルを有し、無電圧のスイッチング時点に、対応するハーフブリッジ(12.1)の半導体電力スイッチをスイッチングするように構成されており、駆動回路(15)は、無電圧のスイッチング時点を、積分された電流測定によって、及び/又は、適応的な遅延チェーンによって特定するように構成されている。The present invention is a power output stage (10) for a device (1) for supplying energy to an electrical load (3), said power output stage (10) being based on gallium nitride on silicon technology. a power switching device (12) comprising at least one half-bridge (12.1) and a driver circuit (15) for the power switching device (12), the at least one half-bridge The semiconductor power switch of (12.1) comprises a power output stage (10) constructed as a gallium nitrite semiconductor on the surface of a carrier substrate and an electrical load having such a power output stage (10) It relates to a corresponding device (1) for supplying energy to (3) and to a method for determining voltage-free switching instants for such a power output stage (10). In this case the drive circuits (15) for the at least one half-bridge (12.1) each comprise one ARCP module (16B), the ARCP modules (16B) having two auxiliary switches and choke coils. and is adapted to switch the semiconductor power switches of the corresponding half-bridge (12.1) at voltage-free switching instants, the drive circuit (15) converting the voltage-free switching instants to the integrated current It is configured to determine by measurements and/or by adaptive delay chains.

Description

本発明は、電気負荷にエネルギを供給するための装置のための、独立請求項1の上位概念に記載の形式の電力出力段を起点とする。そのような電力出力段を有する、電気負荷にエネルギを供給するための対応する装置と、電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための方法も、本発明の対象である。 The invention starts from a power output stage of the type specified in the preamble of independent claim 1 for a device for supplying energy to an electrical load. A corresponding device for supplying energy to an electrical load with such a power output stage and a method for determining the voltage-free switching instants for a power output stage are also subject matter of the invention.

3相ブラシレス直流モータは、通常、好ましくはシリコン電力半導体に基づいてB6インバータとして構成されている電力出力段により、好ましくはフィールド指向制御によって駆動される。電気負荷、ここでは直流モータを駆動するために、本来の半導体電力スイッチに加えて、半導体電力スイッチをスイッチオン及びスイッチオフするブリッジドライバが使用される。このことは、典型的には、約20kHzの周波数で60V未満の電圧と、3kW未満の電力とを有する小型モータにおいて起こる。周波数は、スイッチング損失に基づいて可能な限り低く、ただし、人間の可聴閾値を上回るように選択されるべきである。 A three-phase brushless DC motor is normally driven by a power output stage preferably configured as a B6 inverter, preferably based on silicon power semiconductors, preferably with field-oriented control. In addition to the actual semiconductor power switches, a bridge driver is used to switch the semiconductor power switches on and off for driving an electrical load, here a DC motor. This typically occurs in small motors with a voltage of less than 60V at a frequency of about 20kHz and a power of less than 3kW. The frequency should be chosen as low as possible based on switching losses, but above the human hearing threshold.

従来技術から公知の窒化ガリウム・オン・シリコン技術は、電力半導体スイッチのために、純粋なシリコン半導体スイッチよりも極めて格段により高いスイッチング周波数と、面積当たりのより低い抵抗とを可能にする。さらに、対応するラテラル技術は、電力半導体も載置されている同一のシリコン基板上にさらなる能動素子及び受動素子を集積することを可能にする。 The gallium nitride-on-silicon technology known from the prior art allows for power semiconductor switches significantly higher switching frequencies and lower resistance per area than pure silicon semiconductor switches. Furthermore, the corresponding lateral technology makes it possible to integrate further active and passive components on the same silicon substrate on which the power semiconductors are also placed.

独国特許出願公開第102016113121号明細書から、エネルギモジュールとコンデンサとを有するエネルギ供給装置が公知である。エネルギモジュールは、反転回路を有し、電気機械に電気エネルギを供給するように構成されている。コンデンサは、エネルギモジュールに隣接して配置されており、反転回路の入力部におけるリップル電流に起因する電圧変化を制限するように構成されている。反転回路及びコンデンサは、エネルギモジュールとコンデンサとの間に電圧絶縁が提供されるように、モノリシック絶縁エポキシを用いた射出成形によって包囲されており、モノリシック絶縁エポキシによって封止されている。 DE 10 2016 113 121 A1 discloses an energy supply device with an energy module and a capacitor. The energy module has an inverting circuit and is configured to supply electrical energy to the electrical machine. A capacitor is positioned adjacent to the energy module and configured to limit voltage changes due to ripple current at the input of the inverting circuit. The inverting circuit and capacitor are encapsulated by injection molding with a monolithic insulating epoxy to provide voltage isolation between the energy module and the capacitor.

独国特許出願公開第102015208150号明細書から、電気負荷にエネルギを供給するための装置のための、上位概念に記載の形式の電力出力段が公知である。この電力出力段は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいて構成された、少なくとも1つのハーフブリッジを含む電力スイッチング装置と、電力スイッチング装置のための駆動回路とを含む。少なくとも1つのハーフブリッジの半導体電力スイッチは、シリコン基板の表面上に亜硝酸ガリウム半導体として構成されている。 DE 10 2015 208 150 A1 discloses a power output stage of the generic type for a device for supplying energy to an electrical load. The power output stage includes a power switching device, including at least one half-bridge, constructed based on gallium nitride-on-silicon technology, and a drive circuit for the power switching device. At least one half-bridge semiconductor power switch is constructed as a gallium nitrite semiconductor on the surface of the silicon substrate.

独国特許出願公開第102016113121号明細書DE-A-102016113121 独国特許出願公開第102015208150号明細書DE 102015208150 A1

発明の開示
電気負荷にエネルギを供給するための装置のための、独立請求項1の特徴を有する電力出力段と、電気負荷にエネルギを供給するための、独立請求項15の特徴を有する装置と、電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための、独立請求項18及び19の特徴を有する方法とは、それぞれ、分割された中間回路の平均電圧が多数のパラメータ(負荷点、中間回路電圧、ダイナミクス、温度等)によって変動し、これによってインダクタンス又はチョークコイルの「充電時間」が変化したとしても、ソフトスイッチングを可能にする動的な動作点が、ARCPモジュール(ARCP:Auxiliary Resonant Commutated Pole)によって特定されるという利点を有する。これにより、半導体電力スイッチをスイッチオン及びスイッチオフするための正しい無電圧の時点が満たされることを保証することができる。本発明の実施形態によれば、電圧の非常に大きい急変を伴うハードスイッチングを回避することができ、いわば無電圧のスイッチング時点においてソフトスイッチングを実施することができる。ARCPモジュールの主な利点は、少なくとも1つのハーフブリッジにおけるスイッチング損失をなくすことによって、少なくとも1つのハーフブリッジのスイッチング周波数を大幅に高めることができることにある。これにより、例えば中間回路キャパシタンスのコンデンサ、又は、場合によって存在し得る正弦波フィルタ若しくはエッジフィルタのような受動素子を、格段に小型かつ安価に構成することができる。さらに、電力損失が少なくなることによって半導体面積を縮小することができる。
DISCLOSURE OF THE INVENTION A power output stage having the features of independent claim 1 for a device for supplying energy to an electrical load and a device having the features of independent claim 15 for supplying energy to an electrical load , a method having the features of independent claims 18 and 19 for determining the voltage-free switching instants for a power output stage, respectively, wherein the average voltage of the divided intermediate circuit is determined by a number of parameters (load point, Intermediate circuit voltage, dynamics, temperature, etc.), which changes the inductance or choke coil “charging time”, the dynamic operating point that allows soft switching is determined by the ARCP module (ARCP: Auxiliary Resonant It has the advantage of being identified by the Commutated Pole). This makes it possible to ensure that the correct voltage-free instants are met for switching on and switching off the semiconductor power switches. According to embodiments of the present invention, hard switching with very large jumps in voltage can be avoided, so to speak soft switching can be performed at voltage-free switching instants. A major advantage of the ARCP module is that the switching frequency of the at least one half-bridge can be significantly increased by eliminating switching losses in the at least one half-bridge. As a result, passive elements such as, for example, intermediate circuit capacitance capacitors or possibly present sine filters or edge filters can be constructed much more compactly and inexpensively. Furthermore, the semiconductor area can be reduced due to the reduced power loss.

本発明の実施形態は、電気負荷にエネルギを供給するための装置のための電力出力段であって、当該電力出力段は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいて構成された、少なくとも1つのハーフブリッジを含む電力スイッチング装置と、電力スイッチング装置のための駆動回路とを有する、電力出力段を提供する。少なくとも1つのハーフブリッジの半導体電力スイッチは、支持体基板の表面上に亜硝酸ガリウム半導体として構成されている。この場合、少なくとも1つのハーフブリッジのための駆動回路は、それぞれ1つのARCPモジュールを含み、ARCPモジュールは、2つの補助スイッチ及びチョークコイルを有し、無電圧のスイッチング時点に、対応するハーフブリッジの半導体電力スイッチをスイッチングするように構成されており、駆動回路は、無電圧のスイッチング時点を、適応的な遅延チェーンによって、及び/又は、積分された電流測定によって特定するように構成されている。 An embodiment of the present invention is a power output stage for an apparatus for supplying energy to an electrical load, the power output stage being constructed based on gallium nitride on silicon technology and comprising at least one A power output stage is provided having a power switching device including a half bridge and a drive circuit for the power switching device. At least one half-bridge semiconductor power switch is constructed as a gallium nitrite semiconductor on the surface of the carrier substrate. In this case, the drive circuit for the at least one half-bridge each comprises an ARCP module, which has two auxiliary switches and choke coils, so that at voltage-free switching instants the corresponding half-bridge The semiconductor power switch is configured to switch, and the drive circuit is configured to identify a voltage-free switching instant by an adaptive delay chain and/or by an integrated current measurement.

さらに、エネルギ供給部と、制御装置と、このような電力出力段とを有する、電気負荷にエネルギを供給するための装置が提案される。 Furthermore, a device for supplying energy to an electrical load is proposed, which comprises an energy supply, a control device and such a power output stage.

さらに、電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための、以下のステップを有する方法が提案される:スイッチング命令を受信し、受信したスイッチング命令に応じて第1の補助スイッチ又は第2の補助スイッチをスイッチオンするステップ。遅延時間スパンを特定して、アクティブ化するステップ。少なくとも1つのハーフブリッジの2つの半導体電力スイッチのうちの対応する半導体電力スイッチをスイッチオフし、遅延時間スパンが経過した後、最大デッド時間スパンに相当する所定の停止値を有するデッド時間測定をアクティブ化するステップ。第1の半導体電力スイッチの両端におけるノード電圧を測定し、少なくとも1つのハーフブリッジの2つの半導体電力スイッチのうちの他方の半導体電力スイッチをスイッチオンするステップ、及び、測定されたノード電圧が所定の電圧閾値に相当すると、又は、デッド時間測定が停止値に到達すると、デッド時間測定を停止するステップ。この場合、スイッチオンされている補助スイッチは、少なくとも1つのハーフブリッジの2つの半導体電力スイッチのうちの他方の半導体電力スイッチがスイッチオンされた後、遅延時間スパンの持続時間の間、スイッチオンされたままであり、遅延時間スパンの経過後、スイッチオフされる。 Furthermore, a method is proposed for determining the voltage-free switching instants for a power output stage, which comprises the following steps: receiving a switching command and, depending on the received switching command, switching the first auxiliary switch or the second 2. Switching on the auxiliary switch of 2. Identifying and activating delay time spans. Switching off the corresponding semiconductor power switch of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge and activating the dead time measurement with a predetermined stop value corresponding to the maximum dead time span after the delay time span has elapsed. step to convert. measuring the node voltage across the first semiconductor power switch and switching on the other of the two semiconductor power switches of the at least one half bridge; Stopping the dead time measurement when the voltage threshold is reached or when the dead time measurement reaches a stop value. In this case, the auxiliary switch that is switched on is switched on for the duration of the delay time span after the other of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge is switched on. It remains and is switched off after the delay time span has elapsed.

好ましくは、第1の半導体電力スイッチをスイッチオフするために、かつ、第2の半導体電力スイッチをスイッチオンするために、第1の補助スイッチをスイッチオンすることができ、第2の半導体電力スイッチをスイッチオフするために、かつ、第1の半導体電力スイッチをスイッチオンするために、第2の補助スイッチをスイッチオンすることができる。 Preferably, the first auxiliary switch can be switched on to switch off the first semiconductor power switch and to switch on the second semiconductor power switch, the second semiconductor power switch and to switch on the first semiconductor power switch, a second auxiliary switch can be switched on.

従属請求項に記載されている手段及び発展形態によって、電気負荷にエネルギを供給するための装置のための、独立請求項1に記載の電力出力段と、電気負荷にエネルギを供給するための、独立請求項15に記載の装置と、電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための、独立請求項18に記載の方法とを有利に改善することが可能となる。 A power output stage according to the independent claim 1 for a device for supplying energy to an electrical load and for supplying energy to an electrical load, by means and developments specified in the dependent claims, Advantageously, it is possible to improve the device according to the independent claim 15 and the method according to the independent claim 18 for determining a voltage-free switching instant for a power output stage.

電力スイッチング装置及び駆動回路を、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいてモノリシック回路モジュールとして構成することができ、少なくともモノリシック回路モジュールの個々の能動素子を、共通の支持体基板上に配置することができることが、特に有利である。この場合、少なくとも、2つの補助スイッチは、モノリシック回路モジュールに集積されており、それぞれのハーフブリッジの半導体電力スイッチとともに共通の支持体基板上に配置されている。このことは、装置を駆動するためのさらなる機能をモノリシック回路モジュールに集積することが可能となり、さらなる小型化が可能となるという利点を有する。したがって、任意の電気負荷を駆動するために、例えば、窒化ガリウム・オン・シリコン技術を用いて、電力スイッチング装置の複数のハーフブリッジと、これらのハーフブリッジのための対応するドライバとを共通の支持体基板上に、好ましくはシリコン基板上に載置することができる。したがって、例えば、3相モータにエネルギを供給するための対応する駆動回路を有するB6ブリッジの3つのハーフブリッジを、共通の支持体基板上に配置することができる。もちろん、電気負荷に供給するために必要とされるあらゆる他の任意の数のハーフブリッジを、共通の支持体基板上に配置するものとしてもよい。さらに、例えば、過電流保護機能、過熱保護機能等のような保護機能を、共通の支持体基板上に載置するものとしてもよい。 The power switching device and the drive circuit can be constructed as a monolithic circuit module based on gallium nitride-on-silicon technology, at least the individual active elements of the monolithic circuit module being arranged on a common carrier substrate. It is particularly advantageous to be able to In this case, at least two auxiliary switches are integrated in a monolithic circuit module and arranged on a common carrier substrate together with the respective half-bridge semiconductor power switches. This has the advantage that further functions for driving the device can be integrated into the monolithic circuit module, allowing further miniaturization. Thus, to drive arbitrary electrical loads, for example using gallium nitride-on-silicon technology, a common support for multiple half-bridges of power switching devices and corresponding drivers for these half-bridges. It can be mounted on a body substrate, preferably on a silicon substrate. Thus, for example, three half-bridges of a B6 bridge with corresponding drive circuits for supplying energy to a three-phase motor can be arranged on a common carrier substrate. Of course, any other arbitrary number of half-bridges required to supply the electrical loads may be arranged on a common carrier substrate. Furthermore, protective functions, such as, for example, overcurrent protection, overheating protection, etc., may be mounted on a common support substrate.

さらに、電力スイッチング装置のための電流コントールを実施することもできる駆動回路を、モノリシック回路モジュール内にシフトすることにより、通常であればブリッジドライバ回路に配線しなければならない駆動線路を省略することができ、上位の制御装置の側での如何なる変調も必要なくなる。したがって、全ての高速信号とそのスイッチングエッジとが、モノリシック回路モジュールから「離れる」ことはない。これにより、EMC挙動がポジティブな影響を受けることを期待することができる。必要とされるコンタクトの数が少ないことにより、コンタクトパッドが最小サイズを大幅に下回ることが可能となるので、特にコンパクトな実装が可能である。さらに、本提案による構造によれば、システム内の冷却体との対応するカップリングキャパシタンスを介して個々のハーフリッジにおける急変する電位によって伝搬する可能性のあるEMC干渉を、低減することが可能となる。このために、例えば、電力スイッチング装置の冷却面を、可能であればグランド上に直接的に堅固に載置することができ、又は、モノリシック回路モジュール内において容量的に直接的にカップリングコンデンサを介して定義通りにグランドに接続することができる。したがって、追加的な干渉抑制コンデンサ又はYコンデンサと、コンタクト要素(例えば、SMDスプリング)とがこれによって不要となる。さらなる利点は、伝導性のサーマルコンパウンドを使用できることにあり、即ち、この伝導性のサーマルコンパウンドを、絶縁性のペーストよりも格段により高い熱伝導率とともに利用することができる。 Furthermore, by shifting the drive circuitry, which may also implement current control for the power switching device, into the monolithic circuit module, the drive lines that would otherwise have to be routed to the bridge driver circuitry may be eliminated. possible, without the need for any modulation on the part of the higher-level controller. Therefore, all high speed signals and their switching edges never "leave" the monolithic circuit module. This can be expected to positively influence the EMC behavior. A particularly compact implementation is possible because the small number of contacts required allows the contact pads to be significantly smaller than the minimum size. Furthermore, the proposed structure makes it possible to reduce EMC interference that can be propagated by the rapidly changing potentials at the individual half-ridges through the corresponding coupling capacitances with the cooling bodies in the system. Become. For this purpose, for example, the cooling surface of the power switching device can, if possible, be rigidly mounted directly on the ground, or the coupling capacitor can be directly capacitively placed in the monolithic circuit module. can be connected to ground as defined by Therefore, additional interference suppression capacitors or Y-capacitors and contact elements (eg SMD springs) are thereby eliminated. A further advantage is that a conductive thermal compound can be used, ie with a much higher thermal conductivity than an insulating paste.

電力出力段の有利な実施形態においては、中間回路キャパシタンスのコンデンサを、シリコンコンデンサとして構成することができ、支持体基板の表面上及び/又は裏面上に配置することができる。特に有利な実施形態においては、これらのシリコンコンデンサは、供給電圧をバッファするために、共通の支持体基板の裏面上にディープ・トレンチ技術によって形成される。高スイッチング周波数が可能であることにより、ディープ・トレンチ技術によるシリコンコンデンサは、数キロワットという比較的小さい電力のための電圧60V未満の低電圧インバータにおいても、中間回路を提供するために使用可能となる。シリコンコンデンサとして構成された中間回路キャパシタンスを共通の支持体基板上に配置することにより、電力スイッチング装置への極めて低インダクタンスの接続が可能となる。したがって、共通の支持体基板の裏面上のシリコンコンデンサを、例えば支持体基板を貫通するスルーコンタクトによって、表面上の半導体電力スイッチに電気的にコンタクトさせることができる。シリコンコンデンサとして構成された中間回路キャパシタンスを共通の支持体基板の表面上にラテラルに配置する場合には、簡単な電気的コンタクトも可能となる。これにより、支持体基板にスルーコンタクトを有さない構造が可能となる。 In an advantageous embodiment of the power output stage, the capacitors of the intermediate circuit capacitance can be constructed as silicon capacitors and can be arranged on the front side and/or on the back side of the carrier substrate. In a particularly advantageous embodiment, these silicon capacitors are formed by deep trench technology on the rear side of a common carrier substrate for buffering the supply voltage. The high switching frequency capability allows silicon capacitors with deep trench technology to be used to provide intermediate circuits even in low voltage inverters with voltages below 60V for relatively small powers of a few kilowatts. . By arranging the intermediate circuit capacitances configured as silicon capacitors on a common carrier substrate, a very low inductance connection to the power switching device is possible. Silicon capacitors on the back side of a common carrier substrate can thus be electrically contacted to semiconductor power switches on the front side, for example by means of through contacts through the carrier substrate. A simple electrical contact is also possible if the intermediate circuit capacitances configured as silicon capacitors are arranged laterally on the surface of a common carrier substrate. This allows a structure without through contacts to the carrier substrate.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、モノリシック回路モジュールを、多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができる。電力出力段のこの実施形態においては、中間回路キャパシタンスのコンデンサを、別個の支持体基板上のシリコンコンデンサとして配置することができ、モノリシック回路モジュールと同様に、多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができる。これに代えて、中間回路キャパシタンスのコンデンサを、積層セラミックチップコンデンサ(MLCC:Multi Layer Ceramic Capacitor)として構成することもでき、多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができる。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, the monolithic circuit module can be embedded in or arranged on a multilayer printed circuit board. In this embodiment of the power output stage, the capacitors of the intermediate circuit capacitance can be arranged as silicon capacitors on a separate carrier substrate, embedded in a multilayer printed circuit board, similar to monolithic circuit modules, or , can be placed on a multilayer printed circuit board. Alternatively, the intermediate circuit capacitance capacitor can be configured as a Multi Layer Ceramic Capacitor (MLCC), embedded in a multilayer printed circuit board, or placed on a multilayer printed circuit board. can be done.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、亜硝酸ガリウム半導体として構成された2つの補助スイッチを、1つの双方向遮断式の補助スイッチになるように組み合わせることができ、支持体基板の表面上に形成することができる。双方向遮断式の補助スイッチとして構成されていることにより、補助スイッチとして2つの逆並列スイッチが使用される従来のARCPモジュールと比較して、必要とされる半導体面積を半分にすることができる。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, two auxiliary switches constructed as gallium nitrite semiconductors can be combined to form a bidirectionally interrupting auxiliary switch, and on the surface of the carrier substrate can be formed into Being configured as a bi-directional blocking auxiliary switch halves the required semiconductor area compared to conventional ARCP modules where two anti-parallel switches are used as auxiliary switches.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、チョークコイルを、支持体基板における導体路としてコアなしで形成することができる。このことは、高スイッチング周波数によって可能となる。如何なるコア材料も必要なくなるので、チョークコイルの複雑な構造を回避することができる。これに代えて、チョークコイルを、電力出力段の多層プリント基板の導体路としてコアなしで形成することもできる。このことはつまり、中間回路キャパシタンスのコンデンサと同様にチョークコイルを、多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができ、この多層プリント基板に、モノリシック回路モジュールが埋め込まれており、又は、この多層プリント基板上に、回路モジュールが配置されている、ということを意味する。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, the choke coil can be formed coreless as a conductor track on the carrier substrate. This is made possible by the high switching frequency. Complex construction of the choke coil can be avoided as no core material is required. Alternatively, the choke coil can also be constructed coreless as a conductor track on a multilayer printed circuit board of the power output stage. This means that the choke coils as well as the capacitors of the intermediate circuit capacitance can be embedded in or arranged on a multilayer printed circuit board in which the monolithic circuit module is embedded. or that circuit modules are arranged on this multilayer printed circuit board.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、駆動回路は、電流コントロールを含み得るものであり、電流コントロールは、対応する現在の出力電流を表す少なくとも1つの測定電流と、少なくとも1つの基準電流とをアナログ信号として受信して、相互に比較し、当該比較に応じて少なくとも1つの対応するスイッチング信号を生成及び出力するように構成されている。この場合、少なくとも1つの測定電流は、好ましくはモノリシック回路モジュールの内部で検出可能である。さらに、駆動回路は、ドライバ段を含み得るものであり、ドライバ段は、電流コントロールからの少なくとも1つのスイッチング信号を受信し、処理して、電力スイッチング装置に出力するように構成されている。高スイッチング周波数により、例えばダイレクトスイッチング方法のような他のコントロール方法が可能となる。したがって、電流コントロールは、電力スイッチング装置のハーフブリッジの各々に対して比較器を含み得るものであり、比較器は、測定電流が対応する基準電流を上回ると、対応するハーフブリッジをスイッチオフし、測定電流が対応する基準電流を下回ると、対応するハーフブリッジをスイッチオンするように構成されている。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, the drive circuit may comprise a current control, which controls at least one measurement current representing the corresponding current output current and at least one reference current. as analog signals, compare them with each other, and generate and output at least one corresponding switching signal in response to the comparison. In this case, at least one measurement current is preferably detectable inside the monolithic circuit module. Additionally, the drive circuitry may include a driver stage configured to receive, process, and output at least one switching signal from the current control to the power switching device. High switching frequencies allow other control methods, such as direct switching methods. Accordingly, the current control may include a comparator for each half-bridge of the power switching device, the comparator switching off the corresponding half-bridge when the measured current exceeds the corresponding reference current; It is arranged to switch on the corresponding half-bridge when the measured current falls below the corresponding reference current.

これにより、対応する比較器における目標値設定を介して直接的に、半導体電力スイッチを直接的に駆動することが可能になる。したがって、電気負荷が3相モータである場合には、依然として相電流のための3つのアナログ基準信号だけがモノリシック回路モジュールに送信される。電流コントロールは、比較器を用いて直接的にモノリシック回路モジュールにおいて実施される。基準値は、相電流の測定値と比較される。基準値を上回るとスイッチオフされ、下回るとスイッチオンされる。したがって、平均して所要の基準電流が発生する。スイッチング周波数を制限するために、個々の比較器をサンプリングすることができ、及び/又は、ヒステリシスを有するように構成することができる。その場合、比較器のデジタル出力信号を、個々の半導体電力スイッチのためのスイッチング状態命令として直接的に使用することができる。それぞれの基準信号は、電気負荷における電流、又は、3相モータの個々のステータ巻線における電流を、直接的に規定するアナログ信号である。この信号は、中央の制御装置によって規定可能であり、最大で機械周波数(明示的に印加される高調波を含む)を含む。電気負荷を駆動するための自由度は、依然として制御装置に位置するが、高速の電流ダイナミクスは、モノリシック回路モジュールにシフトされ、これにより、制御装置のダイナミクス及び計算性能に対する要求を格段に低減することができ、コスト的な利点をもたらすことができる。それと同時に、高速のハードウェア比較器によって、広範な帯域幅を有する非常に動的な電流コントロールを得ることができ、このような電流コントロールは、スイッチング周波数の増加によって生じたアクチュエータ帯域幅の増大を、コスト的に有利に利用することもできる。電流コントロールを依然として制御装置において実施したとすると、電流コントロールの帯域幅を増大させるために、追加コストの原因となる、より高性能の制御装置が自動的に必要になるであろう。 This makes it possible to drive the semiconductor power switches directly via the setpoint setting in the corresponding comparator. Therefore, if the electrical load is a three-phase motor, still only three analog reference signals for the phase currents are sent to the monolithic circuit module. Current control is implemented directly in the monolithic circuit module using comparators. The reference value is compared with the measured value of the phase current. It is switched off when the reference value is exceeded and switched on when it is below. Therefore, on average the desired reference current is generated. To limit the switching frequency, individual comparators can be sampled and/or configured with hysteresis. The digital output signal of the comparator can then be used directly as a switching state command for the individual semiconductor power switches. Each reference signal is an analog signal that directly defines the current in the electrical load or the current in the individual stator windings of a three-phase motor. This signal can be defined by a central controller and includes up to the machine frequency (including explicitly applied harmonics). The degree of freedom for driving the electrical load is still located in the controller, but the fast current dynamics are shifted to the monolithic circuit module, thereby significantly reducing the dynamics and computational performance demands of the controller. can provide cost advantages. At the same time, a fast hardware comparator provides very dynamic current control with a wide bandwidth, which compensates for the increased actuator bandwidth caused by increased switching frequency. can also be used cost-effectively. If the current control were still implemented in the controller, increasing the bandwidth of the current control would automatically require a more sophisticated controller causing additional costs.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、モノリシック回路モジュールは、外部のコンポーネント及び/又はアセンブリからの信号を受信するように構成された電気インタフェースを含み得る。この場合、電気インタフェースは、供給電圧電位と、グランド電位と、少なくとも1つの基準電流とを受信することができる。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, the monolithic circuit module may include an electrical interface configured to receive signals from external components and/or assemblies. In this case, the electrical interface can receive the supply voltage potential, the ground potential and at least one reference current.

電力出力段のさらなる有利な実施形態においては、電力スイッチング装置を、例えば3つのハーフブリッジを有するB6インバータとして構成することができる。この場合、B6インバータの冷却面を、直接的に、又は、所定のキャパシタンスを有する少なくとも1つのカップリングコンデンサを介して、グランドに接続することができる。 In a further advantageous embodiment of the power output stage, the power switching device can be configured as a B6 inverter with, for example, three half-bridges. In this case, the cooling surface of the B6 inverter can be connected to ground either directly or via at least one coupling capacitor with a predetermined capacitance.

電気負荷にエネルギを供給するための装置の有利な実施形態においては、電気インタフェースを、エネルギ供給部の供給電圧電位及びグランド電位と、制御装置の少なくとも1つの基準電流とを受信するように構成することができる。 In an advantageous embodiment of the device for supplying energy to an electrical load, the electrical interface is arranged to receive the supply voltage potential and the ground potential of the energy supply and at least one reference current of the control device. be able to.

電気負荷にエネルギを供給するための装置のさらなる有利な実施形態においては、電気負荷を、3相ブラシレス直流モータとして構成することができ、B6インバータのハーフブリッジを、それぞれ3相ブラシレス直流モータの各相に接続することができる。 In a further advantageous embodiment of the device for supplying energy to an electrical load, the electrical load can be configured as a 3-phase brushless DC motor, the half-bridges of the B6 inverters being respectively connected to each of the 3-phase brushless DC motors. phase can be connected.

本方法の有利な実施形態においては、遅延時間スパンを、同一の時間スパンを有する遅延ステップの数によって規定することができる適応的な遅延チェーンによって特定することができる。この場合、デッド時間測定が所定の停止値又は最大デッド時間スパンに到達している場合には、遅延時間スパンの遅延ステップの数を1だけ増加させることができる。デッド時間測定が所定の最小デッド時間スパンに到達していない場合には、遅延時間スパンの遅延ステップの数を1だけ低減することができる。それ以外の場合には、遅延時間スパンの遅延ステップの数を同一のままにすることができる。 In an advantageous embodiment of the method, the delay time span can be specified by an adaptive delay chain that can be defined by the number of delay steps with the same time span. In this case, the number of delay steps in the delay time span can be increased by one if the dead time measurement reaches a predetermined stop value or maximum dead time span. If the dead time measurement does not reach the predetermined minimum dead time span, the number of delay steps in the delay time span can be decreased by one. Otherwise, the number of delay steps in the delay time span can remain the same.

これに加えて又はこれに代えて、遅延時間スパンを、積分された電流測定によって特定することもできる。この場合、第1の補助スイッチ又は第2の補助スイッチがスイッチオンされた後、遅延時間スパンを特定するための時間測定と、電流の測定とを、少なくとも1つのハーフブリッジの2つの半導体電力スイッチのうちの対応する半導体電力スイッチによってアクティブ化することができ、測定された電流を、所定の閾値と比較することができる。測定された電流が所定の閾値を上回ると、時間測定を停止し、測定結果を、経過した遅延時間スパンとして規定することができる。 Additionally or alternatively, the delay time span can be determined by an integrated current measurement. In this case, after the first auxiliary switch or the second auxiliary switch is switched on, the time measurement for determining the delay time span and the measurement of the current are performed by the two semiconductor power switches of at least one half-bridge. can be activated by a corresponding semiconductor power switch of the and the measured current can be compared to a predetermined threshold. When the measured current exceeds a predetermined threshold, the time measurement can be stopped and the measurement result defined as the elapsed delay time span.

本発明の実施例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。各図における同一の参照記号は、同一又は類似の機能を実施する構成要素又は要素を示す。 An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and is explained in more detail in the following description. The same reference symbols in the figures indicate components or elements that perform the same or similar functions.

本発明に係る電力出力段の1つの実施例による、電気負荷にエネルギを供給するための本発明に係る装置の1つの実施例の概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of one embodiment of an apparatus according to the invention for supplying energy to an electrical load according to one embodiment of a power output stage according to the invention; FIG. 図1からの本発明に係る電力出力段のハーフブリッジのための駆動回路の概略回路図である。2 is a schematic circuit diagram of a drive circuit for the half-bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1; FIG. 図1からの本発明に係る電力出力段のハーフブリッジのためのARCPモジュールの概略回路図である。2 is a schematic circuit diagram of an ARCP module for the half-bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1; FIG. モノリシック回路モジュールとして構成された、図1からの電力出力段の概略斜視図である。2 is a schematic perspective view of the power output stage from FIG. 1 configured as a monolithic circuit module; FIG. 図1からの本発明に係る電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための本発明に係る方法の第1の実施例の概略フローチャートである。2 is a schematic flow chart of a first embodiment of the method according to the invention for determining the voltage-free switching instants for the power output stage according to the invention from FIG. 1; 図1からの本発明に係る電力出力段のための無電圧のスイッチング時点を特定するための本発明に係る方法の第2の実施例の概略フローチャートである。2 is a schematic flow chart of a second embodiment of the method according to the invention for determining the voltage-free switching instants for the power output stage according to the invention from FIG. 1;

発明の実施形態
図1から見て取れるように、電気負荷3にエネルギを供給するための本発明に係る装置1の図示の実施例は、それぞれエネルギ供給部5と、制御装置7と、本発明に係る電力出力段10とを含む。
Embodiments of the Invention As can be seen from FIG. 1, the illustrated embodiments of the device 1 according to the invention for supplying energy to an electrical load 3 respectively comprise an energy supply 5, a control device 7 and a device according to the invention. and a power output stage 10 .

図1乃至図3からさらに見て取れるように、電気負荷3にエネルギを供給するための装置1のための本発明に係る電力出力段10の図示の実施例は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいて構成された、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1を含む電力スイッチング装置12と、電力スイッチング装置12のための駆動回路15とを含み、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の半導体電力スイッチT1,T2は、支持体基板SiSの表面上に亜硝酸ガリウム半導体として構成されている。この場合、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1のための駆動回路15は、それぞれ1つのARCPモジュール16Bを含み、このARCPモジュール16Bは、2つの補助スイッチT3,T4及びチョークコイル16.2を有し、無電圧のスイッチング時点に、対応するハーフブリッジ12.1の半導体電力スイッチT1,T2をスイッチングするように構成されており、駆動回路15は、無電圧のスイッチング時点を、積分された電流測定によって、及び/又は、適応的な遅延チェーンによって特定するように構成されている。 As can be further seen from FIGS. 1 to 3, the illustrated embodiment of the power output stage 10 according to the invention for the device 1 for supplying energy to an electrical load 3 is based on gallium nitride-on-silicon technology. a power switching device 12 comprising at least one half-bridge 12.1, and a driver circuit 15 for the power switching device 12, configured as a semiconductor power switch T1, T2 of the at least one half-bridge 12.1 is constructed as a gallium nitrite semiconductor on the surface of a carrier substrate SiS. In this case, the drive circuits 15 for at least one half-bridge 12.1 each comprise one ARCP module 16B, which has two auxiliary switches T3, T4 and a choke coil 16.2. , is adapted to switch the semiconductor power switches T1, T2 of the corresponding half-bridge 12.1 at the voltage-free switching instants, the drive circuit 15 measuring the voltage-free switching instants by an integrated current measurement. , and/or configured to determine by an adaptive delay chain.

特に図1及び図4からさらに見て取れるように、電力スイッチング装置12及び駆動回路15は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいてモノリシック回路モジュールとして構成されている。この場合、少なくともモノリシック回路モジュールの個々の能動素子は、共通の支持体基板SiS上に配置されている。 As can be further seen in particular from FIGS. 1 and 4, the power switching device 12 and the drive circuit 15 are constructed as monolithic circuit modules based on gallium nitride on silicon technology. In this case, at least the individual active components of the monolithic circuit module are arranged on a common carrier substrate SiS.

図1からさらに見て取れるように、装置1の図示の実施例における電気負荷3は、3相ブラシレス直流モータ3Aとして構成されている。電力スイッチング装置12は、3つのハーフブリッジ12.1を有するB6インバータ12Aとして構成されており、B6インバータ12Aのハーフブリッジ12.1は、それぞれ3相ブラシレス直流モータ3Aの各相U,V,Wに接続されている。カップリングコンデンサさらに、B6インバータ12Aの冷却面は、直接的に、又は、所定のキャパシタンスを有する少なくとも1つのカップリングコンデンサを介して、グランドGNDに接続されている。図示されていない代替的な実施例においては、電力スイッチング装置12は、3つより少ない又は3つより多いハーフブリッジ12.1を有することも可能である。さらに、電気負荷3にエネルギを供給するための装置1は、3相直流モータ3Aではない電気負荷3にエネルギを供給することもできる。 As can be further seen from FIG. 1, the electrical load 3 in the illustrated embodiment of the device 1 is configured as a three-phase brushless DC motor 3A. The power switching device 12 is configured as a B6 inverter 12A having three half-bridges 12.1, one half-bridge 12.1 of the B6 inverter 12A for each phase U, V, W of the three-phase brushless DC motor 3A. It is connected to the. Coupling Capacitor Further, the cooling surface of the B6 inverter 12A is connected to ground GND either directly or via at least one coupling capacitor with a predetermined capacitance. In alternative embodiments not shown, the power switching device 12 can also have less or more than three half-bridges 12.1. Furthermore, the device 1 for supplying energy to an electrical load 3 can also supply energy to an electrical load 3 other than a three-phase DC motor 3A.

図1及び図4からさらに見て取れるように、図示の実施例における供給電圧UBatをバッファするための中間回路キャパシタンス14のコンデンサC1,C2は、それぞれ支持体基板SiS上に配置されている。したがって、図示の実施例における中間回路キャパシタンス14も、モノリシック回路モジュールに集積されている。 As can be further seen from FIGS. 1 and 4, the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 for buffering the supply voltage UBat in the illustrated embodiment are each arranged on the carrier substrate SiS. Therefore, the intermediate circuit capacitance 14 in the illustrated embodiment is also integrated into the monolithic circuit module.

電力出力段10の図示されていない実施例においては、モノリシック回路モジュールは、多層プリント基板に埋め込まれており、又は、多層プリント基板上に配置されている。この実施例においては、中間回路キャパシタンス14のコンデンサC1,C2は、別個の支持体基板上に配置されていて、多層プリント基板に埋め込まれており、又は、多層プリント基板上に配置されている。代替的に、この実施例における中間回路キャパシタンス14のコンデンサC1,C2は、直接的に多層プリント基板に埋め込まれているものとしてもよく、又は、多層プリント基板上に配置されているものとしてもよい。 In a non-illustrated embodiment of the power output stage 10, the monolithic circuit module is embedded in or arranged on a multilayer printed circuit board. In this embodiment the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 are arranged on a separate carrier substrate, embedded in the multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board. Alternatively, the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 in this embodiment may be directly embedded in the multi-layer printed circuit board or may be located on the multi-layer printed circuit board. .

図1及び図2からさらに見て取れるように、駆動回路15は、電流コントロール18を含み、この電流コントロール18は、対応する現在の出力電流Io(U,V,W)を表す少なくとも1つの測定電流Im(U,V,W)と、少なくとも1つの基準電流Ir(U,V,W)とをアナログ信号として受信して、相互に比較し、この比較に応じて少なくとも1つの対応するスイッチング信号を生成及び出力するように構成されている。このために、図示の実施例における電流コントロール18は、電力スイッチング装置12のハーフブリッジ12.1の各々に対して比較器18.1を含み、この比較器18.1は、測定電流Im(U,V,W)が対応する基準電流Ir(U,V,W)を上回ると、対応するハーフブリッジ12.1をスイッチオフし、測定電流Im(U,V,W)が対応する基準電流Ir(U,V,W)を下回ると、対応するハーフブリッジ12.1をスイッチオンするように構成されている。電流コントロール18の図示の実施形態においては、比較器18.1は、クロック信号TSによってクロックされている。図1からさらに見て取れるように、図示の実施例における少なくとも1つの測定電流Im(U,V,W)は、モノリシック回路モジュールの内部で検出される。 As can be further seen from FIGS. 1 and 2, the drive circuit 15 includes a current control 18 which provides at least one measured current Im (U, V, W) and at least one reference current Ir(U, V, W) are received as analog signals and compared with each other to generate at least one corresponding switching signal in response to the comparison. and output. To this end, the current control 18 in the illustrated embodiment comprises a comparator 18.1 for each half-bridge 12.1 of the power switching device 12, which comparator 18.1 outputs the measured current Im (U , V, W) exceeds the corresponding reference current Ir(U,V,W), it switches off the corresponding half-bridge 12.1 and the measured current Im(U,V,W) exceeds the corresponding reference current Ir Below (U, V, W), it is arranged to switch on the corresponding half-bridge 12.1. In the illustrated embodiment of current control 18, comparator 18.1 is clocked by clock signal TS. As can be further seen from FIG. 1, at least one measurement current Im(U, V, W) in the illustrated embodiment is detected inside the monolithic circuit module.

図1及び図2からさらに見て取れるように、図示の実施例における駆動回路15は、ドライバ段16を含み、このドライバ段16は、ゲート駆動部16Aを含み、電流コントロール18又は対応する比較器18.1からの少なくとも1つのスイッチング信号を受信し、処理して、電力スイッチング装置12の対応するハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2に出力するように構成されている。 1 and 2, the drive circuit 15 in the illustrated embodiment includes a driver stage 16, which includes a gate driver 16A and a current control 18 or corresponding comparator 18.n. 1 is arranged to receive, process and output at least one switching signal from the power switching device 12 to the two semiconductor power switches T1, T2 of the corresponding half-bridge 12.1.

図1からさらに見て取れるように、モノリシック回路モジュールは、外部のコンポーネント及び/又はアセンブリからの信号を受信するように構成された電気インタフェース13を含む。図示の実施例においては、電気インタフェース13は、エネルギ供給部5の供給電圧電位UBat及びグランド電位GNDと、制御装置7の少なくとも1つの基準電流Ir(U,V,W)とを受信する。少なくとも1つの基準電流Ir(U,V,W)を生成するために、制御装置7は、センサDWMの出力信号を評価し、センサDWMは、図示の実施例においては3相直流モータ3Aの回転角度を検出して、対応する出力信号を生成する。 As can be further seen from FIG. 1, the monolithic circuit module includes an electrical interface 13 configured to receive signals from external components and/or assemblies. In the example shown, the electrical interface 13 receives the supply voltage potential UBat of the energy supply 5 and the ground potential GND and at least one reference current Ir (U, V, W) of the control device 7 . In order to generate at least one reference current Ir(U, V, W), the control device 7 evaluates the output signal of the sensor DWM, which in the example shown is the rotation of the three-phase DC motor 3A. Detect the angle and generate a corresponding output signal.

図1及び図3からさらに見て取れるように、電力出力段10の図示の実施例における中間回路キャパシタンス14は、分割されて構成されていて、2つのコンデンサC1,C2を含み、これら2つのコンデンサC1,C2は、供給電圧UBatをバッファするために、それぞれシリコンコンデンサとして共通の支持体基板SiSの裏面上にディープ・トレンチ技術によって形成されている。この場合、シリコンコンデンサC1,C2は、支持体基板SiSを貫通する図示されていないスルーコンタクトによって電力スイッチング装置12Bに電気的にコンタクトされている。 As can be further seen from FIGS. 1 and 3, the intermediate circuit capacitance 14 in the illustrated embodiment of the power output stage 10 is of split construction and comprises two capacitors C1, C2, the two capacitors C1, C2 C2 are each formed by deep trench technology on the rear side of a common carrier substrate SiS as a silicon capacitor for buffering the supply voltage UBat. In this case, the silicon capacitors C1, C2 are electrically contacted to the power switching device 12B by through-contacts, not shown, through the carrier substrate SiS.

電力出力段10の図示されていない代替的な実施例においては、モノリシック回路モジュールは、多層プリント基板に埋め込まれており、又は、多層プリント基板上に配置されている。この実施例においては、中間回路キャパシタンス14のコンデンサC1,C2を、別個の支持体基板上のシリコンコンデンサとして構成することができ、多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができる。この実施例においては代替的に、中間回路キャパシタンス14のコンデンサC1,C2を、積層セラミックチップコンデンサ(MLCC:Multi Layer Ceramic Capacitor)として構成することができ、直接的に多層プリント基板に埋め込むことができ、又は、多層プリント基板上に配置することができる。 In an alternative embodiment not shown of power output stage 10, the monolithic circuit module is embedded in or arranged on a multilayer printed circuit board. In this embodiment, the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be constructed as silicon capacitors on a separate carrier substrate, embedded in the multilayer printed circuit board, or arranged on the multilayer printed circuit board. can do. Alternatively in this embodiment, the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be constructed as Multi Layer Ceramic Capacitors (MLCC) and can be directly embedded in a multilayer printed circuit board. or on a multi-layer printed circuit board.

図1及び図3からさらに分かるように、ARCPモジュール16は、ドライバ段16の一部として構成されており、モノリシック回路モジュールに集積されている。このために、亜硝酸ガリウム半導体としての2つの補助スイッチT3,T4が、1つの双方向遮断式の補助スイッチ16.1になるように組み合わせられており、個々のハーフブリッジ12.1の半導体電力スイッチT1,T2とともに支持体基板SiSの表面上に形成されている。チョークコイル16.2は、支持体基板SiSにおける導体路としてコアなしで形成されている。 As can be further seen from FIGS. 1 and 3, ARCP module 16 is configured as part of driver stage 16 and is integrated into a monolithic circuit module. For this purpose, two auxiliary switches T3, T4 as gallium nitrite semiconductors are combined into one bi-directional blocking auxiliary switch 16.1 and the semiconductor power of the individual half-bridges 12.1 are combined. It is formed on the surface of the support substrate SiS together with the switches T1 and T2. The choke coil 16.2 is formed coreless as a conductor track on the carrier substrate SiS.

モノリシック回路モジュールが多層プリント基板に埋め込まれており、又は、多層プリント基板上に配置されている、電力出力段10の図示されていない代替的な実施例においては、チョークコイル16.2は、多層プリント基板の導体路としてコアなしで形成されている。 In a non-illustrated alternative embodiment of the power output stage 10, in which the monolithic circuit module is embedded in or arranged on a multilayer printed circuit board, the choke coil 16.2 comprises a multi-layer It is constructed without a core as a conductor track on a printed circuit board.

上記の電力出力段10のための無電圧のスイッチング時点を特定するための方法100の、図5に示されている第1の実施例は、適応的な遅延チェーンに基づいている。この場合、方法100は、ステップS100において、例えば車両を始動することによって開始される。次いで、ステップS110において、2つの補助スイッチT3,T4のうちの1つに対するスイッチング命令が受信されるまで待機される。その後、ステップS120において、例えば第1の論理状態から第2の論理状態への遷移を表す第1のスイッチング命令が受信されたのか、又は、例えば第2の論理状態から第1の論理状態への遷移を表す第2のスイッチング命令が受信されたのかがチェックされる。ステップS120で第1のスイッチング命令であることが認識された場合には、方法は、ステップS130に続く。ステップS120で第2のスイッチング命令であることが認識された場合には、方法は、ステップS230に続く。 A first embodiment, shown in FIG. 5, of the method 100 for determining the no-voltage switching instants for the power output stage 10 described above is based on an adaptive delay chain. In this case, the method 100 begins at step S100, for example by starting the vehicle. Then, in step S110, it waits until a switching command for one of the two auxiliary switches T3, T4 is received. Thereafter, in step S120, whether a first switching instruction is received representing, for example, a transition from a first logic state to a second logic state, or, for example, from a second logic state to a first logic state. It is checked whether a second switching command representing a transition has been received. If the first switching instruction is recognized in step S120, the method continues to step S130. If the second switching instruction is recognized in step S120, the method continues to step S230.

ステップS130においては、第1の補助スイッチT3が、受信した第1のスイッチング命令に応じてスイッチオン又は導通状態にスイッチングされる。これにより、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILが増加する。ステップS140においては、同一の時間スパンを有する遅延ステップの数Xによって規定されている遅延時間スパンTVがアクティブ化され、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILがさらに増加する。遅延時間スパンTVの経過後、チョークコイル16.2を流れる電流ILは、対応する出力電流Io(U,V,W)よりも大きくなり、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの対応する半導体電力スイッチ、ここでは第1の半導体電力スイッチT1を流れる対応する電流IT1は、ゼロよりも大きくなり、第1の半導体スイッチT1の両端におけるノード電圧USは、グランド電位GNDに相当する。したがって、ステップS150においては、第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされ、デッド時間スパンTSの最大値に相当する所定の停止値を有するデッド時間測定がアクティブ化される。これにより、第1の半導体電力スイッチT1の両端におけるノード電圧USが増加し、このノード電圧USは、ステップS160において測定されて、第1の電圧閾値と比較される。この第1の電圧閾値は、例えば、供給電圧電位UBatにほぼ相当するように、又は、供給電圧電位UBatより幾分低くなるように選択されている。ステップS170においては、測定されたノード電圧USが所定の第1の電圧閾値に相当すると、又は、デッド時間測定が所定の停止値若しくは最大デッド時間スパンTSに到達すると、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの他方の半導体電力スイッチ、ここでは第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオン又は導通状態にスイッチングされて、デッド時間測定が停止される。スイッチオン時点には、第2の半導体電力スイッチT2の両端における電圧降下は、理想的にはゼロに等しい。これにより、第2の半導体電力スイッチT2は、無電圧となり、無損失で導通状態にスイッチング又はスイッチオンされることができる。さらに、ステップS170において、デッド時間測定が所定の停止値又は最大デッド時間スパンTSに到達している場合には、遅延時間スパンVTの遅延ステップの数Xが1だけ増加させられる。経過した時間スパンがデッド時間スパンTSの最小値よりも小さい場合には、第1の遅延時間スパンVT1の遅延ステップの数Xが1だけ低減され、それ以外の場合には、遅延時間スパンTVの遅延ステップの数Xが一定に保たれる。このことはつまり、デッド時間測定の停止されている持続時間がデッド時間スパンTSの最小値と最大値との間にある場合には、遅延時間スパンTVが変更されないということを意味する。第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオンされた後、ステップS180において、遅延時間スパンTVがアクティブ化される。遅延時間スパンTVの経過後、ステップS190において、スイッチオンされている第1の補助スイッチT3がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされる。このことはつまり、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILを低減することができるようにするために、第1の補助スイッチT3は、第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオンされた後もなお、遅延時間スパンTVの持続時間の間、スイッチオンされたままであるということを意味する。次いで、方法100は、ステップS110に続き、次のスイッチング命令の受信を待機する。 In step S130, the first auxiliary switch T3 is switched on or in a conductive state according to the received first switching command. This increases the coil current IL flowing through choke coil 16.2. In step S140, the delay time span TV defined by the number X of delay steps having the same time span is activated to further increase the coil current IL through choke coil 16.2. After the delay time span TV has elapsed, the current IL flowing through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current Io(U,V,W) and the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge 12.1 The corresponding current IT1 through the corresponding semiconductor power switch of T1, T2, here the first semiconductor power switch T1, becomes greater than zero and the node voltage US across the first semiconductor switch T1 is ground. It corresponds to the potential GND. Thus, in step S150, the first semiconductor power switch T1 is switched off or switched off to activate the dead time measurement with a predetermined stop value corresponding to the maximum value of the dead time span TS. This increases the node voltage US across the first semiconductor power switch T1, which is measured in step S160 and compared to the first voltage threshold. This first voltage threshold is, for example, selected to approximately correspond to the supply voltage potential UBat or to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat. In step S170, the at least one half-bridge 12 . The other semiconductor power switch of the two semiconductor power switches T1, T2 of 1, here the second semiconductor power switch T2, is switched on or switched into a conductive state to stop the dead time measurement. At switch-on time, the voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally equal to zero. Thereby, the second semiconductor power switch T2 is voltage-free and can be losslessly switched into the conductive state or switched on. Further, in step S170, the number of delay steps X of the delay time span VT is incremented by one if the dead time measurement has reached a predetermined stop value or the maximum dead time span TS. If the elapsed time span is less than the minimum value of the dead time span TS, the number of delay steps X of the first delay time span VT1 is reduced by one, otherwise the number of delay steps of the delay time span TV is reduced. The number X of delay steps is kept constant. This means that the delay time span TV is not changed if the duration for which the dead time measurement is stopped is between the minimum and maximum values of the dead time span TS. After the second semiconductor power switch T2 is switched on, the delay time span TV is activated in step S180. After the delay time span TV has elapsed, in step S190 the first auxiliary switch T3, which is switched on, is switched off or switched off. This means that in order to be able to reduce the coil current IL through the choke coil 16.2, the first auxiliary switch T3 is still switched on after the second semiconductor power switch T2 has been switched on. , remains switched on for the duration of the delay time span TV. Method 100 then continues to step S110 to wait for receipt of the next switching command.

ステップS230においては、第2の補助スイッチT4が、受信した第2のスイッチング命令に応じてスイッチオン又は導通状態にスイッチングされる。これにより、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILが減少する。ステップS240においては、遅延時間スパンTVがアクティブ化され、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILがさらに減少する。遅延時間スパンTVの経過後、チョークコイル16.2を流れる電流ILは、対応する出力電流Io(U,V,W)よりも大きくなり、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの対応する半導体電力スイッチ、ここでは第2の半導体電力スイッチT2を流れる対応する電流IT2は、ゼロよりも小さくなる。したがって、ステップS250においては、第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされ、デッド時間スパンTSの最大値に相当する所定の停止値を有するデッド時間測定がアクティブ化される。これにより、第1の半導体電力スイッチT1の両端におけるノード電圧USが減少し、このノード電圧USは、ステップS260において測定されて、第2の電圧閾値と比較される。この第2の電圧閾値は、例えば、グランド電位GNDにほぼ相当するように、又は、グランド電位GNDより幾分高くなるように選択されている。ステップS270においては、測定されたノード電圧USが所定の第2の電圧閾値に相当すると、又は、デッド時間測定が所定の停止値に到達すると、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの他方の半導体電力スイッチ、ここでは第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオン又は導通状態にスイッチングされて、デッド時間測定が停止される。スイッチオン時点には、第1の半導体電力スイッチT1の両端における電圧降下は、理想的にはゼロに等しい。これにより、第1の半導体電力スイッチT1は、無電圧となり、無損失で導通状態にスイッチング又はスイッチオンされることができる。さらに、ステップS270において、デッド時間測定が所定の停止値に到達している場合には、遅延時間スパンVTの遅延ステップの数Xが1だけ増加させられる。経過した時間スパンがデッド時間スパンTSの最小値よりも小さい場合には、第1の遅延時間スパンVT1の遅延ステップの数Xが1だけ低減され、それ以外の場合には、遅延時間スパンTVの遅延ステップの数Xが一定に保たれる。このことはつまり、デッド時間測定の停止されている持続時間がデッド時間スパンTSの最小値と最大値との間にある場合には、遅延時間スパンTVが変更されないということを意味する。第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオンされた後、ステップS280において、遅延時間スパンTVがアクティブ化される。遅延時間スパンTVの経過後、ステップS290において、スイッチオンされている第2の補助スイッチT4がスイッチオフされる。このことはつまり、第2の補助スイッチT4は、第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオンされた後もなお、遅延時間スパンTVの持続時間の間、スイッチオンされたままであるということを意味する。次いで、方法100は、ステップS110に続き、次のスイッチング命令の受信を待機する。 In step S230, the second auxiliary switch T4 is switched on or switched to a conductive state according to the received second switching command. This reduces the coil current IL flowing through choke coil 16.2. In step S240, delay time span TV is activated to further reduce coil current IL through choke coil 16.2. After the delay time span TV has elapsed, the current IL flowing through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current Io(U,V,W) and the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge 12.1 The corresponding current IT2 flowing through the corresponding semiconductor power switch of T1, T2, here the second semiconductor power switch T2, is less than zero. Therefore, in step S250, the second semiconductor power switch T2 is switched off or switched to the blocked state, activating the dead time measurement with a predetermined stop value corresponding to the maximum value of the dead time span TS. This reduces the node voltage US across the first semiconductor power switch T1, which is measured in step S260 and compared to the second voltage threshold. This second voltage threshold is, for example, selected to approximately correspond to ground potential GND or to be somewhat higher than ground potential GND. In step S270, the two semiconductor powers of the at least one half-bridge 12.1 are switched off when the measured node voltage US corresponds to a predetermined second voltage threshold or when the dead time measurement reaches a predetermined stop value. The other semiconductor power switch of the switches T1, T2, here the first semiconductor power switch T1, is switched on or switched into a conducting state to stop the dead time measurement. At switch-on time, the voltage drop across the first semiconductor power switch T1 is ideally equal to zero. Thereby, the first semiconductor power switch T1 becomes voltage-free and can be losslessly switched into a conductive state or switched on. Additionally, in step S270, the number X of delay steps in the delay time span VT is increased by one if the dead time measurement has reached a predetermined stop value. If the elapsed time span is less than the minimum value of the dead time span TS, the number of delay steps X of the first delay time span VT1 is reduced by one, otherwise the number of delay steps of the delay time span TV is reduced. The number X of delay steps is kept constant. This means that the delay time span TV is not changed if the duration for which the dead time measurement is stopped is between the minimum and maximum values of the dead time span TS. After the first semiconductor power switch T1 is switched on, the delay time span TV is activated in step S280. After the delay time span TV has elapsed, in step S290 the second auxiliary switch T4, which has been switched on, is switched off. This means that the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay time span TV even after the first semiconductor power switch T1 has been switched on. . Method 100 then continues to step S110 to wait for receipt of the next switching command.

上記の電力出力段10の無電圧のスイッチング時点を特定するための方法200の、図6に示されている第2の実施例は、積分された電流測定に基づいている。この場合、方法200は、ステップS300において、例えば車両を始動することによって開始される。次いで、ステップS310において、2つの補助スイッチのうちの1つに対するスイッチング命令が受信されるまで待機される。その後、ステップS320において、例えば第1の論理状態から第2の論理状態への遷移を表す第1のスイッチング命令が受信されたのか、又は、例えば第2の論理状態から第1の論理状態への遷移を表す第2のスイッチング命令が受信されたのかがチェックされる。ステップS320で第1のスイッチング命令であることが認識された場合には、方法は、ステップS330に続く。ステップS320で第2のスイッチング命令であることが認識された場合には、方法は、ステップS430に続く。 A second embodiment, shown in FIG. 6, of the method 200 for determining the voltage-free switching instants of the power output stage 10 described above is based on integrated current measurements. In this case, the method 200 begins at step S300, for example by starting the vehicle. Then, in step S310, it waits until a switching command for one of the two auxiliary switches is received. Thereafter, in step S320, whether a first switching instruction is received representing, for example, a transition from a first logic state to a second logic state; It is checked whether a second switching command representing a transition has been received. If the first switching instruction is recognized in step S320, the method continues to step S330. If the second switching instruction is recognized in step S320, the method continues to step S430.

ステップS330においては、第1の補助スイッチT3が、受信した第1のスイッチング命令に応じてスイッチオン又は導通状態にスイッチングされ、遅延時間スパンTVを特定するための時間測定がアクティブ化又は開始される。これにより、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILが増加し、ステップS340において、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの対応する半導体電力スイッチ、ここでは第1の半導体電力スイッチT1を流れる電流IT1が測定される。ステップS350において、第1の半導体電力スイッチT1を流れる電流IT1が所定の電流閾値を上回ると、第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされ、デッド時間スパンTSの最大値に相当する所定の停止値を有するデッド時間測定がアクティブ化されて、時間測定が停止され、測定結果が、経過した遅延時間スパンVTとして規定される。このことはつまり、チョークコイル16.2を流れる電流ILが、対応する出力電流Io(U,V,W)よりも大きくなり、第1の半導体スイッチT1の両端におけるノード電圧USが、グランド電位GNDにほぼ相当するということを意味する。ステップS360において、第1の半導体電力スイッチT1の両端におけるノード電圧USが測定され、第1の電圧閾値と比較され、この第1の電圧閾値は、例えば、供給電圧電位UBatにほぼ相当するように、又は、供給電圧電位UBatより幾分低くなるように選択されている。ステップS370においては、測定されたノード電圧USが所定の第1の電圧閾値に相当すると、又は、デッド時間測定が所定の停止値に到達すると、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの他方の半導体電力スイッチ、ここでは第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオン又は導通状態にスイッチングされて、デッド時間測定が停止される。スイッチオン時点には、第2の半導体電力スイッチT2の両端における電圧降下は、理想的にはゼロに等しい。これにより、第2の半導体電力スイッチT2は、無電圧となり、無損失で導通状態にスイッチング又はスイッチオンされることができる。第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオンされた後、ステップS380において、時間測定によって特定された遅延時間スパンTVがアクティブ化される。遅延時間スパンTVの経過後、ステップS390において、スイッチオンされている第1の補助スイッチT3がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされる。このことはつまり、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILを低減することができるようにするために、第1の補助スイッチT3は、第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオンされた後もなお、遅延時間スパンTVの持続時間の間、スイッチオンされたままであるということを意味する。次いで、方法200は、ステップS310に続き、次のスイッチング命令の受信を待機する。 In step S330, the first auxiliary switch T3 is switched on or switched into a conducting state in response to the received first switching command, and a time measurement for determining the delay time span TV is activated or initiated. . This increases the coil current IL through the choke coil 16.2 and in step S340 the corresponding semiconductor power switch of the two semiconductor power switches T1, T2 of the at least one half-bridge 12.1, here the second A current IT1 flowing through one semiconductor power switch T1 is measured. In step S350, when the current IT1 through the first semiconductor power switch T1 exceeds a predetermined current threshold, the first semiconductor power switch T1 is switched off or cut off, corresponding to the maximum value of the dead time span TS. A dead time measurement having a predetermined stop value of 0 is activated to stop the time measurement and the measurement result is defined as the elapsed delay time span VT. This means that the current IL flowing through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current Io(U,V,W) and the node voltage US across the first semiconductor switch T1 is reduced to the ground potential GND. means that it is approximately equivalent to In step S360, the node voltage US across the first semiconductor power switch T1 is measured and compared to a first voltage threshold, which corresponds, for example, approximately to the supply voltage potential UBat. , or is chosen to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat. In step S370 the two semiconductor powers of the at least one half-bridge 12.1 are switched off when the measured node voltage US corresponds to a predetermined first voltage threshold or when the dead time measurement reaches a predetermined stop value. The other semiconductor power switch of the switches T1, T2, here the second semiconductor power switch T2, is switched on or switched into a conducting state to stop the dead time measurement. At switch-on time, the voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally equal to zero. Thereby, the second semiconductor power switch T2 is voltage-free and can be losslessly switched into the conductive state or switched on. After the second semiconductor power switch T2 is switched on, in step S380 the delay time span TV specified by the time measurement is activated. After the delay time span TV has elapsed, in step S390 the first auxiliary switch T3 which is switched on is switched off or switched off. This means that in order to be able to reduce the coil current IL through the choke coil 16.2, the first auxiliary switch T3 is still switched on after the second semiconductor power switch T2 has been switched on. , remains switched on for the duration of the delay time span TV. The method 200 then continues to step S310 to await receipt of the next switching command.

ステップS430においては、第2の補助スイッチT4が、受信した第2のスイッチング命令に応じてスイッチオン又は導通状態にスイッチングされ、遅延時間スパンTVを特定するための時間測定がアクティブ化又は開始される。これにより、チョークコイル16.2を流れるコイル電流ILが減少し、ステップS440において、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの対応する半導体電力スイッチ、ここでは第2の半導体電力スイッチT2を流れる電流が測定される。ステップS450において、第2の半導体電力スイッチT2を流れる電流が所定の電流閾値を上回ると、第2の半導体電力スイッチT2がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされ、デッド時間スパンTSの最大値に相当する所定の停止値を有するデッド時間測定がアクティブ化されて、時間測定が停止され、測定結果が、経過した遅延時間スパンVTとして規定される。このことはつまり、チョークコイル16.2を流れる電流ILが、対応する出力電流Io(U,V,W)よりも大きいということを意味する。ステップS460において、第1の半導体電力スイッチT1の両端におけるノード電圧USが測定され、第2の電圧閾値と比較され、この第2の電圧閾値は、例えば、グランド電位GNDにほぼ相当するように、又は、グランド電位GNDより幾分高くなるように選択されている。ステップS470においては、測定されたノード電圧USが所定の第2の電圧閾値に相当すると、又は、デッド時間測定が所定の停止値に到達すると、少なくとも1つのハーフブリッジ12.1の2つの半導体電力スイッチT1,T2のうちの他方の半導体電力スイッチ、ここでは第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオン又は導通状態にスイッチングされる。スイッチオン時点には、第1の半導体電力スイッチT1の両端における電圧降下は、理想的にはゼロに等しい。これにより、第1の半導体電力スイッチT1は、無電圧となり、無損失で導通状態にスイッチング又はスイッチオンされることができる。第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオンされた後、ステップS480において、時間測定によって特定された遅延時間スパンTVがアクティブ化される。遅延時間スパンTVの経過後、ステップS490において、スイッチオンされている第2の補助スイッチT4がスイッチオフ又は遮断状態にスイッチングされる。このことはつまり、第2の補助スイッチT4は、第1の半導体電力スイッチT1がスイッチオンされた後もなお、遅延時間スパンTVの持続時間の間、スイッチオンされたままであるということを意味する。次いで、方法200は、ステップS310に続き、次のスイッチング命令の受信を待機する。 In step S430, the second auxiliary switch T4 is switched on or switched into a conductive state in response to the received second switching command to activate or initiate a time measurement for determining the delay time span TV. . This reduces the coil current IL through the choke coil 16.2 and in step S440 the corresponding semiconductor power switch of the two semiconductor power switches T1, T2 of the at least one half-bridge 12.1, here the second 2, the current through the semiconductor power switch T2 is measured. In step S450, when the current through the second semiconductor power switch T2 exceeds a predetermined current threshold, the second semiconductor power switch T2 is switched off or cut off, corresponding to the maximum value of the dead time span TS. A dead time measurement with a predetermined stop value is activated to stop time measurement and the measurement result is defined as the elapsed delay time span VT. This means that the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current Io(U,V,W). In step S460, the node voltage US across the first semiconductor power switch T1 is measured and compared to a second voltage threshold, which, for example, approximately corresponds to the ground potential GND. Alternatively, it is selected to be somewhat higher than the ground potential GND. In step S470, the two semiconductor powers of the at least one half-bridge 12.1 are switched off when the measured node voltage US corresponds to a predetermined second voltage threshold or when the dead time measurement reaches a predetermined stop value. The other semiconductor power switch of the switches T1, T2, here the first semiconductor power switch T1, is switched on or switched into a conductive state. At switch-on time, the voltage drop across the first semiconductor power switch T1 is ideally equal to zero. Thereby, the first semiconductor power switch T1 becomes voltage-free and can be losslessly switched into a conductive state or switched on. After the first semiconductor power switch T1 is switched on, in step S480 the delay time span TV specified by the time measurement is activated. After the delay time span TV has elapsed, in step S490 the second auxiliary switch T4, which has been switched on, is switched off or switched off. This means that the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay time span TV even after the first semiconductor power switch T1 has been switched on. . The method 200 then continues to step S310 to await receipt of the next switching command.

遅延時間スパンVTは、例えば、接続されたシフトレジスタによって実施可能である。デッド時間スパンTSは、例えば、単安定マルチバイブレータによって実施可能である。 The delay time span VT can be implemented, for example, by a connected shift register. Dead time span TS can be implemented, for example, by a monostable multivibrator.

本方法の2つの説明された実施例は、原則としてNMOS論理において実現可能である。方法100の第1の実施例は、その適応的な性質に起因してパラメータばらつきの影響を受けにくいが、方法200の第2の実施例よりも全体としてより多数の論理要素を必要とする。しかしながら、方法200の第2の実施例は、電流測定が十分に正確である場合にのみ使用可能である。例えば、電流測定が、単独では十分に正確ではないが、それでもなお適応的な遅延チェーンの設定を支援又は検証するために使用可能である場合には、両方の方法100,200を組み合わせることもできる。 The two described embodiments of the method can in principle be implemented in NMOS logic. The first embodiment of method 100 is less sensitive to parameter variations due to its adaptive nature, but requires more logic elements overall than the second embodiment of method 200 . However, the second embodiment of method 200 can only be used if the current measurements are sufficiently accurate. For example, both methods 100, 200 can be combined if current measurements alone are not sufficiently accurate, but can still be used to aid or verify adaptive delay chain settings. .

Claims (20)

電気負荷(3)にエネルギを供給するための装置(1)のための電力出力段(10)であって、
当該電力出力段(10)は、窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいて構成された、少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)を含む電力スイッチング装置(12)と、前記電力スイッチング装置(12)のための駆動回路(15)とを有し、
前記少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の半導体電力スイッチ(T1,T2)は、支持体基板(SiS)の表面上に亜硝酸ガリウム半導体として構成されている、
電力出力段(10)において、
前記少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)のための前記駆動回路(15)は、それぞれ1つのARCPモジュール(16B)を含み、
前記ARCPモジュール(16B)は、2つの補助スイッチ(T3,T4)及びチョークコイル(16.2)を有し、無電圧のスイッチング時点に、対応する前記ハーフブリッジ(12.1)の前記半導体電力スイッチ(T1,T2)をスイッチングするように構成されており、
前記駆動回路(15)は、前記無電圧のスイッチング時点を、積分された電流測定によって、及び/又は、適応的な遅延チェーンによって特定するように構成されている
ことを特徴とする、電力出力段(10)。
A power output stage (10) for a device (1) for supplying energy to an electrical load (3), comprising:
The power output stage (10) comprises a power switching device (12) comprising at least one half-bridge (12.1) constructed based on gallium nitride on silicon technology, and said power switching device (12) and a drive circuit (15) for
the semiconductor power switches (T1, T2) of the at least one half-bridge (12.1) are constructed as gallium nitrite semiconductors on the surface of a carrier substrate (SiS),
In the power output stage (10),
said driving circuits (15) for said at least one half-bridge (12.1) each comprising one ARCP module (16B);
The ARCP module (16B) has two auxiliary switches (T3, T4) and a choke coil (16.2) which, at voltage-free switching instants, allows the semiconductor power of the corresponding half-bridge (12.1) to configured to switch the switches (T1, T2),
Power output stage, characterized in that the drive circuit (15) is arranged to determine the voltage-free switching instant by an integrated current measurement and/or by an adaptive delay chain. (10).
前記電力スイッチング装置(12)及び前記駆動回路(15)は、前記窒化ガリウム・オン・シリコン技術に基づいてモノリシック回路モジュールとして構成されており、
少なくとも前記モノリシック回路モジュールの個々の能動素子は、共通の支持体基板(SiS)上に配置されている、
請求項1に記載の電力出力段(10)。
said power switching device (12) and said drive circuit (15) being constructed as a monolithic circuit module based on said gallium nitride on silicon technology,
at least the individual active elements of said monolithic circuit module are arranged on a common support substrate (SiS);
A power output stage (10) according to claim 1.
中間回路キャパシタンス(14)のコンデンサ(C1,C2)が、シリコンコンデンサとして構成されており、前記支持体基板(SiS)の表面上及び/又は裏面上に配置されている、
請求項1又は2に記載の電力出力段(10)。
the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit capacitance (14) are constructed as silicon capacitors and are arranged on the front side and/or on the back side of the carrier substrate (SiS),
A power output stage (10) according to claim 1 or 2.
前記モノリシック回路モジュールは、多層プリント基板に埋め込まれており、又は、前記多層プリント基板上に配置されている、
請求項2又は3に記載の電力出力段(10)。
wherein the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or disposed on the multilayer printed circuit board;
A power output stage (10) according to claim 2 or 3.
前記中間回路キャパシタンス(14)の前記コンデンサ(C1,C2)は、別個の支持体基板上のシリコンコンデンサとして又は積層セラミックチップコンデンサとして構成されており、前記多層プリント基板に埋め込まれている又は前記多層プリント基板上に配置されている、
請求項4に記載の電力出力段(10)。
The capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit capacitance (14) are constructed as silicon capacitors on a separate carrier substrate or as multilayer ceramic chip capacitors and are embedded in the multilayer printed circuit board or located on the printed circuit board,
A power output stage (10) according to claim 4.
亜硝酸ガリウム半導体として構成された前記2つの補助スイッチ(T3,T4)が、1つの双方向遮断式の補助スイッチ(16.1)になるように組み合わせられており、前記支持体基板(SiS)の前記表面上に形成されている、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
Said two auxiliary switches (T3, T4) constructed as gallium nitrite semiconductors are combined into one bi-directional blocking auxiliary switch (16.1), said support substrate (SiS) formed on the surface of
A power output stage (10) according to any one of the preceding claims.
前記チョークコイル(16.2)は、前記支持体基板(SiS)における導体路としてコアなしで形成されている、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
the choke coil (16.2) is formed coreless as a conductor track on the carrier substrate (SiS),
A power output stage (10) according to any one of the preceding claims.
前記チョークコイル(16.2)は、前記多層プリント基板の導体路としてコアなしで形成されている、
請求項4乃至6のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
The choke coil (16.2) is formed coreless as a conductor track of the multilayer printed circuit board,
A power output stage (10) according to any one of claims 4 to 6.
前記駆動回路(15)は、電流コントロール(18)を含み、
前記電流コントロール(18)は、対応する現在の出力電流(Io(U,V,W))を表す少なくとも1つの測定電流(Im(U,V,W))と、少なくとも1つの基準電流(Ir(U,V,W))とをアナログ信号として受信して、相互に比較し、当該比較に応じて少なくとも1つの対応するスイッチング信号を生成及び出力するように構成されている、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
said drive circuit (15) comprising a current control (18),
Said current control (18) comprises at least one measurement current (Im(U,V,W)) representing a corresponding current output current (Io(U,V,W)) and at least one reference current (Ir (U, V, W)) as analog signals, compare them with each other, and generate and output at least one corresponding switching signal in response to the comparison.
A power output stage (10) according to any one of the preceding claims.
前記少なくとも1つの測定電流(Im(U,V,W))は、前記モノリシック回路モジュールの内部で検出可能である、
請求項9に記載の電力出力段(10)。
the at least one measured current (Im(U,V,W)) is detectable inside the monolithic circuit module;
Power output stage (10) according to claim 9.
前記電流コントロール(18)は、前記電力スイッチング装置(12)の前記ハーフブリッジ(12.1)の各々に対して比較器(18.1)を含み、
前記比較器(18.1)は、前記測定電流(Im(U,V,W))が対応する前記基準電流(Ir(U,V,W))を上回ると、対応する前記ハーフブリッジ(12.1)をスイッチオフし、前記測定電流(Im(U,V,W))が対応する前記基準電流(Ir(U,V,W))を下回ると、対応する前記ハーフブリッジ(12.1)をスイッチオンするように構成されている、
請求項9又は10に記載の電力出力段(10)。
said current control (18) comprising a comparator (18.1) for each of said half-bridges (12.1) of said power switching device (12);
The comparator (18.1) selects the corresponding half-bridge (12 .1) and when the measured current (Im(U,V,W)) falls below the corresponding reference current (Ir(U,V,W)), the corresponding half-bridge (12.1 ) is configured to switch on the
Power output stage (10) according to claim 9 or 10.
前記駆動回路(15)は、ドライバ段(16)を含み、
前記ドライバ段(16)は、前記電流コントロール(18)からの前記少なくとも1つのスイッチング信号を受信し、処理して、前記電力スイッチング装置(12)に出力するように構成されている、
請求項9乃至11のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
The drive circuit (15) comprises a driver stage (16),
said driver stage (16) is configured to receive, process and output said at least one switching signal from said current control (18) to said power switching device (12);
A power output stage (10) according to any one of claims 9 to 11.
前記モノリシック回路モジュールは、外部のコンポーネント及び/又はアセンブリからの信号を受信するように構成された電気インタフェース(13)を含む、
請求項1乃至12のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
the monolithic circuit module includes an electrical interface (13) configured to receive signals from external components and/or assemblies;
A power output stage (10) according to any one of the preceding claims.
前記電力スイッチング装置(12)は、3つのハーフブリッジ(12.1)を有するB6インバータ(12A)として構成されている、
請求項1乃至13のいずれか一項に記載の電力出力段(10)。
said power switching device (12) is configured as a B6 inverter (12A) with three half-bridges (12.1),
A power output stage (10) according to any one of the preceding claims.
エネルギ供給部(5)と、制御装置(7)と、電力出力段(10)とを有する、電気負荷(3)にエネルギを供給するための装置(1)であって、
前記電力出力段(10)は、請求項1乃至14のいずれか一項に記載の電力出力段(10)のように構成されている、
ことを特徴とする装置(1)。
A device (1) for supplying energy to an electrical load (3), comprising an energy supply (5), a control device (7) and a power output stage (10), comprising:
The power output stage (10) is configured like the power output stage (10) according to any one of claims 1 to 14,
A device (1), characterized in that:
電気インタフェース(13)が、前記エネルギ供給部(5)の供給電圧電位(UBat)及びグランド電位(GND)と、前記制御装置(7)の少なくとも1つの基準電流(Ir(U,V,W))とを受信するように構成されている、
請求項15に記載の装置(1)。
An electrical interface (13) connects the supply voltage potential (UBat) and ground potential (GND) of the energy supply (5) and at least one reference current (Ir(U,V,W) of the controller (7) ) and configured to receive
Device (1) according to claim 15.
前記電気負荷(3)は、3相ブラシレス直流モータ(3A)として構成されており、
B6インバータ(12A)のハーフブリッジ(12.1)が、それぞれ前記3相ブラシレス直流モータ(3A)の各相(U,V,W)に接続可能である、
請求項15又は16に記載の装置(1)。
The electric load (3) is configured as a three-phase brushless DC motor (3A),
A half-bridge (12.1) of a B6 inverter (12A) is connectable to each phase (U, V, W) of said three-phase brushless DC motor (3A) respectively,
Device (1) according to claim 15 or 16.
請求項1乃至14のいずれか一項に記載の電力出力段(10)のように構成された電力出力段(10)のための無電圧のスイッチング時点を特定するための方法(100,200)であって、
当該方法(100,200)は、
スイッチング命令を受信し、受信した前記スイッチング命令に応じて第1の補助スイッチ(T3)又は第2の補助スイッチ(T4)をスイッチオンするステップと、
遅延時間スパン(TV)を特定して、アクティブ化するステップと、
少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の2つの半導体電力スイッチ(T1,T2)のうちの対応する半導体電力スイッチをスイッチオフし、前記遅延時間スパン(TV)が経過した後、最大デッド時間スパン(TS)に相当する所定の停止値を有するデッド時間測定をアクティブ化するステップと、
前記第1の半導体電力スイッチ(T1)の両端におけるノード電圧(US)を測定し、前記少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の前記2つの半導体電力スイッチ(T1,T2)のうちの他方の半導体電力スイッチをスイッチオンするステップと、
測定された前記ノード電圧(US)が所定の電圧閾値に相当すると、又は、前記デッド時間測定が前記停止値に到達すると、前記デッド時間測定を停止するステップと、
を有し、
スイッチオンされている前記補助スイッチ(T3,T4)は、前記少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の前記2つの半導体電力スイッチ(T1,T2)のうちの前記他方の半導体電力スイッチがスイッチオンされた後、前記遅延時間スパン(VT)の持続時間の間、スイッチオンされたままであり、前記遅延時間スパン(VT)の経過後、スイッチオフされる、
方法(100,200)。
Method (100, 200) for determining voltage-free switching instants for a power output stage (10) configured like the power output stage (10) according to any one of claims 1 to 14 and
The method (100, 200) comprises:
receiving a switching command and switching on a first auxiliary switch (T3) or a second auxiliary switch (T4) depending on said switching command received;
identifying and activating a delay time span (TV);
switching off the corresponding semiconductor power switch of the two semiconductor power switches (T1, T2) of the at least one half-bridge (12.1) and after said delay time span (TV) has elapsed, a maximum dead time span. activating a dead time measurement with a predetermined stop value equal to (TS);
Measure the node voltage (US) across the first semiconductor power switch (T1) and measure the other of the two semiconductor power switches (T1, T2) of the at least one half-bridge (12.1). switching on the semiconductor power switch;
stopping the dead time measurement when the measured node voltage (US) corresponds to a predetermined voltage threshold or when the dead time measurement reaches the stop value;
has
The auxiliary switches (T3, T4) that are switched on are switched on by the other of the two semiconductor power switches (T1, T2) of the at least one half-bridge (12.1). after being switched on for the duration of said delay time span (VT) and switched off after said delay time span (VT) has elapsed;
method (100, 200).
前記遅延時間スパン(TV)は、同一の時間スパンを有する遅延ステップの数(X)によって規定されている適応的な遅延チェーンによって特定され、
前記デッド時間測定が前記所定の停止値又は前記最大デッド時間スパン(TS)に到達している場合には、前記遅延時間スパン(VT)の前記遅延ステップの数(X)は、1だけ増加させられ、
前記デッド時間測定が所定の最小デッド時間スパン(TS)に到達していない場合には、前記遅延時間スパン(VT)の前記遅延ステップの数(X)は、1だけ低減され、
それ以外の場合には、前記遅延時間スパン(VT)の前記遅延ステップの数(X)は、同一のままである、
請求項18に記載の方法(100,200)。
said delay time span (TV) is specified by an adaptive delay chain defined by the number of delay steps (X) having the same time span;
The number of delay steps (X) of the delay time span (VT) is increased by one if the dead time measurement has reached the predetermined stop value or the maximum dead time span (TS). be
the number of delay steps (X) of the delay time span (VT) is reduced by one if the dead time measurement has not reached a predetermined minimum dead time span (TS);
otherwise, the number of delay steps (X) of the delay time span (VT) remains the same.
19. The method (100, 200) of claim 18.
前記遅延時間スパン(TV)は、積分された電流測定によって特定され、
前記第1の補助スイッチ(T3)又は前記第2の補助スイッチ(T4)がスイッチオンされた後、前記遅延時間スパン(VT)を特定するための時間測定と、電流(IT1,IT2)の測定とが、前記少なくとも1つのハーフブリッジ(12.1)の前記2つの半導体電力スイッチ(T1,T2)のうちの対応する半導体電力スイッチによってアクティブ化され、
測定された前記電流(IT1,IT2)は、所定の閾値と比較され、
測定された前記電流(IT1,IT2)が前記所定の閾値を上回ると、前記時間測定が停止され、前記測定結果が、経過した遅延時間スパン(VT)として規定される、
請求項18又は19に記載の方法(100,200)。
the delay time span (TV) is determined by an integrated current measurement;
a time measurement to determine the delay time span (VT) and a current (IT1, IT2) measurement after the first auxiliary switch (T3) or the second auxiliary switch (T4) is switched on; is activated by a corresponding semiconductor power switch of said two semiconductor power switches (T1, T2) of said at least one half-bridge (12.1),
the measured currents (IT1, IT2) are compared with a predetermined threshold,
when the measured currents (IT1, IT2) exceed the predetermined threshold, the time measurement is stopped and the measurement result is defined as the elapsed delay time span (VT);
20. A method (100, 200) according to claim 18 or 19.
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