WO2020193026A1 - Steuergerät zur bestimmung von totzeiten für leistungselektronische halbbrücken - Google Patents

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WO2020193026A1
WO2020193026A1 PCT/EP2020/054575 EP2020054575W WO2020193026A1 WO 2020193026 A1 WO2020193026 A1 WO 2020193026A1 EP 2020054575 W EP2020054575 W EP 2020054575W WO 2020193026 A1 WO2020193026 A1 WO 2020193026A1
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bridge circuit
dead time
time
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adaptive dead
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Andreas Schmid
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to the field of semiconductor-based power modules.
  • the present invention relates to a control device for determining a dead time for power electronic switches, such as a converter for an electric and / or hybrid vehicle.
  • Power electronic switches or circuits are used nowadays for a large number of applications.
  • Power electronics play a key role in the advancing electromobility.
  • the highside switch can comprise a transistor, such as a field effect transistor (FET), which connects a load to a supply voltage.
  • FET field effect transistor
  • the low-side switch can also comprise a transistor, something an FET, which switches a load to the ground (or earth).
  • Such a bridge circuit is known, for example, from EP1230734B1.
  • the two switches are to be controlled inverted to each other during operation.
  • VGS gate-source voltage
  • VDS drain-source voltage
  • the two switches have different delay times due to the different reaction speed of the Drain-source voltage to the gate-source voltage, as well as rise and fall times of different lengths when switching on and off.
  • the rise and fall times relate to the time it takes for the drain-source voltage to reach the final value. This means that the two switches switch on and off at different speeds.
  • the HS and LS switches cannot easily be controlled inverted to one another. Otherwise, it would lead to an overlap phase during which both switches are conductive at the same time, which in turn would result in a high cross current that flows from one of the two switches to the other switch and resembles a short circuit that destroys the entire power switch.
  • MOSFET metal oxide semiconductor FET
  • GaN galium nitride
  • GaN-HEMT galium nitride
  • a so-called “dead time” (or locking time) is introduced, which is defined as the time span in which neither the HS switch nor the LS switch is closed. This prevents short-circuiting of the supply voltage and thus a cross line.
  • the power electronic circuits known from the prior art have a high conduction loss. This is due to the fact that the dead time is not selected appropriately, and in many cases too large. Power arresters that enable reverse conduction have a significantly increased forward voltage when they are switched off. As a result, a long dead time leads to an increase in the conduction losses in the reverse line.
  • the invention is therefore based on the object of optimizing the dead time in power electronic circuits so that the conduction losses in the reverse line are reduced.
  • the object is achieved by a control device, a control method, an optimization method, a computer program product, a computer-readable one
  • the vehicle power module comprises at least one reverse switchable power semiconductor.
  • semiconductors with large band gaps such as gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) come into consideration.
  • the vehicle power module may include one or more metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs), one or more high electron mobility transistors (HEMTs).
  • MOSFETs metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • HEMTs high electron mobility transistors
  • the bridge circuit can be a half bridge comprising an HS switch and an LS switch.
  • the bridge circuit can be a so-called multilevel half-bridge.
  • the input interface can be designed, for example, as an analog-digital converter or as an interface of a data line (e.g. serial peripheral interface, SPI).
  • the output current can be obtained from a current transformer, an ammeter or a data line.
  • the evaluation unit comprises, for example, a microcontroller or a field-programmable gate arrangement (FPGA), or is part of the microcontroller which reads out the output current and determines the adaptive dead time as a function thereof.
  • FPGA field-programmable gate arrangement
  • the word “predetermined” in connection with the commutation time and the minimum value refers to the fact that these were determined for the measured variables by the evaluation unit itself before they were combined.
  • the evaluation unit uses a commutation time and a minimum value, these two measured variables being obtained by characterizing the bridge circuit or another bridge circuit (for example on a prototype). The evaluation unit then uses the commutation time and the minimum value to determine the adaptive dead time by combining these two measured variables.
  • the word “predetermined” in connection with the commutation time and the minimum value analogously to the first determination variant, refers to the fact that these two measured variables were determined by means of the characterization (on the prototype) before they were combined.
  • the evaluation unit uses a commutation time and a minimum value, with these two measured variables being obtained and combined by characterizing the or another bridge circuit (e.g. on the prototype).
  • the word “predetermined” in connection with the commutation time and the minimum value refers to the fact that these two measured variables were determined and combined before the point in time at which they are fed to the evaluation unit for the purpose of determining the adaptive dead time.
  • the control device can have a storage medium for storing the predetermined and combined commutation time / minimum value of the dead time as a function of the output current of the bridge circuit characterized (prototype).
  • the commutation time is defined as a period of time within which a drain-source voltage (VDS) of the bridge circuit from an initial value to 30%, 25%, 20%, 15%, 1 0%, 5% or 0% of the initial value drops.
  • VDS drain-source voltage
  • a control signal is generated by means of the signal unit, the control signal serving to impress the adaptive dead time of the bridge circuit.
  • the control signal can for example be a first pulse duration modulation signal (eg PWM signal) for an upper switch (HS switch) of the bridge circuit and a second pulse duration modulation signal (eg PWM signal) for one include the lower switch (LS switch) of the bridge circuit.
  • the signal unit can be part of a microcontroller.
  • control device and control method according to the invention are advantageous due to the adaptive dead time compared to the solutions known from the prior art.
  • the adaptive dead time By limiting the adaptive dead time to the predetermined minimum value, the cross line mentioned at the beginning can be avoided or reduced. This prevents a short-circuit current and the associated destruction of the power semiconductors due to their overheating. Limiting the dead time to the minimum value means that the dead time is greater than or equal to the minimum value.
  • the dead time is coupled to the predetermined commutation time, so-called "double switching" is avoided.
  • the commutation times increase sharply as the load current decreases, because the switch, which acts as a capacitor at the current output, is reloaded comparatively slowly with an output capacitance. If the dead time is shorter than the commutation time, the output capacitor of the respective circuit breaker is not yet fully discharged when it is switched on. This results in double switching or a hard-switching transient in which the voltage applied to the switch and the current applied to the switch are not equal to zero at the same time. This leads to additional losses, which can be prevented if the dead time is selected to be greater than or equal to the commutation time.
  • Coupling the dead time to the commutation time of the bridge circuit means that the dead time is set equal to the commutation time or is related to the commutation time using a fixed arithmetic relationship (e.g. with a fixed difference and / or a fixed multiplication factor).
  • the predetermined minimum value depends on a switch-on delay time of the bridge circuit when switching on, a switch-on control delay time of gate control of the bridge circuit when switching on, a switch-off delay time of the bridge circuit when switching off, and / or a switch-off control delay time of gate control of the bridge circuit when Switch off.
  • the dead time By limiting the dead time to this minimum value, the cross line can effectively be avoided.
  • delay times of the gate control itself can also be taken into account when switching on or off.
  • the minimum value of the dead time determined in this way can be increased by a reserve value in order to prevent cross-conduction under as many operating conditions as possible (e.g. thermal influences that can greatly change the switching behavior of the power semiconductors).
  • the evaluation unit is designed to equate the adaptive dead time to the minimum value for a first range of the output current above a predefined threshold value and / or the predetermined commutation time for a second range of the output current below the threshold value.
  • the threshold value can be established on the basis of the predetermined commutation time and / or the predetermined minimum value of the dead time. For example is the threshold value of the current value at the point of intersection between the course of the commutation time as a function of the output current (load current) of the characterized bridge circuit (prototype) and the straight line of the constant minimum value of the dead time in a diagram in which the time (commutation time or dead time) versus the load current is applied. This is particularly advantageous in the case of power semiconductors, the commutation time of which decreases with increasing load current.
  • the evaluation unit is designed to select the predetermined commutation time and / or the predetermined minimum value from a table or a variable field as a function of the output current.
  • the table e.g. a look-up table
  • the variable field e.g. an array
  • Several values of the output current of the bridge circuit are stored in a first column of the table or the variable field.
  • values of the dead time are stored which are determined for the multiple values of the output current and also coupled to the predetermined commutation time and limited to the predetermined minimum value.
  • the evaluation unit can easily access data of the optimized, adaptive dead time obtained in advance by means of a prototype characterization, in order to control the bridge circuit based thereon.
  • the evaluation unit can access an approximation formula that is obtained, for example, based on the above-mentioned data of the optimized, adaptive dead time obtained in advance by means of the prototype characterization.
  • the approximation formula thus describes the mathematical dependence of the adaptive dead time obtained by combining the predetermined commutation time and the predetermined minimum value on the load or output current of the bridge circuit characterized (prototype). This enables improved control, since the adaptive dead time can be established over a comparatively expanded and continuous range instead of just discrete values of the load current of the bridge circuit.
  • the computer program product according to the invention is designed to be loaded into a memory of a computer and comprises software code sections with which the method steps of the method according to the invention are carried out when the computer program product is running on the computer.
  • a program is part of the software of a data processing system, for example an evaluation device or a computer.
  • Software is a collective term for programs and associated data.
  • the complement to software is hardware.
  • Hardware describes the mechanical and electronic alignment of a data processing system.
  • a computer is an evaluation device.
  • Computer program products generally comprise a sequence of instructions which, when the program is loaded, cause the hardware to carry out a specific method that leads to a specific result.
  • the computer program product causes the inventive technical effect described above.
  • the computer program product according to the invention is platform independent. That means it can run on any computing platform.
  • the computer program product is preferably executed on an evaluation device according to the invention for detecting the surroundings of the vehicle.
  • the software code sections are written in any programming language, for example in Python, Java, JavaScript, C, C ++, C #, Matlab, LabView, Objective C.
  • a hardware description language e.g. VHDL
  • VHDL hardware description language
  • the computer-readable storage medium is, for example, an electronic, magnetic, optical or magneto-optical storage medium.
  • the data carrier signal is a signal that the computer program product is transferred from a storage medium on which the computer program product is stored. to another entity, for example another storage medium, a server, a cloud system, a wireless communication system of the 4G / 5G or a data processing device.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a control device according to an imple mentation form
  • Fig. 2 is a schematic representation of a bridge circuit, which by the
  • Control unit is activated
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method for optimizing a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a control device 10 according to one embodiment.
  • the control device 10 comprises an input interface 12, an evaluation unit 14 and a signal unit 16. Via the input interface 12, an output current is obtained which is measured at an output of a bridge circuit 30, for example by means of an ammeter 40 (FIG. 2).
  • the evaluation unit 14 evaluates the output current and determines an adaptive dead time as a function thereof. As shown by way of example in FIG. 2, the evaluation unit 14 uses a table 142 in which data of the adaptive dead time tü as a function of the load current I is stored.
  • step S1 the minimal dead time (minimum value) is measured on a bridge circuit prototype.
  • step S2 the commutation time tc is measured on the same or a different bridge circuit prototype as a function of the load current I.
  • steps S1 and S2 are combined in order to obtain the adaptive dead time tü as a function of the load current I.
  • the adaptive dead time can be stored in a table together with the associated load current values.
  • an approximation formula shown in Fig.
  • the evaluation unit 14 uses the table 142 to determine the adaptive dead time tü. Based on this, the signal unit 16 generates a control signal which is impressed on the bridge circuit 30.
  • the control of the bridge circuit 30 by means of the control device 10 from FIG. 1 is also shown schematically.
  • a first control signal 144 for controlling the gate of the HS switch 32 is shown schematically as a rectangular PWM signal.
  • a second control signal 146 for driving the gate of the LS switch 34 is also shown schematically as a rectangular PWM signal, the adaptive dead time tü determined by the evaluation unit 14 being taken into account.
  • the two drive signals are generated inverted to one another, there being a phase for the duration of the dead time during which neither of the two switches is controlled.
  • the signal edge is shifted in time by tü compared to the signal edge in the first PWM signal for the HS switch.
  • the signal edge in the first PWM signal for the HS switch 32 is also shifted by tü compared to the signal edge in the second PWM signal for the LS switch 34.

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Abstract

Steuergerät (10) zur Ansteuerung einer Brückenschaltung (30) eines Fahrzeugleistungsmoduls, umfassend -eine Eingangsschnittstelle (12) zum Erhalten eines Ausgangsstroms der Brückenschaltung (30); eine Auswerteeinheit (14) zum Bestimmen einer adaptiven Totzeit in Abhängigkeit vom erhaltenen Ausgangsstrom, wobei die adaptive Totzeit an eine vorbestimmte Kommutierungszeit der Brückenschaltung (30) gekoppelt und durch einen vorbestimmten Minimalwert begrenzt ist; und eine Signaleinheit (16) zum Erzeugen eines Steuersignals zum Einprägen der adaptiven Totzeit in die Brückenschaltung (30).

Description

STEUERGERÄT ZUR BESTIMMUNG VON TOTZEITEN FÜR LEISTUNGSELEKTRONISCHE
HALBBRÜCKEN
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der halbleiterbasierten Leistungsmo- dule. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät zur Bestim mung einer Totzeit für leistungselektronische Schalter, etwa einen Umrichter für ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Leistungselektronische Schalter bzw. Schaltungen werden heutzutage für eine Viel zahl von Anwendungen eingesetzt. Insbesondere in der fortschreitenden Elektromo- bilität spielt die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle. Mit der zunehmenden Zahl der im Fahrzeug integrierten Funktionen nimmt auch die Anzahl und Komplexität der dort verbauten Leistungselektronik zu.
Bei vielen leistungselektronischen Schaltungen wie Netzteilen und Umrichtern wer den Brückenschaltungen verwendet, die typischerweise aus einem oberen (Highside- ) Schalter und einem unteren (Lowside-) Schalter besteht. Der Highside-Schalter (HS-Schalter) kann einen Transistor, etwa einen Feldeffekttransistor (FET) umfas sen, der eine Last an eine Versorgungsspannung schaltet. Der Lowside-Schalter (LS-Schalter) kann ebenfalls einen Transistor, etwas einen FET, umfassen, der eine Last gegen die Masse (bzw. Erde) schaltet.
Eine solche Brückenschaltung ist beispielsweise aus EP1230734B1 bekannt.
Die beiden Schalter sollen im Betrieb invertiert zueinander angesteuert werden. Beim Ein- und Ausschalten kommt es sowohl in einem HS- als auch in einem LS-Schalter zu einer Zeitverzögerung. Diese ist darauf zurückzuführen, dass nach Anlegen einer Gate-Source-Spannung (VGS) die Drain-Source-Spannung (VDS) mit einer Verzöge rung auf Letztere reagiert. Jedoch weisen die beiden Schalter unterschiedlich lange Verzögerungszeiten aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung auf die Gate-Source-Spannung, sowie unterschiedlich lange Anstiegs- und Abfallzeiten beim Ein- und Ausschalten auf. Die Anstiegs- bzw. Abfall zeiten beziehen sich auf die Zeitdauer, die die Drain-Source-Spannung benötigt, um den Endwert zu erreichen. Dies führt dazu, dass die beiden Schalter unterschiedlich schnell ein- und ausschalten. Folglich können die HS- und LS-Schalter nicht ohne Weiteres invertiert zueinander angesteuert werden. Andernfalls würde es zu einer Überlappungsphase führen, während derer beide Schalter gleichzeitig leitend sind, was wiederum einen hohen Querstrom zur Folge hätte, der von einem der beiden Schalter zum anderen Schalter fließt und einem den gesamten Leistungsschalter zer störenden Kurzschluss gleicht.
Hinzu kommt, dass bei moderneren Leistungsschaltern, die beispielsweise einen Me- tal-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET) oder einen Galiumnitrid (GaN)-basierten Hoch elektronenmobilitätstransistor (GaN-HEMT) umfassen, die Verzögerungszeit beim Ausschalten üblicherweise wesentlich länger als beim Einschalten ist.
Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen vorgeschlagen, die das obige Problem zu beheben versuchen. Beispielsweise wird eine sogenannte "Totzeit" (bzw. Verrieglungszeit) eingeführt, die als jene Zeitspanne definiert ist, in der weder der HS-Schalter noch der LS-Schalter geschlossen ist. Dadurch wird das Kurzschlie ßen der Versorgungsspannung und somit eine Querleitung verhindert.
Jedoch sind die aus dem Stand der Technik bekannten leistungselektronischen Schaltungen mit einem hohen Leitverlust behaftet. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass die Totzeit nicht angemessen, in vielen Fällen zu groß, gewählt ist. Leistungs hableiter, die eine Rückwärtsleitung ermöglichen, weisen im ausgeschalteten Zu stand eine deutlich erhöhte Flussspannung auf. Hierdurch führt eine große Totzeit zu einer Erhöhung der Leitverluste in der Rückwärtsleitung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Totzeit bei leistungselektroni schen Schaltungen zu optimieren, sodass die Leitverluste in der Rückwärtsleitung re duziert werden. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät, ein Steuerverfahren, ein Optimie rungsverfahren, ein Computer-Programm-Produkt, ein computerlesbares
Speichermedium sowie ein Datenträgersignal gemäß den unabhängigen Patentan sprüchen gelöst.
Das Fahrzeugleistungsmodul umfasst zumindest einen in Rückwärtsrichtung schalt bare Leistungshalbleiter. In Betracht kommen beispielsweise Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors) wie Galliumnitrid (GaN) oder Si- liziumcarbid (SiC). Das Fahrzeugleistungsmodul kann einen oder mehrere Metal- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), einen oder mehrere Hochelektro nenmobilitätstransistoren (HEMTs) umfassen.
Die Brückenschaltung kann eine Halbbrücke umfassend einen HS-Schalter und ei nen LS-Schalter sein. Alternativ kann es bei der Brückenschaltung um eine so ge nannte Multilevel-Halbbrücke handeln. Die Eingangsschnittstelle kann beispielsweise als Analog-Digital-Wandler oder als Schnittstelle einer Datenleitung (z.B. Serial Peri- pheral Interface, SPI) ausgebildet sein.
Der Ausgangsstrom kann von einem Stromwandler, einem Amperemeter oder einer Datenleitung erhalten werden. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise einen Mikrocontroller oder eine Feld-programmierbare Gatter-Anordnung (Engl.: FPGA), o- der ist Teil des Mikrocontrollers, der den Ausgangsstrom ausliest und in Abhängigkeit hiervon die adaptive Totzeit bestimmt. Hierunter können drei Bestimmungsvarianten verstanden werden: gemäß einer ersten Bestimmungsvariante misst die Auswer teeinheit mittels eines in Letzterer integrierten oder mit Letzterem verbundenen Mes sungsmoduls die Kommutierungszeit sowie den Minimalwert der Totzeit der Brücken schaltung. Anschließend verwendet die Auswerteeinheit die Kommutierungszeit und den Minimalwert, um die adaptive Totzeit durch Kombinieren dieser beiden Messgrö ßen zu bestimmen. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zusam menhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert darauf, dass diese bei den Messgrößen vor deren Kombinieren durch die Auswerteeinheit selbst bestimmt wurden. Gemäß einer zweiten Bestimmungsvariante verwendet die Auswerteeinheit eine Kommutierungszeit und einen Minimalwert, wobei diese beiden Messgrößen mittels Charakterisierung der oder einer anderen Brückenschaltung (z.B. an einem Prototyp) erhalten sind. Anschließend verwendet die Auswerteeinheit die Kommutierungszeit und den Minimalwert, um die adaptive Totzeit durch Kombinieren dieser beiden Messgrößen zu bestimmen. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zusammenhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert analog zur ersten Bestimmungsvariante darauf, dass diese beiden Messgrößen vor deren Kombinieren mittels der Charakterisierung (am Prototyp) bestimmt wurden.
Gemäß einer dritten Bestimmungsvariante verwendet die Auswerteeinheit eine Kom mutierungszeit und einen Minimalwert, wobei diese beiden Messgrößen mittels Cha rakterisierung der oder einer anderen Brückenschaltung (z.B. am Prototyp) gewon nen und kombiniert sind. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zu sammenhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert darauf, dass diese beiden Messgrößen vor dem Zeitpunkt bestimmt und kombiniert wurden, zu dem sie der Auswerteeinheit zwecks Bestimmung der adaptiven Totzeit eingespeist werden. Beispielsweise kann das Steuergerät ein Speichermedium zum Speichern der/des vorbestimmten und kombinierten Kommutierungszeit/Minimalwertes der Totzeit in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp) aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kommutierungszeit als eine Zeit dauer definiert, innerhalb derer eine Drain-Source-Spannung (VDS) der Brückenschal tung von einem Anfangswert auf 30%, 25%, 20%, 15%, 1 0%, 5% oder 0% des An fangswerts abfällt.
Basierend auf der adaptiven Totzeit wird ein Steuersignal mittels der Signaleinheit er zeugt, wobei das Steuersignal dazu dient, die adaptive Totzeit der Brückenschaltung einzuprägen. Das Steuersignal kann beispielsweise ein erstes Pulsdauermodulati onssignal (z.B. PWM-Signal) für einen oberen Schalter (HS-Schalter) der Brücken schaltung und ein zweites Pulsdauermodulationssignal (z.B. PWM-Signal) für einen unteren Schalter (LS-Schalter) der Brückenschaltung umfassen. Die Signaleinheit kann Teil eines Mikrocontrollers sein.
Das erfindungsgemäße Steuergerät und Steuerverfahren sind aufgrund der adapti ven Totzeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen vorteil haft. Durch die Begrenzung der adaptiven Totzeit auf den vorbestimmten Minimal wert kann die eingangs erwähnte Querleitung vermieden bzw. reduziert werden. Dies verhindert einen Kurzschlussstrom und damit einhergehend eine Zerstörung der Leistungshalbleiter aufgrund deren Überhitzung. Unter einer Begrenzung der Totzeit auf den Minimalwert wird verstanden, dass die Totzeit größer als der Minimalwert o- der diesem gleich ist.
Außerdem wird dadurch, dass die Totzeit an die vorbestimmte Kommutierungszeit gekoppelt ist, das so genannte "Double Switching" vermieden. Bei Leistungshalblei tern steigen die Kommutierungszeiten mit sinkendem Laststrom stark an, weil der am Stromausgang als Kondensator fungierende Schalter mit einer Ausgangskapazität vergleichsweise langsam umgeladen wird. Wenn die Totzeit kürzer als die Kommu tierungszeit ist, ist der Ausgangskondensator des jeweiligen Leistungsschalters zum Zeitpunkt des Einschaltens noch nicht vollständig entladen. Hierbei kommt es zum Double Switching bzw. zu einer hart-schaltenden Transiente, bei der die am Schalter anliegende Spannung und der am Schalter anliegende Strom zeitgleich ungleich Null sind. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten, die verhindert werden können, wenn die Totzeit größer als oder gleich der Kommutierungszeit gewählt wird. Unter einer Kopp lung der Totzeit an die Kommutierungszeit der Brückenschaltung wird verstanden, dass die Totzeit der Kommutierungszeit gleichgesetzt oder über eine festgelegte rechnerische Beziehung (z.B. mit einer festen Differenz und/oder einem festen Multi plikationsfaktor) mit der Kommutierungszeit in Relation gesetzt wird.
Ferner wird hierdurch eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verbesserte Ansteuerung der Brückenschaltung realisiert, bei der die Brü ckenschaltung nicht zwangsläufig im Betrieb auf ihr Schaltverhalten untersucht und beim Auftreten eines Fehlverhaltens (z.B. Leitverlust bzw. Double Switching) korri giert zu werden braucht. Im Gegensatz hierzu können (z.B. mittels Charakterisierung eines Prototyps) vorbestimmte Kommutierungszeiten und Minimalwerte der Totzeit als bestehende Daten verwendet werden, um die Totzeit, die der Brückenschaltung in Form eines Steuersignals einzuprägen ist, in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu bestimmen. Dies ermöglicht die einfache Ansteuerung der Brückenschaltung mittels der optimierten, adaptiven Totzeit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an gegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hängt der vorbestimmte Minimalwert von ei ner Einschaltverzögerungszeit der Brückenschaltung beim Einschalten, einer Ein- schaltansteuerverzögerungszeit einer Gate-Ansteuerung der Brückenschaltung beim Einschalten, einer Ausschaltverzögerungszeit der Brückenschaltung beim Ausschal ten, und/oder einer Ausschaltansteuerverzögerungszeit einer Gate-Ansteuerung der Brückenschaltung beim Ausschalten ab.
Durch die Begrenzung der Totzeit auf diesen Minimalwert kann die Querleitung wirk sam vermieden werden. Insbesondere können zusätzlich zu den Verzögerungszeiten betreffend die Reaktion der Drain-Source-Spannung auf die Gate-Spannung auch Verzögerungszeiten der Gate-Ansteuerung selbst beim Ein- bzw. Ausschalten be rücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der so-bestimmte Minimalwert der Totzeit um einen Reservewert erhöht werden, um die Querleitung unter möglichst allen Betriebsbedingungen (z.B. thermische Einflüsse, die das Schaltverhalten der Leistungshalbleiter stark verändern können) zu verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, um die adaptive Totzeit dem Minimalwert für einen ersten Bereich des Ausgangs stroms oberhalb eines vordefinierten Schwellenwerts und/oder der vorbestimmten Kommutierungszeit für einen zweiten Bereich des Ausgangsstroms unterhalb des Schwellenwerts gleichzusetzen.
Der Schwellenwert kann anhand der vorbestimmten Kommutierungszeit und/oder des vorbestimmten Minimalwertes der Totzeit festgelegt werden. Beispielsweise ist der Schwellenwert der Stromwert im Schnittpunkt zwischen dem Verlauf der Kommu tierungszeit in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom (Laststrom) der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp) und der Geraden des konstanten Minimalwertes der Totzeit in einem Diagramm, in dem die Zeit (Kommutierungszeit bzw. Totzeit) gegen den Laststrom aufgetragen ist. Dies ist bei Leistungshalbleitern, deren Kommutie rungszeit mit steigendem Laststrom abfällt, besonders vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die vorbestimmte Kommutierungszeit und/oder den vorbestimmten Minimalwert aus ei ner Tabelle oder einem Variablenfeld in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu selek tieren.
Die Tabelle (etwa eine Look-up-Tabelle) bzw. das Variablenfeld (z.B. ein Array) sind vorzugsweise mittels der oben erwähnten Charakterisierung der Brückenschaltung bzw. des Prototyps gewonnen. In einer ersten Spalte der Tabelle oder des Variablen felds sind mehrere Werte des Ausgangsstroms der Brückenschaltung hinterlegt. In einer zweiten Spalte der Tabelle oder des Variablenfelds sind Werte der Totzeit hin terlegt, die zu den mehreren Werten des Ausgangsstroms ermittelt und zudem an die vorbestimmte Kommutierungszeit gekoppelt und auf den vorbestimmten Minimalwert begrenzt ist. Somit kann die Auswerteeinheit auf einfache Weise auf mittels einer Prototyp-Charakterisierung im Vorfeld gewonnene Daten der optimierten, adaptiven Totzeit zugreifen, um die Brückenschaltung hierauf basierend anzusteuern.
Anstatt der Tabelle bzw. des Variablenfelds kann die Auswerteeinheit auf eine Nähe rungsformel zugreifen, die beispielsweise basierend auf den oben erwähnten, mittels der Prototyp-Charakterisierung im Vorfeld gewonnenen Daten der optimierten, adap tiven Totzeit erhalten ist. Die Näherungsformel beschreibt somit die mathematische Abhängigkeit der durch das Kombinieren der vorbestimmten Kommutierungszeit und des vorbestimmten Minimalwerts erhaltenen adaptiven Totzeit vom Last- bzw. Aus gangsstrom der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp). Dies ermöglicht eine verbesserte Ansteuerung, da die adaptive Totzeit über einen vergleichsweise erwei terten und kontinuierlichen Bereich anstatt lediglich diskreter Werte des Laststroms der Brückenschaltung festlegbar ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist ausgeführt, in einen Speicher eines Computers geladen zu werden und umfasst Softwarecodeabschnitte, mit de nen die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft.
Ein Programm gehört zur Software eines Daten verarbeitenden Systems, zum Bei spiel einer Auswerteeinrichtung oder einem Computer. Software ist ein Sammelbe griff für Programme und zugehörigen Daten. Das Komplement zu Software ist Hard ware. Hardware bezeichnet die mechanische und elektronische Ausrichtung eines Daten verarbeitenden Systems. Ein Computer ist eine Auswerteeinrichtung.
Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfah ren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogramm produkt den oben beschriebenen erfinderischen technischen Effekt hervor.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist Plattform unabhängig. Das heißt, es kann auf jeder beliebigen Rechenplattform ausgeführt werden. Bevorzugt wird das Computerprogrammprodukt auf einer erfindungsgemäßen Auswertevorrich tung zum Erfassen des Umfelds des Fahrzeugs ausgeführt.
Die Softwarecodeabschnitte sind in einer beliebigen Programmiersprache geschrie ben, zum Beispiel in Python, Java, JavaScript, C, C++, C#, Matlab, LabView, Objec- tive C. Alternativ oder zusätzlich kann eine Hardware-Beschreibungssprache (z.B. VHDL) verwendet werden.
Das computerlesbare Speichermedium ist beispielsweise ein elektronisches, magne tisches, optisches oder magneto-optisches Speichermedium.
Das Datenträgersignal ist ein Signal, welches das Computer-Programm-Produkt von einem Speichermedium, auf dem das Computer-Programm-Produkt gespeichert ist, auf eine andere Entität, beispielsweise ein anderes Speichermedium, einen Server, ein Cloud-System, ein drahtloses Kommunikationssystem der 4G/5G oder eine Da ten verarbeitende Einrichtung, überträgt.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beige fügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer Aus führungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung, die durch das
Steuergerät angesteuert wird; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Optimierung einer
Totzeit für die Brückenschaltung
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnli che Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile ge kennzeichnet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 10 gemäß einer Aus führungsform. Das Steuergerät 10 umfasst eine Eingangsschnittstelle 12, eine Aus werteeinheit 14 und eine Signaleinheit 16. Über die Eingangsschnittstelle 12 wird ein Ausgangsstrom, der an einem Ausgang einer Brückenschaltung 30, beispielsweise mittels eines Amperemeters 40 (Fig. 2), gemessen ist, erhalten. Die Auswerteeinheit 14 wertet den Ausgangsstrom aus und bestimmt in Abhängigkeit hiervon eine adap tive Totzeit. Dabei verwendet die Auswerteeinheit 14, wie in Fig. 2 beispielhaft ge zeigt, eine Tabelle 142, in der Daten der adaptiven Totzeit tü in Abhängigkeit vom Laststrom I hinterlegt sind. Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren zur Ermittlung der adaptiven Totzeit, mittels dessen die Daten der Tabelle 142 gewonnen werden: in einem Schritt S1 wird die mi nimale Totzeit (Minimalwert) an einem Brückenschaltungsprototyp gemessen. In ei nem weiteren Schritt S2 wird die Kommutierungszeit tc am gleichen oder einem an deren Brückenschaltungsprototyp in Abhängigkeit vom Laststrom I gemessen. In ei nem weiteren Schritt werden die Messergebnisse der Schritte S1 und S2 kombiniert, um die adaptive Totzeit tü in Abhängigkeit vom Laststrom I zu erhalten. Die adaptive Totzeit kann, wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt, zusammen mit den zugehörigen Last stromwerten in einer Tabelle gespeichert sein. Alternativ oder zusätzlich kann basie rend auf den Wertepaaren, bei denen jedes Wertepaar zum einen die adaptive Tot zeit und zum anderen den zugehörigen Laststrom umfasst, eine Näherungsformel (in Fig. 3 als Kurve im Diagramm dargestellt) ermittelt werden: tD = al~b . Hierbei sind a und b Näherungsparameter.
Die Auswerteeinheit 14 bestimmt anhand der Tabelle 142 die adaptive Totzeit tü. Ba sierend auf dieser erzeugt die Signaleinheit 16 ein Steuersignal, welches der Brü ckenschaltung 30 eingeprägt wird. In Fig. 2 ist zusätzlich die Ansteuerung der Brü ckenschaltung 30 mittels des Steuergeräts 10 aus Fig. 1 schematisch gezeigt. Ein erstes Steuersignal 144 zur Ansteuerung der Gate des HS-Schalters 32 ist schema tisch als rechteckiges PWM-Signal gezeigt. Ein zweites Steuersignal 146 zur Ansteu erung der Gate des LS-Schalters 34 ist ebenfalls schematisch als rechteckiges PWM-Signal gezeigt, wobei die von der Auswerteeinheit 14 bestimmte adaptive Tot zeit tü berücksichtigt ist. Wie in Fig. 2 beispielhaft gezeigt, werden die beiden Ansteu ersignale invertiert zueinander erzeugt, wobei es eine Phase für die Dauer der Tot zeit gibt, während derer keiner der beiden Schalter angesteuert wird. Im zweiten PWM-Signal für den LS-Schalter 34 ist die Signalflanke zeitlich um tü gegenüber der Signalflanke im ersten PWM-Signal für den HS-Schalter verschoben. Zugleich ist im ersten PWM-Signal für den HS-Schalter 32 die Signalflanke ebenfalls um tü gegen über der Signalflanke im zweiten PWM-Signal für den LS-Schalter 34 verschoben. Bezuaszeichen
10 Steuergerät
12 Eingangsschnittstelle
14 Auswerteeinheit
142 Tabelle
144 erstes Steuersignal
146 zweites Steuersignal
16 Signaleinheit
30 Brückenschaltung
32 Highside-Schalter
34 Lowside-Schalter
36 erste Gate-Ansteuerung
38 zweite Gate-Ansteuerung
40 Strommesseinrichtung
S1 -S3 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Steuergerät (10) zur Ansteuerung einer Brückenschaltung (30) eines Fahr zeugleistungsmoduls, umfassend:
eine Eingangsschnittstelle (12) zum Erhalten eines Ausgangsstroms der Brü ckenschaltung (30);
eine Auswerteeinheit (14) zum Bestimmen einer adaptiven Totzeit in Abhän gigkeit vom erhaltenen Ausgangsstrom, wobei die adaptive Totzeit an eine vorbe stimmte Kommutierungszeit der Brückenschaltung (30) gekoppelt und durch einen vorbestimmten Minimalwert begrenzt ist; und
eine Signaleinheit (16) zum Erzeugen eines Steuersignals zum Einprägen der adaptiven Totzeit in die Brückenschaltung (30).
2. Steuergerät (10) nach Anspruch 1 , wobei die Kommutierungszeit als eine Zeit dauer definiert ist, innerhalb derer eine Drain-Source-Spannung (VDS) der Brücken schaltung (30) von einem Anfangswert auf 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5% oder 0% des Anfangswerts abfällt.
3. Steuergerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eingangsschnittstelle (12) ferner dazu ausgebildet ist, die vorbestimmte Kommutierungszeit und den vorbe stimmten Minimalwert zu erhalten.
4. Steuergerät (10) nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinheit (12) dazu aus gebildet ist, um die adaptive Totzeit dem Minimalwert für einen ersten Bereich des Ausgangsstroms oberhalb eines vordefinierten Schwellenwerts und/oder der vorbe stimmten Kommutierungszeit für einen zweiten Bereich des Ausgangsstroms unter halb des Schwellenwerts gleichzusetzen.
5. Steuergerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aus werteeinheit (14) dazu ausgebildet ist, die adaptive Totzeit aus einer Tabelle oder ei nem Variablenfeld in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu selektieren.
6. Steuergerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aus werteeinheit (14) dazu ausgebildet ist, die adaptive Totzeit gemäß einer Näherungs formel in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu selektieren.
7. Steuerverfahren zur Ansteuerung einer Brückenschaltung (30) eines Fahr zeugleistungsmoduls, umfassend:
Erhalten eines Ausgangsstroms der Brückenschaltung (30);
Bestimmen einer adaptiven Totzeit in Abhängigkeit vom erhaltenen Ausgangs strom, wobei die adaptive Totzeit an eine vorbestimmte Kommutierungszeit der Brü ckenschaltung (30) gekoppelt und durch einen vorbestimmten Minimalwert begrenzt ist; und
Erzeugen eines Steuersignals zum Einprägen der adaptiven Totzeit in die Brü ckenschaltung (30).
8. Verfahren zur Ermittlung einer adaptiven Totzeit einer Brückenschaltung (30), umfassend:
Messen eines Minimalwerts der Totzeit der Brückenschaltung (30);
Messen einer Kommutierungszeit der Brückenschaltung (30) in Abhängigkeit von einem Ausgangsstrom der Brückenschaltung (30);
Kombinieren der gemessenen Kommutierungszeit mit dem ermittelten Mini malwert, um eine adaptive Totzeit in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu erhalten, die an die gemessene Kommutierungszeit gekoppelt und durch den ermittelten Mini malwert begrenzt ist.
9. Computer-Programm-Produkt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach An spruch 7 oder 8 auszuführen.
10. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computer-Programm-Pro dukt nach Anspruch 9 gespeichert ist.
11. Datenträgersignal, das das Computer-Programm-Produkt nach Anspruch 9 überträgt.
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