WO2016045920A1 - Verfahren zum betrieb einer schaltungsanordnung - Google Patents

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WO2016045920A1
WO2016045920A1 PCT/EP2015/070024 EP2015070024W WO2016045920A1 WO 2016045920 A1 WO2016045920 A1 WO 2016045920A1 EP 2015070024 W EP2015070024 W EP 2015070024W WO 2016045920 A1 WO2016045920 A1 WO 2016045920A1
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switches
low
side switches
switch
temperature
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PCT/EP2015/070024
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Friedrich
Simon Dierolf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S388/00—Electricity: motor control systems
    • Y10S388/907—Specific control circuit element or device
    • Y10S388/9072—Bridge circuit

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a circuit arrangement as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
  • BLDC motors (BrushLessDC motors, also called brushless DC motors) have a particularly simple structure. Unlike conventional electric motors, BLDC motors have no mechanical commutator.
  • a magnetic rotating field for operating the BLDC motor can be generated by means of an inverter whose semiconductor switching elements can be controlled in various ways for this purpose.
  • the drive can e.g. by means of pulse width modulation (PWM), in block mode, by means of space vector, triangular-rectangular, triangular-sine or flat-top modulation.
  • PWM pulse width modulation
  • a magnetic rotating field can be provided by means of space vector modulation by means of a circuit arrangement designed as an inverter.
  • the inverter has a control stage for each phase, each with a highside and a lowside switch.
  • the high side and low side switches of the drive stages are alternately driven to set the magnetic rotating field.
  • the power with which the BLDC motor can operate depends on the power loss of the inverter. The power dissipation causes the inverter to heat up, which limits the maximum power of the BLDC motor. Therefore, there is a need to increase the power that can be delivered by such circuitry.
  • a circuit arrangement having at least three control stages for at least three phases, e.g. used for a three-phase BLDC motor.
  • Each of the control stages has a high-side switch and a low-side switch, wherein each of the high-side switches and the low-side switch can be brought into an electrically conductive state and into an electrically non-conductive state. It is then determined in a first step, the temperature of the high-side switch and / or the lowside switch influencing size.
  • the highside switches or the lowside switch are selected in groups depending on the particular size.
  • the selected high-side switches or low-side switches are driven in a freewheeling phase in such a way that the selected high-side switches or low-side switches form a freewheel during the freewheeling phase.
  • the group-wise selection of the high-side switches or the low-side switches means that either all high-side switches or all
  • Lowside switches are selected and that all selected switches are supplied with the same drive signals.
  • the circuit heats up more slowly during the freewheeling phases, so that more energy can be supplied to the controlled component, eg a BLDC motor.
  • the circuit arrangement can be dimensioned smaller while maintaining the power of the driven component, which the space requirement for the circuit arrangement and the cost of the
  • the selected high side switches or lowside switches that form the freewheel are in the conducting state and the other high side switches or lowside switches
  • Switches are in the non-conductive state.
  • the selected highside switches or lowside switches are loaded and thus heated.
  • This makes it possible, in particular, to cool a group of switches more strongly and to use them preferably for freewheeling. Therefore, improved heat dissipation, e.g. a heat sink or larger heat sink, the selected switch more energy is supplied to the selected component, while the other switches do not require such improved heat dissipation.
  • improved heat dissipation e.g. a heat sink or larger heat sink, the selected switch more energy is supplied to the selected component, while the other switches do not require such improved heat dissipation.
  • the quantity is compared with a temperature limit value and, when the temperature limit value is exceeded, the high-side switch or low-side switch which does not exceed the temperature limit value is selected. This ensures in an easy way that the currently selected highside switches or lowside switches will not overheat and be damaged during the freewheeling phases.
  • the size of the highside switches and the lowside switches are determined and the highside or lowside switches of the smaller size are selected. By determining the size distribution, different thermal load limits and / or different good cooling connections of the high-side switch or
  • Lowside switches are considered in the selection.
  • the individual load limits of the high-side switches and lowside switches can be optimally utilized in order to maximize the maximum power of the driven component.
  • a semiconductor device in particular an IC, is used, on which the high-side switches and the low-side switches are arranged, the high-side switches in a middle section of the semiconductor device and the low-side switches in an edge section of the semiconductor device are arranged.
  • the high-side switches have a better cooling connection than the low-side switches on the semiconductor component.
  • the semiconductor component can be constructed on a semiconductor substrate with the high-side switches and the low-side switch, or the semiconductor component has a carrier on which several semiconductors are mounted, which form the high-side switches and the low-side switches.
  • the invention can optimize the cooling in such a bridge IC.
  • a bridge IC often has a p-channel transistor as a high-side switch and an n-channel transistor as a low-side switch.
  • the p-channel transistor requires a larger area than the n-channel transistor with the same performance characteristics.
  • the highside switches are usually placed in the middle of the IC and the lowside switches on the edge. The larger area and central positioning allow the highside switches to be better cooled. As a result, the bridge is limited by the poorer cooling connection of the low-side switches, although the high-side switch could additionally process power.
  • the invention is particularly suitable for use in vehicles, since there harsh environmental conditions prevail with locally critical cooling properties.
  • Preferred applications include the control of electrical Machines in start-stop systems, electric turbochargers and starters, steering systems and gearboxes as well as air conditioning compressors and fans.
  • An arithmetic unit according to the invention e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • Figure 1 shows a circuit arrangement for driving a three-phase BLDC motor with three phases.
  • FIG. 2 shows the arrangement of high-side switches and the low-side switches on a semiconductor component for controlling the three-phase BLDC motor.
  • Figure 3 shows a time profile of the drive signals, the duty cycles and the electrical currents of the three phases according to a conventional triangular-sine modulation.
  • Figure 4 shows a time profile of the drive signals, the duty cycles and the electrical currents of the three phases according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement 2 for controlling a BLDC motor 4 as a controlled component, the circuit arrangement 2 being fed by an electrical DC voltage source 6.
  • the BLCD motor 4 has a rotor with one or more permanent magnets and a stator with three
  • Stator windings which are assigned to the three phases u, v, w.
  • the circuit arrangement 2 has one, that is to say a total of three drive stages 8a, 8b, 8c.
  • the circuit arrangement 2 is formed in the present embodiment as a B6-bridge inverter.
  • Preferred applications of a B6 bridge inverter for driving a BLDC motor 4 in a motor vehicle are e.g. Start-stop systems, electric turbochargers and starters, steering systems and transmissions as well as air conditioning compressors and fans.
  • Each of the three drive stages 8a, 8b, 8c has a respective high-side switch 10a, 10b, 10c and a low-side switch 12a, 12b, 12c. Furthermore, everyone is
  • Highside switch 10a, 10b, 10c and low-side switches 12a, 12b, 12c each associated with a freewheeling diode 22a, 22b, 22c, 24a, 24b, 24c.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c are p-channel semiconductor switching elements, such as p-channel transistors, and the lowside switches.
  • Switches 12a, 12b, 12c are n-channel semiconductor switching elements, such as n-channel transistors. Instead of transistors, it is also possible to use p-channel or n-channel power MOSFETs or thyristors, such as GTOs. Via control lines, each of the highside switches 10a, 10b, 10c and each of the
  • Lowside switch 12a, 12b, 12c connected to a controller 14 of the circuit 2 to the high-side switch 10a, 10b, 10c and the lowside switches 12a, 12b, 12c in an electrically conductive state and in an electrically non-conductive state bring to.
  • the control unit 14 generates pulse-width-modulated drive signals which switch from the electrically conductive to the non-conductive state and vice versa the highside switches 10a, 10b, 10c and the low-side switch 12a. 12b, 12c effect.
  • the controller 14 may be part of a computing unit, e.g. a control unit of a motor vehicle, be.
  • the controller 14 may include hardware and / or software components.
  • FIG. 2 shows a preferred arrangement of the high-side switches 10a, 10b, 10c and the low-side switches 12a, 12b, 12c on a semiconductor component 16 (integrated circuit, IC) of the circuit arrangement 2.
  • IC integrated circuit
  • the semiconductor device 16 may be constructed on a semiconductor substrate with the high-side switches 10a, 10b, 10c and the low-side switches 12a, 12b, 12c, or the semiconductor device 16 has a carrier on which a plurality of semiconductors are mounted, which are the highside Switch 10a, 10b, 10c and the lowside switches 12a, 12b, 12c form.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c are arranged in a middle section 18 of the semiconductor component 16 and the low-side switches 12a, 12b, 12c are arranged in an edge section 20 of the semiconductor component 16. Due to this arrangement on the semiconductor chip 16, the high-side switches 10a, 10b, 10c are arranged in a middle section 18 of the semiconductor component 16 and the low-side switches 12a, 12b, 12c are arranged in an edge section 20 of the semiconductor component 16. Due to this arrangement on the semiconductor chip 16, the high-side
  • Switch 10a, 10b, 10c a better cooling connection than the low-side switches 12a, 12b, 12c to the semiconductor device 16 on. Furthermore, the high-side switches 10a, 10b, 10c designed as p-channel semiconductor switching elements have a larger area than the low-side switches 12a, 12b, 12c designed as n-channel semiconductor switching elements. That's how it is
  • FIGS. 3 and 4 The method for operating a circuit arrangement 2 will now be explained with additional reference to FIGS. 3 and 4.
  • three pulse-width-modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 for each of the drive stages 8a, 8b, 8c, including the associated duty cycles T1, T2 and T3, and below those in the three phases u, v, w are shown at the top flowing
  • the controller 14 In operation, the controller 14 generates the pulse width modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 for each of the drive stages 8a, 8b, 8c so that the electrical phase currents i u , i v , i w in the BLDC motor 4 generate a rotating magnetic field of desired frequency Drive the rotor form.
  • the drive takes place according to a triangular sine-wave modulation (FIG. 3).
  • the drive can take place in accordance with an arbitrary drive scheme (eg space vector, triangular fundamental, etc.) as long as the following three drive phases can be identified therein.
  • Phase 1 All control stages 8a, 8b, 8c have active low-side switches (freewheeling)
  • Phase 2 Not all control stages 8a, 8b, 8c have the same switch position
  • Phase 3 All control stages 8a, 8b, 8c have active high-side switches (freewheeling )
  • Phase 1 and Phase 3 no new energy is fed into the engine.
  • the energy in the engine is reduced by a freewheel on all switches.
  • the two phases are functionally identical, which eliminates one of the two phases.
  • the omitted phase is replaced by the other phase. It is important that the phase 2 (different switch position) in their temporal
  • the replacement of the phase 1 by the phase 3 and vice versa in Figure 4 leads to a circuit diagram according to Figure 4, which has Fiat top portions.
  • the temperature and / or power dissipation of the high-side switches 10a, 10b, 10c and / or the low-side switches 12a, 12b, 12c are determined as the variable influencing the temperature of the high-side switches and / or the low-side switches .
  • the temperature of the high-side switch 10a, 10b, 10c and / or the low-side switch 12a, 12b, 12c can be measured and evaluated.
  • an electrical quantity of the high-side switches 10a, 10b, 10c and / or the low-side switches 12a, 12b, 12c may be measured and evaluated.
  • the electrical quantity may be one provided by the high-side switches 10a, 10b, 10c and or the low-side switch 12a, 12b, 12c flowing electric current, one at the high-side switches 10a,
  • the duration may e.g. be determined by evaluating a duty cycle of the drive signals PWM1, PWM2, PWM3.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c or the low-side switches 12a, 12b, 12c are selected in groups.
  • the determined temperature is compared with a temperature limit value. If the limit value is exceeded, the high-side switches 10a, 10b, 10c or low-side switches 12a, 12b, 12c which do not exceed the limit value are selected.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c are selected in groups and - as will be explained - acted upon by the same drive signals.
  • the highside switches 10a, 10b, 10c and the low-side switches 12a, 12b, 12c are controlled by the control unit 14 by providing the pulse-width-modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 such that, for example, all highside Switches 10a, 10b, 10c are in the conducting state and all lowside switches 12a, 12b, 12c are in the non-conducting state and all the highside switches 10a, 10b, 10c are so form a freewheel for reducing the electrical or magnetic energy stored in the stator windings.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c and the low-side switches 12a, 12b, 12c are controlled by the control unit 14 by providing the pulse-width-modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 such that they do not all high-side switches 10a, 10b, 10c or that not all lowside switches 12a, 12b, 12c have the same states.
  • the high-side switches 10a, 10b, 10c and the low-side switches 12a, 12b, 12c of the control unit 14 by providing the pulse width modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 such
  • PWM1, PWM2, PWM3 the pulse width modulated drive signals
  • Circuit arrangement 2 are dimensioned smaller, which reduces the space requirement for the circuit arrangement and the cost of the circuit arrangement 2. If the loads on the high-side switches 10a, 10b, 10c have overheated and this was determined by determining the temperature of the high-side switches 10a, 10b, 10c and / or the low-side switches 12a, 12b, 12c, can the controller 14 by providing the
  • pulse width modulated drive signals PWM1, PWM2, PWM3 now the Lowside- Switch 12a, 12b, 12c in such a further freewheeling phase drives such that now the low-side switches 12a, 12b, 12c during the further freewheeling phases are in the conductive state.
  • the circuit arrangement 2 is heated even slower by the described operation with these freewheeling phases, so that even more energy can be supplied to the BLDC motor 4 or the circuit arrangement 2 can be dimensioned even smaller while the motor power of the BLDC motor 4 remains the same.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung (2) mit mindestens drei Steuerstufen (8a, 8b, 8c) für mindestens drei Phasen (u, v, w), wobei jede der Steuerstufen (8a, 8b, 8c) einen Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und einen Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) aufweist, wobei jeder der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in einen elektrisch leitenden Zustand und in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand bringbar ist, wobei eine die Temperatur der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und/oder der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) beeinflussende Größe bestimmt wird, gruppenweise entweder der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in Abhängigkeit von der die Temperatur beeinflussenden Größe ausgewählt werden, und die ausgewählten Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in einer Freilauf-Phase derart angesteuert werden, dass die aus-gewählten Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) während der Freilauf-Phase einen Freilauf bilden.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
BLDC-Motoren (BrushLessDC-Motoren, auch bürstenlose Gleichstrommotoren genannt) weisen einen besonders einfachen Aufbau auf. Im Unterscheid zu herkömmlichen Elektromotoren weisen BLDC-Motoren keinen mechanischen Kommutator auf.
Ein magnetisches Drehfeld zum Betrieb des BLDC-Motors kann mittels eines Wechselrichters erzeugt werden, dessen Halbleiterschaltelemente hierzu auf verschiedene Weisen angesteuert werden können. Die Ansteuerung kann z.B. mittels Pulsweitenmodulation (PWM), im Blockbetrieb, mittels Raumzeiger-, Dreieck-Rechteck-, Dreieck-Sinus- oder Flat-Top-Modulation erfolgen.
Gemäß der DE 10 2012 210 658 A1 kann mittels Raumzeigermodulation ein magnetisches Drehfeld durch eine als Wechselrichter ausgebildete Schaltungsanordnung bereitgestellt werden. Der Wechselrichter weist für jede Phase eine Ansteuerstufe mit je einem Highside- und einem Lowside-Schalter auf. Abhängig von der Winkelposition des Permanentmagneten aufweisenden Rotors des BLDC-Motors werden die Highside- und Lowside-Schalter der Ansteuerstufen wechselweise angesteuert, um das magnetische Drehfeld zu stellen. Die Leistung, mit der der BLDC-Motor betrieben werden kann, hängt von der Verlustleistung des Wechselrichters ab. Die Verlustleistung bewirkt eine Erwärmung des Wechselrichters, die die maximale Leistung des BLDC-Motors begrenzt. Daher besteht Bedarf daran, die Leistung, die von einer solchen Schaltungsanordnung geliefert werden kann, zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird eine Schaltungsanordnung mit mindestens drei Steuerstufen für mindestens drei Phasen, z.B. für einen dreiphasigen BLDC-Motors verwendet. Jede der Steuerstufen weist einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter auf, wobei jeder der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter in einen elektrisch lei- tenden Zustand und in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand bringbar sind. Es wird dann in einem ersten Schritt eine die Temperatur der Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter beeinflussende Größe bestimmt. In einem weiteren Schritt werden die Highside-Schalter oder der Lowside-Schalter in Abhängigkeit von der bestimmten Größe gruppenweise ausgewählt. In einem weiteren Schritt werden die ausgewählten Highside-Schalter oder Lowside-Schalter in einer Freilauf-Phase derart angesteuert, dass die ausgewählten Highside-Schalter oder Lowside-Schalter während der Freilauf-Phase einen Freilauf bilden.
Dabei wird unter der gruppenweisen Auswahl der Highside-Schalter oder der Lowside-Schalter verstanden, dass entweder alle Highside-Schalter oder alle
Lowside-Schalter ausgewählt werden und dass alle ausgewählten Schalter mit den gleichen Ansteuersignalen beaufschlagt werden. Somit werden während der Freilauf-Phasen entweder nur die Highside-Schalter oder nur die Lowside- Schalter entsprechend ihrer Temperatur belastet und damit erwärmt. Daher er- wärmt sich die Schaltungsanordnung während der Freilauf-Phasen langsamer, so dass der angesteuerten Komponente, z.B. einem BLDC-Motor, mehr Energie zugeführt werden kann. Ferner kann bei gleichbleibender Leistung der angesteuerten Komponente die Schaltungsanordnung kleiner dimensioniert werden, was den Bauraumbedarf für die Schaltungsanordnung und die Kosten für die
Schaltungsanordnung reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform sind während der Freilauf-Phase die ausgewählten Highside-Schalter oder Lowside-Schalter, die den Freilauf bilden, in dem leitenden Zustand und die anderen Highside-Schalter oder Lowside-
Schalter sind in dem nicht-leitenden Zustand. Somit werden während der Freilauf-Phase nur die ausgewählten Highside-Schalter oder Lowside-Schalter belastet und damit erwärmt. Dies ermöglicht insbesondere, eine Gruppe der Schalter stärker zu kühlen und diese bevorzugt für den Freilauf zu verwenden. Daher kann durch eine verbesserte Entwärmung, durch z.B. einen Kühlkörper oder einen größeren Kühlkörper, der ausgewählten Schalter der angesteuerten Komponente mehr Energie zugeführt werden, während die anderen Schalter keine derartige verbesserte Entwärmung benötigen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei dem der die Temperatur der
Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter beeinflussenden Größe eine Verlustleistung, ein Strom, eine Stromhöhe, eine Stromdauer und/oder eine Temperatur selbst bestimmt. Somit wird unmittelbar die Erwärmung erfasst. Dies vereinfacht die Temperaturmesswertauswertung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei dem gruppenweisen Auswählen die Größe mit einem Temperaturgrenzwert verglichen und auf ein Überschreiten des Temperaturgrenzwertes die den Temperaturgrenzwert nicht überschreitenden Highside-Schalter oder Lowside-Schalter ausgewählt. Somit wird auf einfa- che Weise sichergestellt, dass sich die gerade ausgewählten Highside-Schalter oder Lowside-Schalter während der Freilauf-Phasen nicht überhitzen und Schaden nehmen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Größe der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter bestimmt und die Highside-Schalter oder Lowside- Schalter mit der geringeren Größe werden ausgewählt. Durch das Bestimmen der Größenverteilung können unterschiedliche thermische Belastungsgrenzen und/oder unterschiedlich gute Kühlanbindungen der Highside-Schalter oder
Lowside-Schalter bei der Auswahl berücksichtigt werden. So können die einzelnen Belastungsgrenzen der Highside-Schalter und Lowside-Schalter optimal ausgenutzt werden, um die maximale Leistung der angesteuerten Komponente zu maximieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Halbleiterbaustein, insbesondere ein IC, verwendet, auf dem die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter angeordnet sind, wobei die Highside-Schalter in einem Mittelabschnitt des Halbleiterbausteins und die Lowside-Schalter in einem Randabschnitt des Halbleiter- bausteins angeordnet sind. Durch diese Anordnung auf dem Halbleiterbaustein weisen die Highside-Schalter eine bessere Kühlanbindung als die Lowside- Schalter an den Halbleiterbaustein auf. Dabei kann der Halbleiterbaustein auf einem Halbleitersubtrat mit den Highside-Schaltern und den Lowside-Schalter aufgebaut sein, oder der Halbleiterbaustein weist einen Träger auf, auf dem mehre- re Halbleiter montiert sind, die die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter bilden. Durch die Erfindung kann die Entwärmung in einem solchen Brücken-IC optimiert werden. Ein Brücken-IC hat oft als Highside-Schalter einen p-Kanal- Transistor und als Lowside-Schalter einen n-Kanal-Transistor. Der p-Kanal- Transistor benötigt eine größere Fläche als der n-Kanal-Transistor bei gleichen Leistungseigenschaften. Zudem werden die Highside-Schalter in der Regel mittig in dem IC platziert und die Lowside-Schalter am Rand. Durch die größere Fläche und mittige Positionierung können die Highside-Schalter besser entwärmt werden. Dadurch wird die Brücke durch die schlechtere Kühlanbindung der Lowside- Schalter limitiert, obwohl der Highside-Schalter noch zusätzlich Leistung verar- beiten könnte.
Die Erfindung eignet sich besonders für die Verwendung in Fahrzeugen, da dort raue Umgebungsbedingungen mit stellenweise kritischen Kühleigenschaften vorherrschen. Bevorzugte Anwendungen sind z.B. die Ansteuerung von elektrischen Maschinen in Start-Stopp-Systemen, elektrische Turboladern und Startern, Lenksystemen und Getrieben sowie Klimakompressoren und Lüftern.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines dreiphasigen BLDC-Motors mit drei Phasen.
Figur 2 zeigt die Anordnung von Highside-Schaltern und die Lowside-Schalter auf einem Halbleiterbaustein zur Ansteuerung des dreiphasigen BLDC-Motors. Figur 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Ansteuersignale, der Tastverhältnisse und der elektrischen Ströme der drei Phasen gemäß einer herkömmlichen Dreieck-Sinus-Modulation.
Figur 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Ansteuersignale, der Tastverhältnisse und der elektrischen Ströme der drei Phasen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 2 zur Ansteuerung eines BLDC-Motors 4 als angesteuerte Komponente, wobei die Schaltungsanordnung 2 von einer elektrischen Gleichspannungsquelle 6 gespeist wird.
Der BLCD-Motor 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten und einen Stator mit drei
Statorwicklungen auf, die den drei Phasen u, v, w zugeordnet sind. Zur Beaufschlagung jeder der Statorwicklungen weist die Schaltungsanordnung 2 je eine, also insgesamt drei Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c auf.
Somit ist die Schaltungsanordnung 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als B6-Brückenwechselrichter ausgebildet. Bevorzugte Anwendungen eines B6- Brückenwechselrichters zur Ansteuerung eines BLDC-Motors 4 in einem Kraftfahrzeug sind z.B. Start-Stopp Systeme, elektrische Turbolader und Starter, Lenksysteme und Getriebe sowie Klimakompressoren und Lüfter.
Jede der drei Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c weist je einen Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und einen Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c auf. Ferner ist jedem
Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c je eine Freilaufdiode 22a, 22b, 22c, 24a, 24b, 24c zugeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c p-Kanal- Halbleiterschaltelemente, wie z.B. p-Kanal-Transistoren, und die Lowside- Schalter 12a, 12b, 12c sind n-Kanal-Halbleiterschaltelemente, wie z.B. n-Kanal- Transistoren. Anstelle von Transistoren können auch p- bzw. n-Kanal-Leistungs- MOSFETs oder Thyristoren, wie z.B. GTOs, eingesetzt werden. Über Steuerleitungen ist jeder der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und jeder der
Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c mit einem Steuergerät 14 der Schaltungsanordnung 2 verbunden, um die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und die Lowside- Schalter 12a, 12b, 12c in einen elektrisch leitenden Zustand und in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand zu bringen. Hierzu werden - wie noch später erläu- tert wird - von dem Steuergerät 14 pulsweitenmodulierte Ansteuersignale erzeugt, die einen Wechsel von dem elektrische leitenden in den nicht-leitenden Zustand und umgekehrt der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und der Lowside- Schalter 12a, 12b, 12c bewirken. Das Steuergerät 14 kann Teil einer Recheneinheit, z.B. eines Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, sein. Das Steuergerät 14 kann Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung von den Highside-Schaltern 10a, 10b, 10c und den Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c auf einem Halbleiterbaustein 16 (integrierte Schaltung, IC) der Schaltungsanordnung 2.
Der Halbleiterbaustein 16 kann auf einem Halbleitersubtrat mit den Highside- Schaltern 10a, 10b, 10c und den Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c aufgebaut sein, oder der Halbleiterbaustein 16 weist einen Träger auf, auf dem mehrere Halbleiter montiert sind, die die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und die Lowside- Schalter 12a, 12b, 12c bilden.
Anhand der Figur 2 ist zuerkennen, dass die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c in einem Mittelabschnitt 18 des Halbleiterbausteins 16 und die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c in einem Randabschnitt 20 des Halbleiterbausteins 16 angeordnet sind. Durch diese Anordnung auf dem Halbleiterbaustein 16 weisen die Highside-
Schalter 10a, 10b, 10c eine bessere Kühlanbindung als die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c an den Halbleiterbaustein 16 auf. Ferner weisen die als p-Kanal-Halbleiterschaltelemente ausgebildeten Highside- Schalter 10a, 10b, 10c eine größere Fläche als die als n-Kanal-Halbleiterschalt- elemente ausgebildeten Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c auf. So ist die
Entwärmung der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c nochmals verbessert.
Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 das Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung 2 erläutert. In den Figuren 3 und 4 sind jeweils oben drei pulsweitenmodulierte Ansteuersignale PWM1 , PWM2, PWM3 für jede der Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c, darunter die zugehörigen Tastver- hältnisse T1 , T2 und T3 und darunter die in den drei Phasen u, v, w fließenden
Ströme iu, iv, iw dargestellt.
Im Betrieb erzeugt das Steuergerät 14 die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1 , PWM2, PWM3 für jede der Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c, damit die elekt- rischen Phasenströme iu, iv, iw in dem BLDC-Motor 4 ein rotierendes Magnetfeld gewünschter Frequenz zum Antrieb des Rotors bilden. Beispielsweise erfolgt die Ansteuerung gemäß einer Dreieck-Sinus-Modulation (Figur 3). Grundsätzlich kann die Ansteuerung gemäß einem beliebigen Ansteuerschema (z.B. Raumzeiger, Dreieck-Grundwelle usw.) erfolgen, solange darin die folgenden drei An- steuerphasen identifiziert werden können.
Phase 1 : Alle Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c haben aktive Lowside-Schalter (Freilauf) Phase 2: Nicht alle Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c haben die gleiche Schalterstellung Phase 3: Alle Ansteuerstufen 8a, 8b, 8c haben aktive Highside-Schalter (Freilauf)
In Phase 1 und Phase 3 wird keine neue Energie in den Motor eingespeist. Die Energie in dem Motor wird durch einen Freilauf über alle Schaltern abgebaut. Die beiden Phasen sind funktional identisch, wodurch eine der beiden Phasen entfallen kann. Die entfallene Phase wird durch die andere Phase ersetzt. Wichtig da- bei ist, dass die Phase 2 (unterschiedliche Schalterstellung) in ihrem zeitlichen
Ablauf unverändert bleibt.
Das Ersetzen der Phase 1 durch die Phase 3 und umgekehrt in Figur 4 führt zu einem Schaltschema gemäß Figur 4, welches Fiat-Top-Anteile aufweist. Hierzu werden in einem ersten Schritt die Temperatur und/oder Verlustleistung der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und/oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c als die die Temperatur der Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter beeinflussende Größe bestimmt. Hierzu kann z.B. die Temperatur der Highside- Schalter 10a, 10b, 10c und/oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c gemessen und ausgewertet werden. Alternativ kann eine elektrische Größe der Highside- Schalter 10a, 10b, 10c und/oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c gemessen und ausgewertet werden Bei der elektrischen Größe kann es sich um einen durch die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und/oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c fließenden elektrischen Strom, eine an den Highside-Schaltern 10a,
10b, 10c und/oder Lowside-Schaltern 12a, 12b, 12c anliegende elektrische Spannung, oder um eine Zeitdauer handeln, die die Highside-Schalter und/oder Lowside-Schalter in dem elektrisch leitenden Zustand sind. Die Zeitdauer kann z.B. durch Auswertung eines Tastverhältnisses von den Ansteuersignalen PWM1 , PWM2, PWM3 bestimmt werden.
In einem zweiten Schritt werden die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c oder die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c gruppenweise ausgewählt. Zur gruppenweisen Auswahl der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c wird die bestimmte Temperatur mit einem Temperaturgrenzwert verglichen. Auf ein Überschreiten des Grenzwertes hin werden die den Grenzwert nicht überschreitenden Highside-Schalter 10a, 10b, 10c oder Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c ausgewählt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c oder Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c mit der ge- ringeren Temperatur auszuwählen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c gruppenweise ausgewählt und - wie noch erläutert wird - mit gleichen Ansteuersignalen beaufschlagt.
In einem weiteren Schritt werden während der Freilauf-Phase die Highside- Schalter 10a, 10b, 10c und die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c von dem Steuergerät 14 durch Bereitstellen der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1 , PWM2, PWM3 derart angesteuert, dass beispielsweise alle Highside-Schalter 10a, 10b, 10c in dem leitenden Zustand und alle Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c in dem nicht-leitenden Zustand sind und alle Highside-Schalter 10a, 10b, 10c so einen Freilauf zum Abbau der in den Statorwicklungen gespeicherten elektrische bzw. magnetischen Energien bilden.
In einem weiteren Schritt werden während der Leistungseinspeise-Phase die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c von dem Steuergerät 14 durch Bereitstellen der pulsweitenmodulierten Ansteuersig- nale PWM1 , PWM2, PWM3 derart angesteuert, dass nicht alle Highside-Schalter 10a, 10b, 10c bzw. dass nicht alle Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c dieselben Zustände aufweisen.
In einem weiteren Schritt werden während der folgenden Freilauf-Phase zwischen zwei Leistungseinspeise-Phasen die Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c von dem Steuergerät 14 durch Bereitstellen der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1 , PWM2, PWM3 derart ange- steuert, dass beispielsweise erneut alle Highside-Schalter 10a, 10b, 10c in dem leitenden Zustand und alle Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c in dem nichtleitenden Zustand sind und so wieder alle Highside-Schalter 10a, 10b, 10c den Freilauf bilden. Somit werden während der Freilauf-Phasen nur die Highside-Schalter 10a, 10b,
10c belastet und damit erwärmt, die im Vergleich zu den Lowside-Schaltern 12a, 12b, 12c eine bessere Kühlanbindung aufweisen. Somit erwärmt sich die Schaltungsanordnung 2 durch den beschriebenen Betrieb während der Freilauf- Phasen langsamer, so dass dem BLDC-Motor 4 mehr Energie zugeführt werden kann. Ferner kann bei gleichbleibender Motorleistung des BLDC-Motors 4 die
Schaltungsanordnung 2 kleiner dimensioniert werden, was den Bauraumbedarf für die Schaltungsanordnung und die Kosten für die Schaltungsanordnung 2 reduziert. Wenn sich durch die Belastung der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c diese zu stark erwärmt haben und dies durch das Bestimmen der Temperatur der Highside-Schalter 10a, 10b, 10c und/oder der Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c festgestellt wurde, kann das Steuergerät 14 durch Bereitstellen der
pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1 , PWM2, PWM3 nun die Lowside- Schalter 12a, 12b, 12c in einer weiteren Freilauf-Phase derart ansteuert, dass nun die Lowside-Schalter 12a, 12b, 12c während der weiteren Freilauf-Phasen in dem leitenden Zustand sind.
Es erfolgt also ein Belastungswechsel von den Highside-Schaltern 10a, 10b, 10c zu den Lowside-Schaltern 12a, 12b, 12c während dieser weiteren Freilauf- Phase.
Somit erwärmt sich die Schaltungsanordnung 2 durch den beschriebenen Betrieb mit diesen Freilauf-Phasen noch langsamer, so dass dem BLDC-Motor 4 noch mehr Energie zugeführt werden kann bzw. bei gleichbleibender Motorleistung des BLDC-Motors 4 die Schaltungsanordnung 2 noch kleiner dimensioniert werden kann.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung (2) mit mindestens drei Steuerstufen (8a, 8b, 8c) für mindestens drei Phasen (u, v, w), wobei jede der Steuerstufen (8a, 8b, 8c) einen Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und einen Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) aufweist, wobei jeder der Highside-Schalter
(10a, 10b, 10c) und der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in einen elektrisch leitenden Zustand und in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand bringbar ist, mit den Schritten:
Bestimmen einer die Temperatur der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und/oder der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) beeinflussenden Größe,
gruppenweises Auswählen entweder der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in Abhängigkeit von der die Temperatur beeinflussenden Größe, und
Ansteuern der ausgewählten Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in einer Freilauf-Phase derart, dass die ausgewählten Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) während der Freilauf-Phase einen Freilauf bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem während der Freilauf-Phase die ausge- wählten Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b,
12c), die den Freilauf bilden, in dem leitenden Zustand sind und die anderen Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in dem nicht-leitenden Zustand sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als die die Temperatur beeinflussende Größe eine Verlustleistung, ein Strom und/oder eine Temperatur der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und/oder der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim gruppenweisen Auswählen die die Temperatur beeinflussende Größe mit einem Temperaturgrenzwert verglichen wird, und auf ein Überschreiten des Tempe- raturgrenzwertes hin die den Temperaturgrenzwert nicht überschreitenden Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die die Temperatur beeinflussende Größe der Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und der Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) bestimmt wird und die Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) oder Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) mit der geringeren die Temperatur beeinflussenden Größe ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Halbleiterbaustein (16) verwendet wird, auf dem die Highside-Schalter (10a, 10b, 10c) und die Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) angeordnet sind, wobei die Highside- Schalter (10a, 10b, 10c) in einem Mittelabschnitt (18) des Halbleiterbausteins und die Lowside-Schalter (12a, 12b, 12c) in einem Randabschnitt (20) des Halbleiterbausteins (16) angeordnet sind.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 8.
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