WO2019034504A1 - Verfahren zum ansteuern mindestens eines halbleiter-schalters, insbesondere in einem bauteil eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum ansteuern mindestens eines halbleiter-schalters, insbesondere in einem bauteil eines kraftfahrzeugs Download PDF

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WO2019034504A1
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control voltage
limit value
semiconductor switch
voltage
tolerance range
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Thorsten BAUMHOEFER
Rostislav Rogov
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Inverters used in this case usually have a plurality of transistors which have corresponding ones
  • Control voltages can be controlled. It's over
  • the semiconductor switches are preferably semiconductor transistors.
  • the semiconductor switches may be high performance semiconductors
  • insulated-gate bipolar transistors short IGBT
  • semiconductor switches based on silicon carbide SiC
  • the semiconductor switches are preferably provided in an inverter of an electric vehicle or a hybrid vehicle as the component. But it is also possible that the semiconductor switches in an on-board DC-DC converter
  • the component can also be an inverter such as, for example, a B6 bridge.
  • Semiconductor switches can be controlled either unipolar (with a positive voltage) or bipolar (with a positive and a negative voltage).
  • the method described can be used to monitor one, several or all semiconductor switches of the component.
  • the semiconductor switches may preferably be controlled via a voltage applied between gate and source. This voltage is referred to here as the control voltage. Alternatively, this voltage may also be referred to as a gate voltage.
  • the determination of the control voltage to be used can in particular be the result of
  • the standard ISO 26262 for functional safety is preferably observed.
  • step al) a control voltage for a semiconductor switch is referred to herein as driving the semiconductor switch.
  • steps al) and a2) of the described method at least one semiconductor switch can be switched.
  • the control voltage can in particular by a corresponding
  • Voltage source such as a DC-DC converter can be specified.
  • the voltage source is preferably carried out digitally.
  • the voltage source is designed analogously. Specifying the control voltages can in particular be such that the exact height of the predetermined control voltage is not known. Instead, it is only known that the actual default
  • Control voltage within the tolerance range which may be given in particular by a setpoint, is located.
  • the desired value is preferably identical to a desired value for the control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch.
  • the setpoint value can also be selected differently from the desired value. This is preferably done such that a deviation of the voltage output from the voltage source is compensated by the desired value, so that the actual voltage applied to the at least one semiconductor switch control voltage is particularly close to the desired value.
  • Tolerance range which can also be referred to as a tolerance band in particular, can be determined for example by a worst-case analysis. In particular, long-term and / or aging effects in DC-DC converters (such as a drift of the DC-DC voltage reference via the life of the DC-DC converter) are taken into account.
  • the tolerance range is determined such that the predetermined
  • step a2) of the described method it is monitored whether a control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch exceeds at least one limit value.
  • the actually applied control voltage can in particular be determined from the control voltage specified according to step al) and further
  • the actually applied control voltage may exceed the at least one limit value even if (which is preferred) the at least one limit value is outside the tolerance range of the predetermined one
  • Control voltage is.
  • This range the more expensive the development and / or production of the semiconductor switch can be. With the method described, it can be achieved, in particular, that this range can be selected to be particularly small, so that particularly cost-effective semiconductor switches can be used.
  • control voltage in addition to the predetermined according to step al) control voltage may in particular also comprise other components
  • control voltage may in particular also comprise other components
  • step b1 a difference between the control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch and the at least one limit value is determined.
  • a relative deviation of the actually applied control voltage from the at least one limit value are determined. In particular, it does not depend on an absolute determination of voltage values, for example, with respect to a fixed reference potential. Such a comparison could be particularly costly and expensive.
  • the at least one control time is preferably immediately after switching on the motor vehicle. Further control times, for example at regular intervals during operation of the motor vehicle, are possible.
  • control voltage can also be diagnosed.
  • diagnosis can be, in particular, to collect successive data sets for different operating points.
  • An operating point is preferably defined by at least one (preferably several) of the following parameters:
  • the diagnosis can be correlated with other voltage measurement points already present on the module.
  • an adjustment can be made between high-side and low-side supply voltages.
  • the software knows the real monitoring limits and where the set control voltage or the operating point relative to these real
  • the software can store three duty-cycle values that belong to one operating point (9kHz PWM switching operation). 410 corresponds to the duty cycle 41% and factory default, 360 - 36% and undervoltage error, 520 - 52% and overvoltage error.
  • the data can be processed internally in the car in the simple configuration stage, in the higher expansion stage, the data can be transmitted to stationary servers (for example via a cloud), which would allow intelligent data analysis and comparison with other measurement data (in particular in the context of Big Data).
  • step al the control voltage predetermined according to step al) is manipulated using the result of step bl).
  • the method thus takes place a control of a semiconductor switch with a control voltage, which is possibly manipulated.
  • control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch can be particularly close to a desired value.
  • the desired value can in particular be chosen so that in this a particularly reliable and safe
  • Circuit of the at least one semiconductor switch can take place.
  • a particularly low degree of uncertainty about the actual applied control voltage can be achieved by the manipulation.
  • the manipulation can be carried out in particular relative to the at least one limit value.
  • the manipulation does not have to be fixed
  • Control voltage can be specified according to the described method with a relatively large tolerance range, with the manipulation still a particularly low uncertainty about the actual applied control voltage can be achieved.
  • the described method may allow the same circuit to provide a nominally narrower tolerance range.
  • a mere regulation of a tension should not be understood as manipulation.
  • the manipulation can be carried out in particular by changing a setpoint value for a voltage source which provides the control voltage. This means in particular that by manipulating the setpoint of
  • Control voltage corresponds to the desired value.
  • the desired value the desired value
  • Control value can be) changed.
  • Manipulation step by step for example in steps of 100 mV.
  • the manipulation can take place until a corresponding exceeding of a limit value has been detected.
  • the manipulation is done in digital form.
  • digital electronics can be used for this purpose.
  • the manipulation can be done by software. For example, with a software in a control loop of a
  • a duty cycle is defined by software.
  • Embodiments are present.
  • the embodiments specified here can in particular supplement the respective preceding embodiments.
  • Monitoring range gradually adjusted, e.g. in lOOmV steps. This can be done in particular for diagnostic purposes, with no application in IGBT switching operation.
  • control voltage is adjusted
  • the tolerance ranges are reduced and moved closer to each other, because the worst-case analysis on
  • Circuit level no longer includes the long-term effects.
  • the upper limit value is preferably set such that the semiconductor switch can be safely operated at least below the upper limit value, with no damage being caused to the semiconductor switch in particular. With a control voltage above the upper limit value (for safety reasons, preferably even above a value distanced from the upper limit value), the semiconductor switch may be damaged.
  • the lower limit value is preferably set such that the semiconductor switch can be safely switched at least above the lower limit value. At a control voltage below the lower limit (off
  • the at least one limit value is at least one safety difference away from the tolerance range.
  • control voltage given in step al may preferably not be out of tolerance, at least in a word-case analysis, external influences may be added (such as external voltages added to the control voltage). External influences can be particularly in the frame
  • the safety difference may be required due to the function assurance.
  • the safety difference is preferably 1 V to 2 V [volts], in particular 1.5 V.
  • a respective monitoring area is monitored in step a2) for the at least one limit value.
  • the exceeding of the at least one limit value can be carried out in particular with a corresponding electronics, for example on a chip.
  • the electronics can in particular be designed such that an action
  • a break in the control voltage takes place when the control voltage exceeds the corresponding limit.
  • the electronics it is possible for the electronics to do this exactly, i. that the action is carried out as soon as the control voltage exceeds exactly the at least one limit value.
  • the action it is preferred that the action be performed at a value only known to be within the corresponding monitoring area.
  • the electronics are thus preferably designed such that the corresponding action is carried out when a value not known in detail passes, but which lies at least within the respective monitoring area.
  • the at least one semiconductor switch is preferably designed in particular such that a safe switching between the upper limit and the lower limit is possible without damaging the semiconductor switch.
  • the monitoring ranges corresponding to the limit values are particularly close to each other. Basically, the possible distance of the monitoring areas but by the width of the tolerance range of the voltage source for the
  • Control voltage given if a particularly high reliability is desired. If the monitored areas overlap with the tolerance range, it can generally happen that the action to be triggered during the monitoring (for example a switch-off of the control voltage) is carried out in normal operation. This is especially out
  • the monitoring areas and the tolerance range partially overlap.
  • control voltage Due to the manipulation of the control voltage, it can be ensured in particular that the actual applied control voltage does not fall into a monitored area at any time despite the overlapping of the monitored areas with the tolerance range. This is because manipulation allows a nominally narrower tolerance range to be achieved.
  • the difference between the actually applied control voltage and the at least one limit value in step bl) is determined by manipulating the control voltage predetermined according to step a) to the extent that, according to step a2), exceeding the at least one limit value is recognized.
  • control voltage can according to the described method for a particular after the control time (preferably permanently), whereby the control voltage can be brought particularly close to a desired value.
  • control time preferably permanently
  • Control voltage and the at least one limit in step bl) to determine.
  • the manipulation can be done in the same manner, in particular by changing the setpoint of a voltage source.
  • the control voltage is preferably manipulated such that the at least one limit value (preferably all limit values, in particular the upper limit value and the lower limit value) is exceeded.
  • the control voltage is preferably manipulated over a corresponding range such that the thresholds
  • the low-value exceeding of the limit values is consciously carried out in step b1).
  • it can be determined what extent of the manipulation is necessary to exceed a certain limit.
  • the extent of the manipulation can correspond in particular to the difference to be determined between the actually applied control voltage and the corresponding limit value.
  • test coverage can be increased by the present embodiment.
  • an overvoltage shutdown in each motor vehicle (and not just in prototypes) can be tested individually.
  • control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch can be individually selected for each motor vehicle (and not just as a compromise for an entire vehicle series).
  • long-term effects can be compensated, for example, in an electronic system for monitoring the exceeding of the at least one limit value and / or in a DC-DC converter which specifies the control voltage according to step al).
  • aging effects such as a drift in the DC-DC voltage reference over the life of the DC-DC converter may result in an adjustment of the gate voltage by several hundred millivolts. This can be compensated with the described method.
  • a temperature influence For example, a temperature influence
  • the short-term effects can be learned in particular with the described method and / or be known from other sources.
  • methods are learned that the control voltage drifts away significantly at a particularly high temperature at a certain operating point in a certain direction. To compensate for the control voltage can then be manipulated so that it comes closer to the desired value.
  • Control voltage can be brought so close to a desired value for the control voltage specified in step al).
  • Range of the motor vehicle can be increased.
  • Control voltage in step bl) manipulated over a range between an upper limit and a lower limit.
  • this embodiment it can be determined at the control time how large a relative distance between the upper limit value and an actually applied control voltage and between the lower limit value and the actually applied control voltage is.
  • a manipulation can take place in such a way that the actually applied control voltage in the middle (or at another value predetermined relative to the limit values) lies between the upper limit value and the lower limit value.
  • the range can be determined within which the control voltage (at least under existing conditions such as a temperature or operating point and against the background of long-term effects such as an aging of a voltage source) can be adjusted securely.
  • this area can be defined by the real limits at which monitoring of the monitoring areas actually triggers.
  • a control unit is presented, which is set up for switching at least one semiconductor switch according to the described method.
  • a "calibration function" may be performed, where a manipulated variable may be adjusted to meet system availability requirements and, in particular, a relative position of the control voltage may be adjusted to monitor limits.
  • a "performance function" may be performed, in which the control voltage may be increased to the highest allowed value, in particular to reduce on-line losses, which may be automatic at high temperatures, but may also occur
  • a "lifetime function" may be performed, whereby, for example, for semiconductors that are severely stressed over a product lifetime, the control voltage may be systematically lowered to extend the life.
  • an "anomaly analysis” may take place, in particular to prevent defects. Adjusting the monitoring limits are diagnosed. Also, an increased power intake can be diagnosed.
  • a signal of a "sports mode switch" may be processed prior to the process, and a driver may then decide for himself if he wants more performance at the expense of semiconductor life expectancy and performance
  • the on-state control voltage may be lowered from 16V to 13V for a lower start in the
  • FIG. 1 shows an illustration of a first example of an IGBT drive
  • FIG. 2 shows a representation of a second example of an IGBT drive
  • Fig. 4 two representations of control voltages, the state of the
  • 5 shows an illustration of a control voltage according to a first
  • Embodiment of a method for driving at least one semiconductor switch in a component of a motor vehicle Embodiment of a method for driving at least one semiconductor switch in a component of a motor vehicle
  • FIG. 6 shows an illustration of a control voltage according to a second
  • Embodiment of a method for driving at least one semiconductor switch in a component of a motor vehicle Embodiment of a method for driving at least one semiconductor switch in a component of a motor vehicle
  • FIG. 8 shows a flow chart of the method described.
  • FIG. 1 shows a representation of a first example of an IGBT drive.
  • an IGBT 10 is driven by a driver 11.
  • the driver 11 comprises a monitoring circuit 12, which monitors a positive voltage 13 and a negative voltage 14, which are supplied to the driver, and optionally outputs an error message 15.
  • the driver 13 comprises a drive unit 16 for driving the IGBT 10.
  • Fig. 2 is an illustration of a second example of an IGBT driver.
  • an IGBT 10 with a driver 11 is shown.
  • the driver 11 is given an input voltage 17 here. From this, a positive voltage 13 and a negative voltage 14 are obtained in a DC-DC converter 18.
  • the driver 11 has a monitoring circuit 12 and a drive unit 16. In particular, in the case of the IGBT control shown in FIG. 2, no communication takes place between the DC-DC converter 18 and the
  • FIG. 3 shows an illustration of a third example of an IGBT drive.
  • the third example of the IGBT drive is based in particular on the second example shown in FIG. 2 as a starting point.
  • a communication between the DC-DC converter 18 and the monitoring circuit 12 is provided, which is indicated by an arrow. Through this communication, in particular a manipulation of a
  • Control voltage using a result of a determination of a difference between an actual applied control voltage and a threshold according to the above-described step bl).
  • Control voltage 1 is set by a voltage source such that the control voltage 1 is within a tolerance range 2.
  • the tolerance range 2 is arranged around a desired value 7 and lies between an upper limit value 4 and a lower limit value 5. Between the tolerance range 2 and the upper limit value 4 and between the tolerance range 2 and the lower limit value 5 is in each case one
  • Surveillance area 3 provided.
  • the left and right view in FIG. 4 differs by the width of the tolerance range 2 and the distance between the monitoring areas 3.
  • the tolerance range 2 (ie the guaranteed supply band) is substantially greater than preferred.
  • the common solution is to specify the fixed value of the control voltage once for the entire product lifetime in the development phase and to monitor permanently for under and overvoltage.
  • the monitoring takes place i.d.R. by a built-in driver voltage measurement with fixed thresholds that are not manipulated regularly over the term.
  • the undervoltage function is periodically shut down by the
  • Supply voltage tested in each drive cycle in particular, a driver can report an error to a corresponding control unit.
  • the typical desired arrangement from the development point of view is shown on the right in FIG.
  • the tolerance range 2 ie the middle band
  • the tolerance range 2 is substantially reduced here in comparison with the left-hand illustration of FIG. 4, e.g. to a width of 1 V.
  • tolerance ranges 2 Compression of tolerance ranges 2 means.
  • a more accurate voltage reference would be in each monitoring circuit necessary.
  • a narrow tolerance range 2 would pose a challenge with DC-DC.
  • a high-precision voltage reference and precise voltage dividers would be required.
  • such high costs may arise for analog or digital feedback transmission components (eg for optocouplers).
  • Dynamically larger capacities may be required for the load change case, which can also be associated with high costs.
  • FIG. 5 shows an illustration of a control voltage 1 which according to a first exemplary embodiment of a method for driving at least one
  • Semiconductor switch is manipulated in a component of a motor vehicle.
  • the monitoring areas 3 are arranged as in FIG. 4. Also the
  • Tolerance range 2 has the same width as in FIG. 4. However, manipulation of the control voltage 1 within a manipulation range 6 takes place at at least one check time. The relative position of an actually output control voltage 1 to the upper limit value 4 and the lower limit value 5 or in particular to the voltage values at which a monitoring of the monitoring areas 3 actually triggers. By subsequent (permanent) manipulation, the control voltage 1 can be brought very close to the desired value 7.
  • FIG. 6 shows an illustration of a control voltage 1, which according to a second exemplary embodiment of a method for driving at least one
  • FIG. 7 shows an example of an electrical circuit with which the manipulation according to FIG. 5 or 6 can be carried out.
  • Fig. 8 illustrates that taking place within the scope of the method
  • Step bl relates to the determination of a difference between the control voltage actually applied to the at least one semiconductor switch and the limit value.
  • a manipulation 9 of the specification of the control voltage (step al) is preferably carried out at control times and thus not permanently or with a lower repetition frequency than the method steps al) and a2).

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Abstract

Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs, wobei der mindestens eine Halbleiter-Schalter mit einer Steuerungsspannung (1) gemäß der folgenden Verfahrensschritte geschaltet werden kann: a1) Vorgeben der Steuerungsspannung (1) in einem Toleranzbereich (2), a2) Überwachen, ob eine tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung (1) mindestens einen Grenzwert (4,5) überschreitet, wobei an mindestens einem Kontrollzeitpunkt zumindest der folgende Verfahrensschritt durchgeführt wird: b1) Ermitteln einer Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerungsspannung (1) und dem mindestens einen Grenzwert, wobei die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung (1) nach dem mindestens einen Kontrollzeitpunkt unter Verwendung des Ergebnisses von Schritt b1) manipuliert wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters, insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs
Stand der Technik
Bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb ist es üblich, Antriebsmotoren über Wechselrichter mit Strom zu versorgen. Dabei verwendete Wechselrichter weisen üblicherweise mehrere Transistoren auf, die über entsprechende
Steuerungsspannungen angesteuert werden können. Dabei ist es aus
Sicherheitsgründen erforderlich, dass die Ansteuerung der Transistoren überwacht wird. Insbesondere sind sicherheitskritische Fehlfunktionen mit besonderer Zuverlässigkeit auszuschließen. Das führt regelmäßig zu besonders hohen Anforderungen an die verwendeten Transistoren, wodurch insbesondere hohe Kosten entstehen.
Überspannungsabschaltungen werden auf der Straße im Fahrzyklus nicht bezüglich der genauen Spannungslage getestet. Eine Gate-Überspannung kann aber gerade eine sofortige Beschädigung der Leistungshalbleiter verursachen. Die Steuerungsspannungen werden einmal in der Entwicklung als Kompromiss festgelegt. Das kann zu unnötigen Performance-Einbußen und Deratings führen.
Offenbarung der Erfindung
Hier wird ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Die abhängigen Ansprüche geben besonders vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens an. Mit dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere eine besonders zuverlässige Überwachung der Halbleiter-Schalter erfolgen. Dabei sind die an die Halbleiter-Schalter gestellten Anforderungen vergleichsweise gering, so dass durch das beschriebene Verfahren besonders kostengünstige Halbleiter-Schalter verwendet werden können. Insbesondere können mit dem beschriebenen Verfahren die Stück- und Entwicklungskosten für die Halbleiter-Schalter gesenkt werden. Dazu kann insbesondere die Auslegung und die Design-Absicherung von Langzeiteffekten vereinfacht werden. Das ist der Fall, weil ein Komponenten- Zulieferer regelmäßig theoretische Aussagen treffen bzw. Versuche durchführen muss und eine entsprechende Schaltungs-Absicherung für ungünstige
Betriebssituationen (worst-case -Szenarien) vornehmen muss. Weiterhin können mit der vorliegenden Erfindung wertvolle Informationen zum Thema
Bauteilsteuerung und Langzeiteffekte im Feld gesammelt werden. Solche Daten sind insbesondere für die statistische Auswertung interessant.
Die Halbleiter-Schalter sind vorzugsweise Halbleiter-Transistoren. Insbesondere kann es sich bei den Halbleiter-Schaltern um Hochleistungs-Halbleiter
(vorzugsweise sogenannte insulated-gate bipolar transistors, kurz IGBT) oder um Halbleiter-Schalter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) handeln. Die Halbleiter- Schalter sind vorzugsweise in einem Wechselrichter eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs als dem Bauteil vorgesehen. Es ist aber auch möglich, dass die Halbleiter-Schalter in einem on-board DC-DC-Wandler eines
Elektrofahrzeugs als dem Bauteil vorgesehen sind. Bei dem Bauteil kann es sich zudem insbesondere um einen Wechselrichter wie beispielsweise eine B6- Brücke handeln. Die Versorgung entsprechender Treiber, mit denen die
Halbleiter-Schalter angesteuert werden können, kann entweder unipolar (mit einer positiven Spannung) oder bipolar (mit einer positiven und einer negativen Spannung) erfolgen.
Das beschriebene Verfahren kann zur Überwachung eines, mehrerer oder aller Halbleiter-Schalter des Bauteils verwendet werden.
Die Halbleiter-Schalter können vorzugsweise über eine zwischen Gate und Source angelegte Spannung gesteuert werden. Diese Spannung wird hier als Steuerungsspannung bezeichnet. Alternativ kann diese Spannung auch als Gatespannung bezeichnet werden. Die Festlegung der zu verwendenden Steuerungsspannung kann insbesondere das Ergebnis von
Entwicklungsaktivitäten sein. Dabei kann die zu verwendende Steuerungsspannung insbesondere als ein Kompromiss zwischen einer besonders guten Performance, einer besonders guten Verfügbarkeit, einer besonders langen Halbleiter-Lebenserwartung und/oder besonders niedrigen Treiber- und/oder Halbleiter- Kosten gewählt werden. Insbesondere die Norm ISO 26262 zur funktionalen Sicherheit wird dabei vorzugsweise beachtet.
Die Vorgabe bzw. die Ausgabe einer Steuerspannung für einen Halbleiter- Schalter wird hier als Ansteuerung des Halbleiter-Schalters bezeichnet. Gemäß der Schritte al) und a2) des beschrieben Verfahrens kann mindestens ein Halbleiter-Schalter geschaltet werden. Dazu wird in Schritt al) eine
Steuerungsspannung in einem Toleranzbereich vorgegeben.
Die Steuerungsspannung kann insbesondere von einer entsprechenden
Spannungsquelle wie beispielsweise einem DC-DC-Wandler vorgegeben werden. Die Spannungsquelle ist vorzugsweise digital ausgeführt. Alternativ ist es aber auch bevorzugt, dass die Spannungsquelle analog ausgeführt ist. Das Vorgeben der Steuerungsspannungen kann insbesondere derart erfolgen, dass die genaue Höhe der vorgegebenen Steuerungsspannung nicht bekannt ist. Stattdessen ist nur bekannt, dass sich die tatsächlich vorgegebene
Steuerungsspannung innerhalb des Toleranzbereichs, der insbesondere um einen Sollwert gegeben sein kann, befindet. Der Sollwert ist vorzugsweise grundsätzlich identisch zu einem für die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung gewünschten Wert gewählt. Durch das beschriebene Verfahren kann der Sollwert aber insbesondere auch von dem gewünschten Wert abweichend gewählt werden. Das erfolgt vorzugsweise derart, dass eine Abweichung der von der Spannungsquelle ausgegebenen Spannung von dem gewünschten Wert ausgeglichen wird, so dass die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung besonders nah an dem gewünschten Wert liegt.
Es wäre prinzipiell möglich, die Steuerungsspannung exakt vorzugeben. Das ist aber aufwendig und kann insbesondere hohe Kosten verursachen. Der
Toleranzbereich, der insbesondere auch als ein Toleranzband bezeichnet werden kann, kann beispielsweise durch eine Worst-Case- Analyse ermittelt werden. Dabei können insbesondere Langzeit- und/oder Alterungseffekte in DC- DC-Wandlern (wie beispielsweise ein Drift der DC-DC-Spannungsreferenz über die Lebensdauer des DC-DC-Wandlers) berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist der Toleranzbereich derart bestimmt, dass die vorgegebene
Steuerungsspannung zu keinem Zeitpunkt (insbesondere auch über eine gesamte Lebensdauer eines entsprechenden DC-DC-Wandlers) und unter keinen Bedingungen (also insbesondere an keinem Arbeitspunkt) außerhalb des Toleranzbereichs liegt.
In Schritt a2) des beschriebenen Verfahrens wird überwacht, ob eine tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung mindestens einen Grenzwert überschreitet.
Die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung kann sich insbesondere aus der gemäß Schritt al) vorgegebenen Steuerungsspannung und weiteren
Komponenten wie beispielsweise Fehlspannungen zusammensetzen. Damit kann die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung den mindestens einen Grenzwert auch dann überschreiten, wenn (was bevorzugt ist) der mindestens eine Grenzwert außerhalb des Toleranzbereichs der vorgegebenen
Steuerungsspannung liegt.
Je größer die Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter ist, umso größer muss der Bereich des Halbleiter-Schalters gewählt sein, in dem dieser zuverlässig betrieben werden kann. Je größer dieser Bereich ist, umso teurer kann die Entwicklung und/oder Herstellung des Halbleiter-Schalters sein. Mit dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere erreicht werden, dass dieser Bereich besonders klein gewählt werden kann, so dass besonders kostengünstige Halbleiter- Schalter verwendet werden können.
Insbesondere damit die Ungewissheit über die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung (die neben der gemäß Schritt al) vorgegebenen Steuerungsspannung insbesondere auch weitere Komponenten umfassen kann) besonders gering sein kann, wird gemäß dem beschriebenen Verfahren an mindestens einem Kontrollzeitpunkt ein Schritt bl) durchgeführt. In Schritt bl) wird eine Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert ermittelt. Dadurch kann insbesondere eine relative Abweichung der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung von dem mindestens einen Grenzwert ermittelt werden. Es kommt dabei insbesondere nicht auf eine absolute Feststellung von Spannungswerten etwa gegenüber einem festen Referenzpotential an. Ein solcher Vergleich könnte besonders aufwendig und teuer sein.
Der mindestens eine Kontrollzeitpunkt liegt vorzugsweise unmittelbar nach einem Einschalten des Kraftfahrzeugs. Weitere Kontrollzeitpunkte, beispielsweise in regelmäßigen Abständen während des Betriebs des Kraftfahrzeugs, sind möglich.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens kann insbesondere auch die Steuerungsspannung diagnostiziert werden. Die Diagnose kann insbesondere darin bestehen, sukzessive Datensätze zu verschiedenen Arbeitspunkten zu sammeln. Ein Arbeitspunkt ist bevorzugt durch zumindest einen (bevorzugt mehrere) der folgenden Parameter definiert:
- der Wechselrichter-Arbeitsmodus (Standby, Taktbetrieb),
- Schaltfrequenz des Treibers (falls getaktet),
- der digitalisierte Stellwert des Wandlers (in der Regel duty
cycle)„Werkseinstellung" ohne Manipulation,
- der digitalisierte Stellwert des Wandlers, bei dem der Überspannungsfehler gemeldet wurde,
- der digitalisierte Stellwert des Wandlers, bei dem der Unterspannungsfehler gemeldet wurde,
- Angaben, die den Datensatz ergänzen könnten,
- Digitalwert als Abbild der Gate-Versorgungsspannung (oft über die
Hilfswicklung verfügbar), und
- Temperatur (Kühlflüssigkeit, PCB).
Die Diagnose kann mit anderen auf der Baugruppe bereits vorhandenen Spannungsmesspunkten korreliert werden. So kann insbesondere ein Abgleich zwischen High-side und Low-side-Versorgungsspannungen erfolgen.
Die Software kennt die realen Überwachungsgrenzen und wo die gestellte Steuerungsspannung bzw. der Arbeitspunkt relativ zu diesen realen
Überwachungsgrenzen liegt. Beispielsweise kann die Software drei duty-cycle-Werte speichern, die zu einem Arbeitspunkt (9kHz PWM Schaltbetrieb) gehören. 410 entspricht dem duty cycle 41% und Werkeinstellung, 360 - 36% und Unterspannungsfehler, 520 - 52% und Überspannungsfehler. Die Daten können in der einfachen Ausbaustufe intern im Auto verarbeitet werden, in der höheren Ausbaustufe können die Daten an stationäre Server übertragen werden (beispielsweise über eine Cloud), was eine intelligente Datenauswertung und einen Abgleich mit anderen Messdaten ermöglichen würde (insbesondere im Rahmen von Big Data).
Nach dem mindestens einen Kontrollzeitpunkt wird die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung unter Verwendung des Ergebnisses von Schritt bl) manipuliert. Mit dem Verfahren erfolgt also eine Ansteuerung eines Halbleiter-Schalters mit einer Steuerspannung, die ggf. manipuliert wird.
Durch die Manipulation kann die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter- Schalter anliegende Steuerungsspannung insbesondere besonders nahe an einem gewünschten Wert liegen. Der gewünschte Wert kann insbesondere so gewählt sein, dass bei diesem eine besonders zuverlässige und sichere
Schaltung des mindestens einen Halbleiter-Schalters erfolgen kann. Durch die Manipulation kann insbesondere eine besonders geringe Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung erreicht werden.
Die Manipulation kann insbesondere relativ zu dem mindestens einen Grenzwert erfolgen. Insbesondere muss die Manipulation damit nicht auf ein festes
Referenzpotential gerichtet sein, was besonders aufwendig sein könnte.
Insbesondere damit unterscheidet sich die Manipulation gemäß dem
beschriebenen Verfahren von einem Fall, in dem bloß eine Steuerungsspannung mit einem besonders kleinen Toleranzbereich vorgegeben wird. Die
Steuerungsspannung kann gemäß dem beschriebenen Verfahren mit einem verhältnismäßig großen Toleranzbereich vorgegeben werden, wobei durch die Manipulation dennoch eine besonders geringe Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung erreicht werden kann. Damit kann das beschriebene Verfahren erlauben, dass die gleiche Schaltung einen nominell engeren Toleranzbereich liefert. Insbesondere soll ein bloßes Regeln einer Spannung nicht als Manipulation verstanden werden. Die Manipulation kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein Sollwert für eine Spannungsquelle, die die Steuerungsspannung bereitstellt, verändert wird. Das bedeutet insbesondere, dass durch die Manipulation der Sollwert der
Spannungsquelle nicht mehr dem für die tatsächlich anliegende
Steuerungsspannung gewünschten Wert entspricht. Insbesondere kann der
Sollwert für einen DC-DC-Wandler (der insbesondere in einem digitalen
Stellwert bestehen kann) verändert werden. Vorzugsweise erfolgt die
Manipulation schrittweise, beispielsweise in 100-mV-Schritten. Insbesondere kann die Manipulation so lange erfolgen, bis eine entsprechende Überschreitung eines Grenzwertes erkannt wurde. Vorzugsweise erfolgt die Manipulation in digitaler Form. Dazu kann insbesondere eine digitale Elektronik eingesetzt werden. Insbesondere kann die Manipulation durch eine Software erfolgen. So kann beispielsweise mit einer Software in eine Regelschleife einer
spannungsgenerierenden Wandler- Stufe eingegriffen werden. Vorzugsweise wird ein duty cycle durch eine Software definiert.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere auch in den folgenden
Ausführungsformen vorliegen. Die hier angegebenen Ausführungsformen können insbesondere die jeweils vorhergehenden Ausführungsformen ergänzen.
Dadurch steigt die Komplexität von einer Ausführungsform zur nächsten.
- in einer ersten Ausführungsform wird die Steuerungsspannung im vollen
Überwachungsbereich stufenweise verstellt, z.B. in lOOmV-Schritten. Das kann insbesondere zu Diagnosezwecken erfolgen, wobei keine Anwendung im IGBT-Schaltbetrieb erfolgt.
- in einer zweiten Ausführungsform wird die Steuerungsspannung verstellt
(statisch und/oder dynamisch im IGBT-Schaltbetrieb), z.B. zur Kompensation von Langzeiteffekten
- in einer dritten Ausführungsform werden die Toleranzbereiche verkleinert und näher zueinander verschoben, weil die Worst-Case-Analyse auf
Schaltungsebene die Langzeiteffekte nicht mehr beinhaltet.
- in einer vierten Ausführungsform werden die zulässigen
Überwachungsgrenzen verengt, wobei eine bewusste Überschneidung der theoretischen Toleranzbereiche erfolgt. Die Kosten der theoretisch verletzten Verfügbarkeit können mit den realen Einsparungen bei den Halbleiter- Stück- und Entwicklungskosten verrechnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a2) ein oberer Grenzwert oberhalb des Toleranzbereichs und ein unterer Grenzwert unterhalb des Toleranzbereichs überwacht.
Der obere Grenzwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass der Halbleiter- Schalter zumindest unterhalb des oberen Grenzwerts sicher betrieben werden kann, wobei es insbesondere zu keiner Beschädigung des Halbleiter-Schalters kommt. Bei einer Steuerungsspannung oberhalb des oberen Grenzwertes (aus Sicherheitsgründen vorzugsweise sogar erst oberhalb eines von dem oberen Grenzwert nach oben beabstandeten Wert) kann es zu einer Beschädigung des Halbleiter-Schalters kommen.
Der untere Grenzwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass der Halbleiter- Schalter zumindest oberhalb des unteren Grenzwerts sicher geschaltet werden kann. Bei einer Steuerungsspannung unterhalb des unteren Grenzwertes (aus
Zuverlässigkeitsgründen vorzugsweise sogar erst unterhalb eines von dem unteren Grenzwert nach unten beabstandeten Wert) kann es zu einer
Fehlfunktion des Halbleiter-Schalters kommen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der mindestens eine Grenzwert mindestens um eine Sicherheitsdifferenz von Toleranzbereich entfernt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann insbesondere die ISO-Norm 26262 erfüllt werden. Die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung kann zwar vorzugsweise zumindest im Rahmen einer Wort-Case- Analyse nicht außerhalb des Toleranzbereichs liegen, es können aber externe Einflüsse hinzukommen (wie z.B. externe Spannungen, die auf die Steuerungsspannung addiert werden). Externe Einflüsse können insbesondere im Rahmen
sogenannter latenter Fehler auftreten. Obwohl die gemäß Schritt al)
vorgegebene Steuerungsspannung gemäß der theoretischen worst-case Absicherung im Normalbetrieb den Toleranzbereich nicht verlassen kann, kann die Sicherheitsdifferenz aufgrund der Funktionssicherung erforderlich sein. Die Sicherheitsdifferenz beträgt vorzugsweise 1 V bis 2 V [Volt], insbesondere 1,5 V. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a2) für den mindestens einen Grenzwert ein jeweiliger Überwachungsbereich überwacht.
Die Überschreitung des mindestens einen Grenzwertes kann insbesondere mit einer entsprechenden Elektronik beispielsweise auf einem Chip erfolgen. Dabei kann die Elektronik insbesondere derart ausgelegt sein, dass eine Aktion
(beispielsweise ein Unterbrechen der Steuerungsspannung) erfolgt, wenn die Steuerungsspannung den entsprechenden Grenzwert überschreitet. Prinzipiell ist es möglich, dass die Elektronik dies exakt durchführt, d.h. dass die Aktion durchgeführt wird, sobald die Steuerungsspannung genau den mindestens einen Grenzwert überschreitet. Aus Kostengründen ist es aber bevorzugt, dass die Aktion bei einem Wert durchgeführt wird, von dem lediglich bekannt ist, dass dieser innerhalb des entsprechenden Überwachungsbereichs liegt. Die Elektronik ist also vorzugsweise derart ausgelegt, dass die entsprechende Aktion bei passieren eines nicht näher bekannten Wertes, der aber zumindest innerhalb des jeweiligen Überwachungsbereichs liegt, durchgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die
Überwachungsbereiche und der Toleranzbereich überlappungsfrei angeordnet.
Der mindestens eine Halbleiter-Schalter ist vorzugsweise insbesondere derart ausgelegt, dass ein sicheres Schalten zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert möglich ist, ohne dass der Halbleiter-Schalter dabei beschädigt würde. Je näher der obere Grenzwert und der untere Grenzwert aneinander liegen, umso einfacher und günstiger kann der Halbleiter-Schalter ausgeführt sein. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die den Grenzwerten entsprechenden Überwachungsbereiche besonders nahe aneinander liegen. Grundsätzlich ist der mögliche Abstand der Überwachungsbereiche dabei aber durch die Breite des Toleranzbereichs der Spannungsquelle für die
Steuerungsspannung vorgegeben, sofern eine besonders hohe Zuverlässigkeit gewünscht ist. Überlappen die Überwachungsbereiche mit dem Toleranzbereich, so kann es grundsätzlich dazu kommen, dass die bei der Überwachung auszulösende Aktion (beispielsweise ein Abschalten der Steuerungsspannung) im normalen Betrieb durchgeführt wird. Das ist insbesondere aus
Zuverlässigkeitsgründen regelmäßig auszuschließen. Ansonsten könnte es beispielsweise passieren, dass ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs plötzlich abgeschaltet wird, ohne dass ein tatsächliches Problem vorliegt.
Entsprechend ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die
Überwachungsbereiche nicht mit dem Toleranzbereich überlappen. Das beschriebene Verfahren kann aber auch ein Überlappen der
Überwachungsbereiche und des Toleranzbereichs ermöglichen, ohne dass die zuvor beschriebene grundsätzliche Problematik auftritt.
Dazu ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass die Überwachungsbereiche und der Toleranzbereich teilweise überlappen.
Bedingt durch die Manipulation der Steuerungsspannung kann insbesondere sichergestellt werden, dass die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung auch trotzt Überlappens der Überwachungsbereiche mit dem Toleranzbereich zu keinem Zeitpunkt in einen Überwachungsbereich fällt. Das liegt daran, dass durch das Manipulieren ein nominell engerer Toleranzbereich erreicht werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert in Schritt bl) dadurch ermittelt, dass die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung soweit manipuliert wird, dass gemäß Schritt a2) die Überschreitung des mindestens einen Grenzwertes erkannt wird.
Die Manipulation der Steuerungsspannung kann gemäß dem beschriebenen Verfahren zum einen insbesondere nach dem Kontrollzeitpunkt (vorzugsweise dauerhaft) erfolgen, wodurch die Steuerungsspannung besonders nahe an einen gewünschten Wert herangeführt werden kann. Zum anderen kann die
Manipulation der Steuerungsspannung aber auch am Kontrollzeitpunkt
(vorzugsweise einmalig oder an mehreren diskreten Kontrollzeitpunkten) erfolgen, um die Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden
Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert gemäß Schritt bl) zu ermitteln. In beiden Fällen (d.h. sowohl zur vorzugsweise dauerhaften Manipulation als auch zur vorzugsweise einmalig oder an mehreren diskreten Kontrollzeitpunkten durchgeführten Manipulation) kann die Manipulation aber auf die gleiche Art und Weise erfolgen, insbesondere durch Verändern des Sollwerts einer Spannungsquelle.
In Schritt bl) wird die Steuerungsspannung vorzugsweise derart manipuliert, dass der mindestens eine Grenzwert (vorzugsweise alle Grenzwerte, insbesondere der obere Grenzwert und der unterer Grenzwert) überschritten wird. Bei mehreren Grenzwerten wird die Steuerungsspannung vorzugsweise über einen entsprechenden Bereich manipuliert, so dass die Grenzwerte
(nacheinander) überschritten werden.
Das geringwertige Überschreiten der Grenzwerte wird in Schritt bl) bewusst durchgeführt. Dabei kann insbesondere ermittelt werden, welcher Umfang der Manipulation notwendig ist, um einen bestimmten Grenzwert zu überschreiten. Der Umfang der Manipulation kann dabei insbesondere der zu bestimmenden Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und dem entsprechenden Grenzwert entsprechen.
Durch die vorliegende Ausführungsform kann insbesondere die Testabdeckung vergrößert werden. So kann insbesondere eine Überspannungsabschaltung in jedem Kraftfahrzeug (und nicht etwa nur in Prototypen) individuell getestet werden. Auch kann die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung für jedes Kraftfahrzeug individuell gewählt werden (und nicht etwa nur als ein Kompromiss für eine ganze Fahrzeugserie).
Somit können insbesondere Langzeiteffekte beispielsweise in einer Elektronik zur Überwachung der Überschreitung des mindestens einen Grenzwerts und/oder in einem DC-DC-Wandler, der die Steuerungsspannung gemäß Schritt al) vorgibt, kompensiert werden. Beispielsweise können Alterungseffekte wie ein Drift der DC-DC-Spannungsreferenz über die Lebensdauer des DC-DC- Wandlers zu einer Verstellung der Gate-Spannung um mehrere Hundert Millivolt führen. Das kann mit dem beschriebenen Verfahren ausgeglichen werden.
Auch können mit dem beschriebenen Verfahren Kurzzeiteffekte (wie
beispielsweise ein Temperatureinfluss) ausgeglichen werden. Die Kurzzeiteffekte können insbesondere mit dem beschriebenen Verfahren erlernt werden und/oder aus anderen Quellen bekannt sein. So kann gemäß dem beschriebenen Verfahren insbesondere erlernt werden, dass die Steuerungsspannung bei besonders hoher Temperatur an einem bestimmten Arbeitspunkt in eine bestimmte Richtung signifikant wegdriftet. Zum Ausgleich kann daraufhin die Steuerungsspannung derart manipuliert werden, dass diese näher an den gewünschten Wert herankommt.
Die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende
Steuerungsspannung kann so besonders nah an einen gewünschten Wert für die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung gebracht werden.
Damit können durch ein optimales Schalten des Halbleiter-Schalters
insbesondere energetische Verluste reduziert und beispielsweise eine
Reichweite des Kraftfahrzeugs vergrößert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die
Steuerungsspannung in Schritt bl) über einen Bereich zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert manipuliert.
In dieser Ausführungsform kann am Kontrollzeitpunkt insbesondere ermittelt werden, wie groß ein relativer Abstand zwischen dem oberen Grenzwert und einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung sowie zwischen dem unteren Grenzwert und der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung ist.
Anschließend kann nach dem Kontrollzeitpunkt beispielsweise eine Manipulation dahingehend erfolgen, dass die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung in der Mitte (oder an einem anderen relativ zu den Grenzwerten vorgegebenen Wert) zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert liegt.
Insbesondere kann in dieser Ausführungsform der Bereich ermittelt werden, innerhalb dessen die Steuerungsspannung (zumindest unter vorliegenden Bedingungen wie beispielsweise einer Temperatur oder eines Arbeitspunktes und auch vor dem Hintergrund von Langzeiteffekten wie beispielswiese einer Alterung einer Spannungsquelle) sicher verstellt werden kann. Dieser Bereich kann dabei insbesondere durch die realen Grenzen definiert sein, an denen eine Überwachung der Überwachungsbereiche tatsächlich auslöst. Somit kann mit der vorliegenden Ausführungsform ermittelt werden, innerhalb welcher realen Grenzen eine Manipulation möglich ist. Als ein weiterer Aspekt wird ein Steuergerät vorgestellt, welches zum Schalten mindestens eines Halbleiter-Schalters gemäß dem beschriebenen Verfahren eingerichtet ist. Die weiter vorne für das Verfahren beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das Steuergerät anwendbar und übertragbar.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgestellt, welches eingerichtet ist, alle Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. Zudem wird ein
maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist. Die weiter vorne für das Verfahren und das Steuergerät beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das Computerprogramm und das maschinenlesbare Speichermedium anwendbar und übertragbar.
Weiterhin sind folgende Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens möglich und jeweils einzeln oder in Kombination miteinander und/oder mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt:
In einer Ausführungsform kann eine„Kalibrier- Funktion" durchgeführt werden. Dabei kann ein Stellwert angepasst werden, um Anforderungen an eine System- Verfügbarkeit zu erfüllen. Insbesondere kann dabei eine relative Position der Steuerungsspannung zu Überwachungsgrenzen angepasst werden.
In einer Ausführungsform kann eine„Performance- Funktion" durchgeführt werden. Die Steuerungsspannung kann dabei auf den höchsten erlaubten Wert erhöht werden, um insbesondere Durchlassverluste zu reduzieren. Das kann z.B. bei hohen Temperaturen automatisch erfolgen, kann aber auch auf
Fahrerwunsch beispielsweise über einen„Performance-Schalter" erfolgen.
In einer Ausführungsform kann eine„Lifetime- Funktion" durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise bei stark über eine Produktlebenszeit beanspruchten Halbleitern die Steuerungsspannung systematisch abgesenkt werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
In einer Ausführungsform kann eine„Anomalie-Analyse" erfolgen, insbesondere um Defekten vorzubeugen. Dabei kann insbesondere ein Wegdriften bzw. Verstellen der Überwachungsgrenzen diagnostiziert werden. Auch kann eine erhöhte Leistungsaufnahme diagnostiziert werden.
In einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens kann ein Signal eines „Sport-Modus-Schalters" vor dem Verfahren verarbeitet werden. Über einen Sport-Modus-Schalter kann ein Fahrer dann selbst entscheiden, wenn er mehr Performance auf Kosten der Halbleiter-Lebenserwartung und des
Kurzschlussverhaltens haben will. Der Hintergrund dazu ist, dass die
Durchlassverluste umso geringer ausfallen (wodurch mehr Performance erreicht werden kann), die Kurzschluss-Belastung umso höher ausfällt (was ein Risiko ist) und die Lebenserwartung umso geringer ist (was ebenfalls ein Risiko ist), je höher die positive Steuerungsspannung ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann als Manipulation eine
dynamische Steuerungsspannungsanpassung in jedem IGBT-Schaltvorgang erfolgen. Beispielsweise kann die Steuerungsspannung im Durchlasszustand von 16V auf 13V abgesenkt werden, um einen niedrigeren Start in den
Kurzschlussfall zu haben. Die Konsequenz ist, dass die Halbleiter nicht so kurzschlussfest ausgelegt werden müssen. Vor dem nächsten IGBT-Einschalten wird die Steuerungsspannung vorzugsweise wieder angehoben. Das ist allerdings nur bei unabhängigen Versorgungen für jeden Schalter einer B6- Brücke realisierbaren
Weitere Einzelheiten der Erfindung und Ausführungsbeispiele, auf weiche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: eine Darstellung eines ersten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung, Fig. 2: eine Darstellung eines zweiten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung,
Fig. 3: eine Darstellung eines dritten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung,
Fig. 4: zwei Darstellungen von Steuerungsspannungen, die den Stand der
Technik bzw. die Wunsch-Vorstellung zum Stand der Technik beschreiben, Fig. 5: eine Darstellung einer Steuerungsspannung gemäß einer ersten
Ausführungsform eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs,
Fig. 6: eine Darstellung einer Steuerungsspannung gemäß einer zweiten
Ausführungsform eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs,
Fig. 7: eine Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Durchführung des
Verfahrens aus Fig. 5 oder 6, und
Fig. 8: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines ersten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Dabei wird ein IGBT 10 von einem Treiber 11 angesteuert. Der Treiber 11 umfasst eine Überwachungsschaltung 12, die eine positive Spannung 13 und eine negative Spannung 14, die dem Treiber zugeführt werden, überwacht und ggf. eine Fehlermeldung 15 ausgibt. Weiterhin umfasst der Treiber 13 eine Ansteuereinheit 16 zur Ansteuerung des IGBT 10.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines zweiten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Auch hier ist ein IGBT 10 mit einem Treiber 11 gezeigt. Dem Treiber 11 wird hier eine Eingangsspannung 17 vorgegeben. Daraus wird in einem DC-DC-Wandler 18 eine positive Spannung 13 und eine negative Spannung 14 erhalten. Zudem weist der Treiber 11 eine Überwachungsschaltung 12 und eine Ansteuereinheit 16 auf. Bei der in Fig. 2 gezeigten IGBT-Ansteuerung erfolgt insbesondere keine Kommunikation zwischen dem DC-DC-Wandler 18 und der
Überwachungsschaltung 12. Damit erfolgt gemäß Fig. 2 auch insbesondere keine Manipulation einer Steuerungsspannung unter Verwendung eines
Ergebnisses einer Bestimmung einer Differenz zwischen einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und einem Grenzwert.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines dritten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Das dritte Beispiel der IGBT-Ansteuerung beruht insbesondere auf dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Beispiel als Ausgangspunkt. Im Unterschied zu dem zweiten Beispiel ist hier eine Kommunikation zwischen dem DC-DC-Wandler 18 und der Überwachungsschaltung 12 vorgesehen, die durch einen Pfeil angedeutet ist. Durch diese Kommunikation kann insbesondere eine Manipulation einer
Steuerungsspannung unter Verwendung eines Ergebnisses einer Bestimmung einer Differenz zwischen einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und einem Grenzwert gemäß dem weiter oben beschriebenen Schritt bl) erfolgen.
Fig. 4 zeigt zwei Darstellungen einer Steuerungsspannung 1. Die
Steuerungsspannung 1 wird von einer Spannungsquelle derart vorgegeben, dass die Steuerungsspannung 1 innerhalb eines Toleranzbereichs 2 liegt. Der Toleranzbereich 2 ist um einen gewünschten Wert 7 angeordnet und liegt zwischen einem oberen Grenzwert 4 und einem unteren Grenzwert 5. Zwischen dem Toleranzbereich 2 und dem oberen Grenzwert 4 sowie zwischen dem Toleranzbereich 2 und dem unteren Grenzwert 5 ist jeweils ein
Überwachungsbereich 3 vorgesehen. Die linke und rechte Darstellung in Fig.4 unterscheidet sich durch die Breite des Toleranzbereichs 2 und den Abstand zwischen den Überwachungsbereichen 3.
In der linken Darstellung in Fig. 4 ist der Toleranzbereich 2 (also das garantierte Versorgungsband) wesentlich größer als bevorzugt.
Die gängige Lösung ist es, den festen Wert der Steuerungsspannung einmal für die ganze Produktlebensdauer in der Entwicklungsphase zu spezifizieren und permanent auf Unter- und Überspannung zu überwachen. Die Überwachung erfolgt i.d.R. durch eine in Treiber selbst eingebaute Spannungsmessung mit fest definierten Schwellen, die regelmäßig über die Laufzeit nicht manipulierbar sind. Die Unterspannungsfunktion wird regelmäßig durch die Abschaltung der
Versorgungsspannung in jedem Fahrzyklus getestet, wobei insbesondere ein Treiber einen Fehler an ein entsprechendes Steuergerät melden kann.
Die typische Wunsch-Anordnung aus Entwicklungssicht ist in Fig. 4 rechts dargestellt. Der Toleranzbereich 2 (also das mittlere Band) ist hier im Vergleich zur linken Darstellung der Fig. 4 wesentlich reduziert, z.B. auf eine Breite von 1 V.
Die Wunsch-Anordnung rechts in Fig. 4 kann nur mit signifikanten Hardware- Kosten implementiert werden, weil sie für die beteiligten Module eine
Komprimierung der Toleranzbereiche 2 bedeutet. Für die Überwachungsbereiche 3 wäre eine genauere Spannungsreferenz in jeder Überwachungsschaltung notwendig. Ein schmaler Toleranzbereich 2 würde eine Herausforderung bei DC- DC darstellen. Statisch würden eine hochgenaue Spannungsreferenz und präzise Spannungsteiler erforderlich sein. Je nach Ausführung können so hohe Kosten für analoge oder digitale Feedback-Übertragungskomponenten (z.B. für Optokoppler) entstehen. Dynamisch können größere Kapazitäten für den Lastwechselfall erforderlich sein, was ebenfalls mit hohen Kosten verbunden sein kann.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung einer Steuerspannung 1, die gemäß einem erstem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines
Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs manipuliert wird. Die Überwachungsbereiche 3 sind wie in Fig. 4 angeordnet. Auch der
Toleranzbereich 2 hat die gleiche Breite wie in Fig. 4. Allerdings erfolgt an mindestens einem Kontrollzeitpunkt eine Manipulation der Steuerungsspannung 1 innerhalb eines Manipulationsbereichs 6. Dabei kann die relative Lage einer tatsächlich ausgegebenen Steuerungsspannung 1 zu dem oberen Grenzwert 4 und dem unteren Grenzwert 5 bzw. insbesondere zu den Spannungswerten erhalten werden, bei denen eine Überwachung der Überwachungsbereiche 3 tatsächlich auslöst. Durch anschließende (dauerhafte) Manipulation kann die Steuerungsspannung 1 besonders nah an den gewünschten Wert 7 herangeführt werden.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung einer Steuerspannung 1, die gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines
Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs manipuliert wird. Im Gegensatz zu Fig. 5 (und auch im Gegensatz zu Fig. 4) sind hier die
Überwachungsbereiche 3 näher aneinander vorgesehen. Dabei überlappen die Überwachungsbereiche 3 teilweise mit dem Toleranzbereich 2. Durch die für Fig. 5 beschriebene (dauerhafte) Manipulation kann erreicht werden, dass die Steuerungsspannung 1 dennoch zu keinem Zeitpunkt innerhalb der
Überwachungsbereiche 3 liegt.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine elektrische Schaltung, mit der die Manipulation gemäß Fig. 5 oder 6 durchgeführt werden kann.
Fig. 8 veranschaulicht die im Rahmen des Verfahrens stattfindenden
Verfahrensschritte. Die Vorgabe der Steuerspannung (Schritt al) im Toleranzbereich sowie die Überwachung der hieraus resultierenden an dem Halbleiter-Schalter tatsächlichen Spannung in Bezug auf mindestens einen Grenzwert (Schritt a2) erfolgen bevorzugt permanent. Schritt bl) betrifft die Ermittlung einer Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerspannung und dem Grenzwert. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieser Differenz erfolgt eine Manipulation 9 der Vorgabe der Steuerspannung (Schritt al). Die Schritte bl) sowie die Manipulation 9 der Steuerspannung erfolgt bevorzugt zu Kontrollzeitpunkten und damit nicht permanent bzw. mit einer geringeren Wiederholfrequenz als die Verfahrensschritte al) und a2).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters
insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs, wobei der mindestens eine Halbleiter-Schalter mit einer Steuerungsspannung (1) gemäß der folgenden Verfahrensschritte geschaltet werden kann:
al) Vorgeben der Steuerungsspannung (1) in einem Toleranzbereich (2), a2) Überwachen, ob eine tatsächlich an dem mindestens einen
Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung (1) mindestens einen Grenzwert (4,5) überschreitet,
wobei an mindestens einem Kontrollzeitpunkt zumindest der folgende Verfahrensschritt durchgeführt wird:
bl) Ermitteln einer Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerungsspannung (1) und dem mindestens einen Grenzwert (4,5),
wobei die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung (1) nach dem mindestens einen Kontrollzeitpunkt unter Verwendung des
Ergebnisses von Schritt bl) manipuliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a2) ein oberer Grenzwert (4) oberhalb des Toleranzbereichs (2) und ein unterer Grenzwert (5) unterhalb des Toleranzbereichs (2) überwacht wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a2) für den mindestens einen Grenzwert (4,5) ein jeweiliger
Überwachungsbereich (3) überwacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Überwachungsbereiche (3) und der Toleranzbereich (2) überlappungsfrei angeordnet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Überwachungsbereiche (3) und der Toleranzbereich (2) teilweise überlappen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung (1) und dem mindestens einen Grenzwert (4,5) in Schritt bl) dadurch ermittelt wird, dass die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung (1) soweit manipuliert wird, dass gemäß Schritt a2) die Überschreitung des mindestens einen Grenzwertes (4,5) erkannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Steuerungsspannung (1) in Schritt bl) über einen Bereich zwischen einem oberen Grenzwert (4) und einem unteren Grenzwert (5) manipuliert wird.
8. Steuergerät eingerichtet zum Schalten mindestens eines Halbleiter-Schalters nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm
nach Anspruch 9 gespeichert ist.
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