WO2021259758A1 - Power output stage for a device for supplying energy to an electrical load - Google Patents

Power output stage for a device for supplying energy to an electrical load Download PDF

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Dennis Bura
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Definitions

  • Power output stage for a device for supplying energy to an electrical
  • the invention is based on a power output stage for a device for supplying energy to an electrical load according to the preamble of the independent patent claim 1.
  • the present invention also relates to a corresponding device for supplying energy to an electrical load with such a power output stage and a method for determining a voltage-free Switching time for a power output stage.
  • Three-phase brushless DC motors are usually controlled by a power output stage, which is preferably designed as a B6 inverter based on silicon power semiconductors, preferably with a field-oriented control.
  • a bridge driver is used in addition to the actual semiconductor power switches, which switches the semiconductor power switches on and off.
  • an energy supply device which has an energy module and a capacitor.
  • the energy module has inverting circuits and is designed to supply electrical energy to an electrical machine.
  • the capacitor is arranged adjacent to the energy module and is set up to limit a voltage change due to the ripple current at the input of the inverting circuits.
  • the inverting circuits and the capacitor are overmolded with a monolithic insulating epoxy and encapsulated by this, so that voltage isolation is provided between the power module and the capacitor.
  • a generic power output stage for a device for supplying energy to an electrical load is known from DE 10 2015 208 150 A1.
  • the power output stage comprises a power switching device, which comprises at least one half-bridge and is based on gallium nitride-on-silicon technology, and a control circuit for the power switching device.
  • Semiconductor power switches of the at least one half-bridge are designed as gallium-nitrite semiconductors on a front side of a silicon substrate.
  • the power output stage for a device for supplying energy to an electrical load with the features of independent claim 1 and the device for supplying energy to an electrical load with the features of independent claim 15 and the method for determining a voltage-free switching time for a power output stage with the features of the independent claims 18 and 19 each have the advantage that an ARCP module (ARCP: Auxiliary Resonant Commutated Pole) determines dynamic working points, which enable smooth switching, even if an average voltage of a divided intermediate circuit is determined by many parameters (load point, intermediate circuit voltage, dynamics, Temperature etc.) varies and thus a "charging time" of an inductance or choke coil changes. This ensures that the correct dead times for switching the semiconductor power switches on and off are taken.
  • ARCP module Auxiliary Resonant Commutated Pole
  • Auss approximate forms of the present invention a hard turn-on with a high voltage jump avoided and a soft switch-on implemented at a virtually voltage-free switching point.
  • a great advantage of the ARCP module is that, by eliminating the switching losses in the at least one half-bridge, its switching frequency can be increased significantly.
  • the passive components such as the capacitors of the intermediate circuit capacitance or any sine or edge filters that may be present, can be made significantly smaller and cheaper.
  • the semiconductor area can be reduced due to the lower power loss.
  • Embodiments of the present invention provide a power output stage for a device for supplying energy to an electrical load, with a power switching device which comprises at least one half-bridge and is based on gallium nitride-on-silicon technology, and a control circuit for the power switching device.
  • Semiconductor power switches of the at least one half-bridge are designed as gallium-nitrite semiconductors on a front side of a carrier substrate.
  • control circuit for the at least one half-bridge each comprises an ARCP module, which has two auxiliary switches and a choke coil and is designed to switch the semiconductor power switches of the corresponding half-bridge at a voltage-free switching time, the control circuit being carried out to switch the voltage-free switching time by a to determine adaptive delay chain and / or by means of an integrated current measurement.
  • a method for determining a voltage-free switching point in time for a power output stage is proposed with the following steps: receiving a switching command and switching on the first or second auxiliary switch as a function of the received switching command. Determine and activate a delay period. Switching off the corresponding of the two semiconductor power switches of the at least one half bridge and activating a dead time measurement with a predetermined stop value, which corresponds to a maximum dead time span when the first delay time span has expired. Measuring a node voltage across the first semiconductor power switch and switching on the other of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge and stopping the dead time measurement when the measured node voltage corresponds to a predetermined voltage threshold value or the dead time measurement has reached the stop value.
  • the switched-on auxiliary switch remains switched on after the other of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge has been switched on for the duration of the delay period and is switched off after the delay period has expired.
  • the first auxiliary switch can be switched on to switch off the first semiconductor power switch and to switch on the second semiconductor power switch, and the second auxiliary switch can be switched on to switch off the second semiconductor power switch and to switch on the first semiconductor power switch.
  • the power switching device and the control circuit based on gallium nitride-on-silicon technology can be designed as a monolithic circuit module, with at least the individual active components of the monolithic circuit module being able to be arranged on a common carrier substrate.
  • at least the two auxiliary switches are integrated into the monolithic circuit module and arranged with the semiconductor power switches of the respective half-bridge on the common carrier substrate.
  • a common carrier substrate preferably a silicon substrate.
  • three half bridges of a B6 bridge with a corresponding control circuit for supplying energy to a three-phase motor can be arranged on the common carrier substrate.
  • any other number of half bridges required to supply the electrical load can also be arranged on the common carrier substrate.
  • protection functions such as an overcurrent protection function, an excess temperature protection function, etc., can also be applied to the common carrier substrate.
  • control lines that normally have to be routed to a bridge driver circuit are not required, and no modulation from a higher-level control device is required. All fast signals and their switching edges therefore do not "leave" the monolithic circuit module. This can be expected to have a positive effect on the EMC behavior. Due to the small number of contacts required, a particularly compact implementation is possible, since contact pads can hardly fall below a minimum size. In addition, the proposed construction enables EMC interference to be reduced, which can spread in the system through jumping potentials at the individual half bridges via corresponding coupling capacities with a heat sink.
  • a cooling surface of the power switching device can either be connected directly to ground, if possible, or in the monolithic circuit module it can be capacitively connected to ground directly via coupling capacitors in a defined manner. Additional interference suppression capacitors or Y capacitors as well as contacting elements (eg SMD springs) are thus superfluous.
  • a conductive thermal paste can be used; these are available with much higher thermal conductivities than insulating pastes.
  • capacitors of an intermediate circuit capacitance can be designed as silicon capacitors and arranged on the front and / or rear of the carrier substrate.
  • these silicon capacitors are formed using deep trench technology on the back of the common carrier substrate in order to buffer the supply voltage. Due to the high possible switching frequencies, the silicon capacitors in deep trench technology can also be used in low-voltage inverters with a voltage of less than 60V for smaller outputs of a few kilowatts to represent an intermediate circuit.
  • the intermediate circuit capacitance which is designed as silicon capacitors
  • the silicon capacitors on the rear side of the common carrier substrate can be electrically contacted with the semiconductor power switches on the front side by means of plated-through holes through the carrier substrate.
  • simple electrical contacting is also possible. This enables a structure without plated-through holes in the carrier substrate.
  • the monolithic circuit module can be embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
  • capacitors of the intermediate circuit capacitance can be arranged as silicon capacitors on separate carrier substrates and, like the monolithic circuit module, embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board.
  • the capacitors of the intermediate circuit capacitance can be designed as multilayer ceramic capacitors in chip design (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) and embedded in the multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
  • the two auxiliary switches designed as gallium-nitrite semiconductors can become one bidirectional blocking auxiliary switches are summarized and formed on the front of the Trä gersubstrats.
  • the auxiliary switch is designed to block bidirectionally, the required semiconductor area can be halved compared to a classic ARCP module, in which two anti-parallel switches are used as auxiliary switches.
  • the choke coil can be designed without a core as a conductor track in the carrier substrate. This is made possible by the high switching frequencies. Since no core materials are required, a complex structure of the choke coil can be avoided.
  • the choke coil can be designed without a core as a conductor path of the multi-layer circuit board of the power output stage. This means that the choke coil, like the capacitors of the intermediate circuit capacitance, can be embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board in which the monolithic circuit module is embedded or on which the monolithic circuit module is arranged.
  • the control circuit can include a current control that is designed to receive at least one measurement current, which presents a corresponding current output current re, and at least one reference current as an analog signal, and to compare them with one another and depending on the comparison To generate and output at least a corresponding switching signal.
  • the at least one measurement current can preferably be recorded within the monolithic circuit module.
  • the control circuit can include a driver stage which is designed to receive the at least one switching signal from the current regulator, to process it and to output it to the power switching device. Due to the high switching frequencies, other control methods such as direct switching methods are possible, please include.
  • the current control for each of the half bridges of the power switching device can therefore include a comparator which is designed to switch off the corresponding half bridge when the measurement current exceeds the corresponding reference current, and switch on the corresponding half bridge when the measurement current falls below the corresponding reference current.
  • a comparator which is designed to switch off the corresponding half bridge when the measurement current exceeds the corresponding reference current, and switch on the corresponding half bridge when the measurement current falls below the corresponding reference current.
  • the required reference current is thus set on average.
  • the individual comparators can be sampled and / or executed with hysteresis.
  • the digital output signal of the comparators can then be used directly as a switching status command for the individual semiconductor power switches.
  • the respective reference signal is an analog signal which directly specifies the current in the electrical load or in the individual stator windings of the three-phase motor. It can be specified by a central control unit and contains a maximum of the machine frequencies (including explicitly applied harmonics).
  • the degrees of freedom for controlling the electrical load are still in the control device, but the fast current dynamics are shifted to the monolithic circuit module, which can significantly reduce the demands on the dynamics and computing power of the control device and lead to a cost advantage.
  • the fast hardware comparators can be used to obtain a very dynamic current regulator with a high bandwidth, which can also make inexpensive use of the increased actuator bandwidth that is created by increasing the switching frequency. If the current control were to continue to be carried out in the control unit, a more powerful control unit would automatically be required to increase the bandwidth of the current control, which would incur additional costs.
  • the monolithic circuit module can include an electrical interface which is designed to receive signals from external components and / or assemblies.
  • the electrical interface can receive a supply voltage potential, a ground potential and the at least one reference current .
  • the power switching device can be designed, for example, as a B6 inverter with three half bridges. A cooling surface of the B6 inverter can be connected to ground directly or via at least one coupling capacitor, which has a defined capacitance.
  • the electrical interface can be designed to receive a supply voltage potential and a ground potential of the energy supply and the at least one reference current from the control device.
  • the electrical load can be designed as a three-phase brushless DC motor, the half-bridges of the B6 inverter each being connectable to a phase of the three-phase brushless DC motor.
  • the delay time span can be determined by an adaptive delay chain, which can be specified by a number of delay steps with identical time spans.
  • the number of delay steps of the delay time span can be increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value or the maximum dead time span.
  • the number of delay steps of the delay time span can be reduced by one if the dead time measurement has not reached a predetermined minimum dead time span.
  • the number of delay steps of the delay time span can otherwise remain the same.
  • the delay time span can be determined by an integrated current measurement. After switching on the first or second auxiliary switch, a time measurement to determine the delay time span and a measurement of a current through a corresponding one of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge can be activated, whereby the measured current can be compared with a predetermined threshold value. The time measurement can be stopped and the measurement result can be specified as the elapsed delay period when the measured current exceeds the specified threshold value.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a device according to the invention for supplying energy to an electrical load with an exemplary embodiment of a power output stage according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a control circuit for a half bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic circuit diagram of an ARCP module for a half-bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a schematic and perspective illustration of the power output stage from FIG. 1 designed as a monolithic circuit module.
  • FIG. 5 shows a schematic flow diagram of a first exemplary embodiment of a method according to the invention for determining a voltage-free switching point in time for the power output stage according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram of a second exemplary embodiment of a method according to the invention for determining a voltage-free switching point in time for the power output stage according to the invention from FIG. 1.
  • the illustrated embodiment comprises a device 1 according to the invention for supplying energy to an electrical load 3, each with a power supply 5, a control device 7 and a power output stage 10 according to the invention.
  • the illustrated embodiment of the power output stage 10 according to the invention for the device 1 for supplying energy to an electrical load 3 comprises a power switching device 12 which comprises at least one half bridge 12.1 and is based on the gallium nitride -Silicon technology is executed, and a control circuit 15 for the power switching device 12, wherein semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 are formed as a gallium-nitrite semiconductor on a front side of a carrier substrate SiS.
  • control circuit 15 comprises an ARCP module 16B for each of the at least one half-bridge 12.1, which has two auxiliary switches T3, T4 and a choke coil 16.2 and is designed to switch the semiconductor power switches TI, T2 of the corresponding half-bridge 12.1 at a voltage-free switching time, wherein the control circuit 15 is designed to determine the voltage-free switching time by an integrated current measurement and / or by an adaptive delay chain.
  • the power switching device 12 and the control circuit 15 are designed as a monolithic circuit module based on gallium nitride-on-silicon technology.
  • the individual active components of the monolithic circuit module are arranged on a common SiS carrier substrate.
  • the electrical load 3 is designed in the illustrated embodiment of the device 1 as a three-phase brushless DC motor 3A.
  • the power switching device 12 is designed as a B6 inverter 12A with three half bridges 12.1, the half bridges 12.1 of the B6 inverter 12A each being connected to a phase U, V, W of the three-phase brushless DC motor 3A.
  • a cooling surface of the B6 inverter 12A is connected to ground GND directly or via at least one coupling capacitor, which has a defined capacitance.
  • the power switching device 12 can also have fewer or more than three half bridges 12.1.
  • the device 1 to supply energy to an electrical load 3, also supply an electrical load 3 other than a three-phase direct current motor 3A with energy.
  • capacitors CI, C2 of an intermediate circuit capacitance 14 for buffering a supply voltage UBat in the illustrated embodiments are each arranged on the carrier substrate SiS.
  • the intermediate circuit capacitance 14 is also integrated into the monolithic circuit module in the illustratedariessbei.
  • the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
  • the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be arranged on separate carrier substrates and embedded in the multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
  • the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can play in these mecanicsbei directly embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board.
  • the control circuit 15 comprises a current control 18 which is designed to include at least one measurement current Im (U, V, W, which represents a corresponding current output current lo (U, V, W), and to receive at least one reference current Ir (U, V, W) as an analog signal and to compare it with one another and to generate and output at least one corresponding switching signal as a function of the comparison
  • Power switching device 12 has a comparator 18.1, which is designed to switch off the corresponding half-bridge 12.1 when the measurement current Im (U, V, W exceeds the corresponding reference current Ir (U, V, W), and to switch on the corresponding half-bridge 12.1 when the measurement current Im (U, V, W) falls below the corresponding reference current Ir (U, V, W)
  • the current regulator 18 is t the comparator 18.1 clocked by a clock signal TS.
  • control circuit 15 in the illustrated embodiment includes a driver stage 16 which includes a gate control 16A and is designed to supply the at least one switching signal from the current regulator 18 or the corresponding comparator 18.1 receive, process and give trainees to the two semiconductor power switches TI, T2 of the corresponding half-bridge 12.1 of the power switching device 12.
  • the monolithic circuit module comprises an electrical interface 13 which is designed to receive signals from external components and / or assemblies.
  • the electrical interface 13 receives the supply voltage potential UBat and a ground potential GND from the energy supply 5 and the at least one reference current Ir (U, V, W) from the control device 7.
  • the control unit 7 evaluates output signals from a sensor system DWM which, in the exemplary embodiment shown, detects the angle of rotation of the three-phase DC motor 3A and generates the corresponding output signals.
  • the intermediate circuit capacitance 14 in the illustrated embodiment of the power output stage 10 is divided and comprises two capacitors CI, C2, which each as silicon capacitors in deep trench technology on the back of the common Trä gersubstrates SiS are designed to buffer the supply voltage UBat.
  • the silicon capacitors CI, C2 are electrically contacted by means of vias, not shown, through the carrier substrate SiS with the power switching device 12B.
  • the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
  • the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be used as Silicon capacitors are formed on separate carrier substrates and embedded in the multilayer printed circuit board or are arranged on the multilayer printed circuit board.
  • the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can alternatively be formed as multilayer ceramic capacitors in chip design (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) and embedded directly in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board.
  • MLCC Multi Layer Ceramic Capacitor
  • the ARCP module 16 is designed as part of the driver stage 16 and is integrated into the monolithic circuit module.
  • the two auxiliary switches T3, T4 are combined as gallium nitrite semiconductors to form a bidirectional blocking auxiliary switch 16.1 and formed with the semiconductor power switches TI, T2 of the individual half bridges 12.1 B on the front of the carrier substrate SiS.
  • the choke coil 16.2 is designed without a core as a conductor track in the SiS carrier substrate.
  • the inductor 16.2 is coreless and forms a conductor path of the multilayer printed circuit board.
  • the first exemplary embodiment of the method 100 shown in FIG. 5 for determining a voltage-free switching time for the power output stage 10 described above is based on an adaptive delay chain.
  • the method 100 is started in a step S100, for example by starting the vehicle.
  • step S110 there is a wait until a switching command for one of the two auxiliary switches T3, T4 is received.
  • step S120 it is then checked whether a first switching command, which for example represents a transition from a first to a second logic state, or whether a second switching command has been received, which for example represents a transition from the second to the first logic state. If the first switching command was recognized in step S120, the method is continued with step S130.
  • step S230 the method is continued with step S230.
  • step S130 the first auxiliary switch T3 is switched on or switched on as a function of the received first switching command. As a result, a coil current IL increases through the choke coil 16.2.
  • step S140 a delay period TV is activated, which is predetermined by a number X of delay steps with identical periods of time, and the coil current IL through the choke coil 16.2 continues to rise.
  • the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W) and a corresponding current IT1 through the corresponding, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is greater than zero and a node voltage US across the first semiconductor switch TI corresponds to a ground potential GND. Therefore, the first semiconductor power switch TI is switched off or switched off in step S150 and a dead time measurement with a predetermined stop value is activated, wel cher corresponds to a maximum value for a dead time period TS.
  • step S160 This increases the node voltage US across the first semiconductor power switch TI, which is measured in step S160 and compared with a first voltage threshold value.
  • This first voltage threshold value corresponds, for example, approximately to the supply voltage potential UBat or is selected to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat.
  • step S170 the other, here the second semiconductor power switch T2, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified first voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value or the maximum dead time TS.
  • a voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally zero.
  • step S170 the number X of the delay steps of the delay time span VT is increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value or the maximum dead time span TS.
  • the number X of the delay steps of the first delay time span VT1 is reduced by one if the elapsed time span is less than a minimal nimaler value for the dead time period TS, the number X of delay steps of the delay period TV is otherwise kept constant. This means that the delay period TV1 is not changed if the stopped period of the dead time measurement lies between the minimum value and the maximum value of the dead period TS.
  • step S180 After the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the delay period TV is activated in step S180. After the delay time span TV has elapsed, the switched-on first auxiliary switch T3 is switched off or switched off in step S190. This means that after the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the first auxiliary switch T3 remains switched on for the duration of the delay time span TV so that the coil current IL can be reduced through the choke coil 16.2. The method 100 is then continued with step S110 and the receipt of the next switching command is waited for.
  • step S230 the second auxiliary switch T4 is switched on or switched on as a function of the received second switching command. As a result, the coil current IL drops through the choke coil 16.2.
  • step S240 the delay period TV is activated and the coil current IL through the choke coil 16.2 continues to decrease. After the delay period TV has elapsed, the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W) and a corresponding current IT2 through the corresponding, here the second semiconductor power switch T2, the two semiconductor power switches TI, T2 is at least a half bridge 12.1 is less than zero.
  • the second semiconductor power switch T2 is therefore switched to blocking or off in step S250 and the dead time measurement is activated with the predetermined stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time period TS.
  • the node voltage US drops across the first semiconductor power switch TI, which is measured in step S260 and compared with a second voltage threshold value.
  • This second voltage threshold value corresponds approximately to the ground potential GND or is selected to be somewhat higher than the ground potential GND.
  • step S270 the other, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified second voltage threshold value or the dead time measurement corresponds to the specified value Has reached the stop value.
  • a voltage drop across the first semiconductor power switch TI is ideally equal to zero.
  • the first semiconductor power switch TI is de-energized and can be turned on or switched on without loss.
  • the number X of the delay steps of the delay period VT is increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value.
  • the number X of delay steps of the first delay time span VT1 is reduced by one if the elapsed time span is less than the minimum value for the dead time span TS, the number X of delay steps of the delay time span TV being otherwise kept constant. This means that the delay time span TV is not changed if the stopped time duration of the time measurement is between the minimum value and the maximum value of the dead time span TS.
  • the delay period TV is activated in step S280.
  • the switched-on second auxiliary switch T4 is switched off in step S290. This means that the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay period TV after the first semiconductor power switch TI has been switched on. Then the process 100 is continued with step S110 and the receipt of the next switching command is awaited.
  • the illustrated in Fig. 6 second embodiment of the method 200 for determining a voltage-free switching time for the power output stage 10 described above is based on an integrated current measurement.
  • the method 200 is started in a step S300, for example by starting the vehicle.
  • step S310 there is a wait until a switching command for one of the two auxiliary switches is received.
  • step S320 it is then checked whether a first switching command, which for example represents a transition from a first to a second logic state, or whether a second switching command has been received, which for example represents a transition from the second to the first logic state . If the first switching command was recognized in step S320, the method is continued with step S330. If the second switching command was recognized in step S320, the method is continued with step S430.
  • step S330 the first auxiliary switch T3 is switched on or switched on as a function of the received first switching command and a time measurement for determining the delay time span TV is activated or started.
  • a coil current IL rises through the choke coil 16.2 and a current IT1 through the corresponding, here the first semiconductor power switch TI of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is measured in step S340.
  • step S350 the first semiconductor power switch TI is switched off or switched off and the dead time measurement is activated with a predetermined stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time period TS, and the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time period VT when the current IT1 exceeds a specified current threshold through the first semiconductor power switch TI.
  • a predetermined stop value which corresponds to the maximum value for the dead time period TS
  • the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time period VT when the current IT1 exceeds a specified current threshold through the first semiconductor power switch TI.
  • step S360 the node voltage US across the first semiconductor power switch TI is measured and compared with the first voltage threshold value which, for example, corresponds approximately to the supply voltage potential UBat or is selected to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat.
  • step S370 the other, here the second semiconductor power switch T2, the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified first voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value.
  • a voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally equal to zero. As a result, the second semiconductor power switch T2 is de-energized and can be turned on or switched on without loss.
  • step S380 After the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the delay time span TV determined by the time measurement is activated in step S380. After the delay period TV has elapsed, the switched-on first auxiliary switch T3 is switched off or switched to a blocking state in step S390. This means that the first auxiliary switch T3 remains switched on for the duration of the delay period TV after switching on the second semiconductor power switch T2, so that the coil current IL through the choke coil 16.2 can break down. The method 200 is then continued with step S310 and the receipt of the next switching command is waited for.
  • step S430 the second auxiliary switch T4 is switched on or switched on as a function of the received second switching command and the time measurement for determining the delay period TV is activated or started.
  • a coil current IL through the choke coil 16.2 drops and a current through the corresponding, here the second semiconductor power switch T2 of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is measured in step S440.
  • step S450 the second semiconductor power switch T2 is switched off or switched off and the dead time measurement is activated with the specified stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time TS, and the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time VT when the current by the second semiconductor power switch T2 exceeds the predetermined current threshold value.
  • the current IL through the Dros selspule 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W).
  • step S460 the node voltage US is measured across the first semiconductor power switch TI and compared with the second voltage threshold value, which, for example, corresponds approximately to the ground potential GND or is selected to be somewhat greater than the ground potential GND.
  • step S470 the other, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on when the measured node voltage US corresponds to the specified second voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value .
  • a voltage drop across the first semiconductor power switch TI is ideally equal to zero.
  • the first semiconductor power switch TI is de-energized and can be turned on or switched on without loss.
  • the delay time span TV determined by the time measurement is activated in step S480.
  • the switched-on second auxiliary switch T4 is switched off or switched off in step S490. This means that after the first semiconductor power switch TI has been switched on, the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay period TV. Then the procedure 200 continued with step S310 and waited for the receipt of the next switching command.
  • the delay time span VT can be implemented, for example, with a switched shift register.
  • the dead time TS can be implemented, for example, with a monostable multivibrator.
  • the two described exemplary embodiments of the method can in principle be implemented in NMOS logic.
  • the first exemplary embodiment of the method 100 is less sensitive to parameter spreads due to its adaptive nature, but requires a total of more logic elements than the second exemplary embodiment of the method 200.
  • the second exemplary embodiment of the method 200 can, however, only be used if the current measurement is sufficiently accurate.
  • the two methods 100, 200 can also be combined if, for example, the current measurement alone is not sufficiently accurate, but can still be used to support or verify the setting of the adaptive delay chain.

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Abstract

The invention relates to a power output stage (10) for a device (1) for supplying energy to an electrical load (3), having a power switching device (12) which comprises at least one half-bridge (12.1) and is designed on the basis of gallium-nitride-on-silicon technology, and a control circuit (15) for the power switching device (12), wherein semiconductor power switches of the at least one half-bridge (12. 1) are formed as gallium-nitride semiconductors on a front face of a carrier substrate; the invention also relates to a device (1) for supplying energy to an electrical load (3), which device comprises such a power output stage (10), and to a method for determining a voltage-free switching time point for such a power output stage (10). The control circuit (15) comprises an auxiliary resonant commutated pole (ARCP) module (16B) each for the at least one half-bridge (12.1), which ARCP module has two auxiliary switches and a choke coil and is designed to switch the semiconductor power switches of the corresponding half-bridge (12.1) at a voltage-free switching time point, the control circuit (15) being designed to determine the voltage-free switching time point by means of integrated power measurement and/or by means of an adaptive delay chain.

Description

Beschreibung description
Titel title
Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischenPower output stage for a device for supplying energy to an electrical
Last load
Die Erfindung geht aus von einer Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last nach Gattung des unabhängigen Pa tentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine korres pondierende Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einer solchen Leistungsendstufe sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines spannungs losen Schaltzeitpunkts für eine Leistungsendstufe. The invention is based on a power output stage for a device for supplying energy to an electrical load according to the preamble of the independent patent claim 1. The present invention also relates to a corresponding device for supplying energy to an electrical load with such a power output stage and a method for determining a voltage-free Switching time for a power output stage.
Dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren werden in der Regel von einer Leistungsendstufe, welche vorzugsweise als B6-Inverter auf Basis von Silizium- Leistungshalbleitern ausgeführt ist, vorzugsweise mit einer feldorientierten Rege lung angesteuert. Um die elektrische Last, hier den Gleichstrommotor, anzusteu ern, wird neben den eigentlichen Halbleiterleistungsschaltern ein Brückentreiber eingesetzt, welcher die Halbleiterleistungsschalter ein- und ausschaltet. Typi scherweise geschieht das bei Kleinmotoren mit einer Spannung von unter 60V und einer Leistung von unter 3kW mit einer Frequenz von ca. 20 kHz. Aufgrund von Schaltverlusten sollte die Frequenz so niedrig wie möglich aber oberhalb der menschlichen Hörschwelle gewählt werden. Three-phase brushless DC motors are usually controlled by a power output stage, which is preferably designed as a B6 inverter based on silicon power semiconductors, preferably with a field-oriented control. In order to control the electrical load, in this case the DC motor, a bridge driver is used in addition to the actual semiconductor power switches, which switches the semiconductor power switches on and off. Typically this happens with small motors with a voltage of less than 60V and a power of less than 3kW with a frequency of approx. 20 kHz. Due to switching losses, the frequency should be as low as possible but above the human hearing threshold.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ermöglicht für die Leistungshalbleiterschalter sehr viel höhere Schaltfrequenzen und niedrigere Widerstände pro Fläche als reine Silizium-Halbleiterschalter. Wei terhin ermöglicht die korrespondierende laterale Technologie eine Integration von weiteren aktiven und passiven Elementen auf dem gleichen Siliziumsubstrat, auf dem sich auch die Leistungshalbleiter befinden. Aus der DE 10 2016 113 121 Al ist eine Energieversorgungsvorrichtung be kannt, welche ein Energiemodul und einen Kondensator aufweist. Das Ener giemodul weist invertierende Schaltungen auf und ist dafür ausgestaltet, einer elektrischen Maschine elektrische Energie zuzuführen. Der Kondensator ist dem Energiemodul benachbart angeordnet und dafür eingerichtet, eine Spannungsän derung aufgrund von Wellenstrom an dem Eingang der invertierenden Schaltun gen zu begrenzen. Die invertierenden Schaltungen und der Kondensator sind mit einem monolithischen isolierenden Epoxid umspritzt und durch dieses gekapselt, so dass eine Spannungsisolierung zwischen dem Energiemodul und dem Kon densator bereitgestellt wird. The gallium nitride-on-silicon technology known from the prior art enables very much higher switching frequencies and lower resistances per area than pure silicon semiconductor switches for the power semiconductor switches. The corresponding lateral technology also enables the integration of further active and passive elements on the same silicon substrate on which the power semiconductors are located. From DE 10 2016 113 121 A1 an energy supply device is known which has an energy module and a capacitor. The energy module has inverting circuits and is designed to supply electrical energy to an electrical machine. The capacitor is arranged adjacent to the energy module and is set up to limit a voltage change due to the ripple current at the input of the inverting circuits. The inverting circuits and the capacitor are overmolded with a monolithic insulating epoxy and encapsulated by this, so that voltage isolation is provided between the power module and the capacitor.
Aus der DE 10 2015 208 150 Al ist eine gattungsgemäße Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last bekannt. Die Leistungsendstufe umfasst eine Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Tech- nologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrich tung. Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gal- lium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Siliziumsubstrats ausgebildet. A generic power output stage for a device for supplying energy to an electrical load is known from DE 10 2015 208 150 A1. The power output stage comprises a power switching device, which comprises at least one half-bridge and is based on gallium nitride-on-silicon technology, and a control circuit for the power switching device. Semiconductor power switches of the at least one half-bridge are designed as gallium-nitrite semiconductors on a front side of a silicon substrate.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektri schen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 15 und die Verfahren zur Ermittlung eines spannungslosen Schaltzeitpunkts für eine Leistungsendstufe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 18 und 19 haben jeweils den Vorteil, dass ein ARCP-Modul (ARCP: Auxiliary Resonant Commutated Pole) dynamische Ar beitspunkte ermittelt, welche ein weiches Schalten ermöglichen, auch wenn eine Mittenspannung eines geteilten Zwischenkreises über viele Parameter (Last punkt, Zwischenkreisspannung, Dynamik, Temperatur usw.) variiert und somit eine „Ladezeit“ einer Induktivität bzw. Drosselspule sich verändert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die richtigen spanungslosen Zeitpunkte für das Ein- und Ausschalten der Halbleiterleistungsschalter getroffen werden. Durch Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein hartes Einschalten mit einem hohen Spannungssprung vermieden und ein weiches Einschalten an einem quasi spannungslosen Schaltzeitpunkt umgesetzt werden. Ein großer Vorteil des ARCP-Moduls besteht darin, dass durch den Wegfall der Schaltverluste in der mindestens einen Halbbrücke deren Schaltfrequenz deutlich erhöht werden kann. Dadurch können die passiven Bauelemente, wie beispielsweise die Kon densatoren der Zwischenkreiskapazität oder ein eventuell vorhandener Sinus oder Flankenfilter deutlich kleiner und günstiger ausgeführt werden. Zudem kann durch die geringere Verlustleistung die Halbleiterfläche reduziert werden. The power output stage for a device for supplying energy to an electrical load with the features of independent claim 1 and the device for supplying energy to an electrical load with the features of independent claim 15 and the method for determining a voltage-free switching time for a power output stage with the features of the independent claims 18 and 19 each have the advantage that an ARCP module (ARCP: Auxiliary Resonant Commutated Pole) determines dynamic working points, which enable smooth switching, even if an average voltage of a divided intermediate circuit is determined by many parameters (load point, intermediate circuit voltage, dynamics, Temperature etc.) varies and thus a "charging time" of an inductance or choke coil changes. This ensures that the correct dead times for switching the semiconductor power switches on and off are taken. By Ausfüh approximate forms of the present invention, a hard turn-on with a high voltage jump avoided and a soft switch-on implemented at a virtually voltage-free switching point. A great advantage of the ARCP module is that, by eliminating the switching losses in the at least one half-bridge, its switching frequency can be increased significantly. As a result, the passive components, such as the capacitors of the intermediate circuit capacitance or any sine or edge filters that may be present, can be made significantly smaller and cheaper. In addition, the semiconductor area can be reduced due to the lower power loss.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und ba sierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrichtung zur Verfügung. Halbleiter leistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gallium-Nitrit-Halb- leiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats ausgebildet. Hierbei umfasst die Ansteuerschaltung für die mindestens eine Halbbrücke jeweils ein ARCP- Modul, welches zwei Hilfsschalter und eine Drosselspule aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter der korrespondierenden Halbbrücke an einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten, wobei die Ansteuerschaltung aus geführt ist, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine adaptive Verzöge rungskette und/oder durch eine integrierte Strommessung zu ermitteln. Embodiments of the present invention provide a power output stage for a device for supplying energy to an electrical load, with a power switching device which comprises at least one half-bridge and is based on gallium nitride-on-silicon technology, and a control circuit for the power switching device. Semiconductor power switches of the at least one half-bridge are designed as gallium-nitrite semiconductors on a front side of a carrier substrate. In this case, the control circuit for the at least one half-bridge each comprises an ARCP module, which has two auxiliary switches and a choke coil and is designed to switch the semiconductor power switches of the corresponding half-bridge at a voltage-free switching time, the control circuit being carried out to switch the voltage-free switching time by a to determine adaptive delay chain and / or by means of an integrated current measurement.
Zudem wird eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Energieversorgung, einem Steuergerät und einer solchen Leistungsend stufe vorgeschlagen. In addition, a device for supplying energy to an electrical load, with an energy supply, a control unit and such a power output stage is proposed.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Ermittlung eines spannungslosen Schalt zeitpunkts für eine Leistungsendstufe mit den Schritten vorgeschlagen: Empfan gen eines Schaltbefehls und Einschalten des ersten oder zweiten Hilfsschalters in Abhängigkeit des empfangenen Schaltbefehls. Ermitteln und Aktivieren einer Verzögerungszeitspanne. Ausschalten des korrespondierenden der beiden Halb leiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke und Aktivieren einer Tot zeitmessung mit einem vorgegebenen Stoppwert, welcher einer maximalen Tot zeitspanne entspricht, wenn die erste Verzögerungszeitspanne abgelaufen ist. Messen einer Knotenspannung über dem ersten Halbleiterleistungsschalter und Einschalten des anderen der beiden Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke und Stoppen der Totzeitmessung, wenn die gemessene Kno tenspannung einem vorgegebenen Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den Stoppwert erreicht hat. Hierbei bleibt der eingeschaltete Hilfsschalter nach dem Einschalten des anderen der beiden Halbleiterleistungs schalter der mindestens einen Halbbrücke für die Dauer der Verzögerungs zeitspanne eingeschaltet und wird nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne ab geschaltet. Furthermore, a method for determining a voltage-free switching point in time for a power output stage is proposed with the following steps: receiving a switching command and switching on the first or second auxiliary switch as a function of the received switching command. Determine and activate a delay period. Switching off the corresponding of the two semiconductor power switches of the at least one half bridge and activating a dead time measurement with a predetermined stop value, which corresponds to a maximum dead time span when the first delay time span has expired. Measuring a node voltage across the first semiconductor power switch and switching on the other of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge and stopping the dead time measurement when the measured node voltage corresponds to a predetermined voltage threshold value or the dead time measurement has reached the stop value. Here, the switched-on auxiliary switch remains switched on after the other of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge has been switched on for the duration of the delay period and is switched off after the delay period has expired.
Vorzugsweise kann der erste Hilfsschalter zum Ausschalten des ersten Halb leiterleistungsschalters und zum Einschalten des zweiten Halbleiterleistungs schalters eingeschaltet werden, und der zweite Hilfsschalter kann zum Ausschal ten des zweiten Halbleiterleistungsschalters und zum Einschalten des ersten Halbleiterleistungsschalters eingeschaltet werden. Preferably, the first auxiliary switch can be switched on to switch off the first semiconductor power switch and to switch on the second semiconductor power switch, and the second auxiliary switch can be switched on to switch off the second semiconductor power switch and to switch on the first semiconductor power switch.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiter bildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentan spruch 1 angegebenen Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energiever sorgung einer elektrischen Last und der im unabhängigen Patentanspruch 15 an gegebenen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last sowie des im unabhängigen Patentanspruch 18 angegebenen Verfahrens zur Ermittlung ei nes spannungslosen Schaltzeitpunkts für eine Leistungsendstufe möglich. The measures and developments listed in the dependent claims are advantageous improvements of the power output stage specified in the independent claim 1 for a device for supplying energy to an electrical load and the device for supplying energy to an electrical load as well as in the independent claim 18 for determining a voltage-free switching time for a power output stage is possible.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Leistungsschaltvorrichtung und die Ansteuer schaltung basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithi sches Schaltungsmodul ausgeführt werden kann, wobei zumindest die einzelnen aktiven Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf einem gemein samen Trägersubstrat angeordnet werden können. Hierbei sind zumindest die beiden Hilfsschalter in das monolithische Schaltungsmodul integriert und mit den Halbleiterleistungsschaltern der jeweiligen Halbbrücke auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass weitere Funktionalitäten zur Ansteuerung der Vorrichtung in dem monolithischen Schaltungsmodul inte griert werden können und eine weitere Miniaturisierung ermöglicht wird. So kön nen zur Ansteuerung einer beliebigen elektrischen Last beispielsweise mit Hilfe der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie mehrere Halbbrücken der Leistungs schaltvorrichtung und die korrespondierenden Treiber für diese Halbbrücken auf ein gemeinsames Trägersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, aufgebracht werden. So können beispielsweise drei Halbbrücken einer B6-Brücke mit einer korrespondierenden Ansteuerschaltung zur Energieversorgung eines dreiphasi gen Motors auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet werden. Selbst verständlich kann auch jede andere beliebige Anzahl an für die Versorgung der elektrischen Last erforderlichen Halbbrücken auf dem gemeinsamen Trägersub strat angeordnet werden. Zusätzlich können Schutzfunktionalitäten, wie bei spielsweise eine Überstromschutzfunktion, Übertemperaturschutzfunktion usw., mit auf das gemeinsame Trägersubstrat aufgebracht werden. It is particularly advantageous that the power switching device and the control circuit based on gallium nitride-on-silicon technology can be designed as a monolithic circuit module, with at least the individual active components of the monolithic circuit module being able to be arranged on a common carrier substrate. In this case, at least the two auxiliary switches are integrated into the monolithic circuit module and arranged with the semiconductor power switches of the respective half-bridge on the common carrier substrate. This has the advantage that further functionalities for controlling the device can be integrated in the monolithic circuit module and further miniaturization is made possible. For example, to control any electrical load you can use the gallium nitride-on-silicon technology several half bridges of the power switching device and the corresponding drivers for these half bridges are applied to a common carrier substrate, preferably a silicon substrate. For example, three half bridges of a B6 bridge with a corresponding control circuit for supplying energy to a three-phase motor can be arranged on the common carrier substrate. Of course, any other number of half bridges required to supply the electrical load can also be arranged on the common carrier substrate. In addition, protection functions, such as an overcurrent protection function, an excess temperature protection function, etc., can also be applied to the common carrier substrate.
Zudem können durch die Verschiebung der Ansteuerschaltung, welche auch eine Stromregelung für die Leistungsschaltvorrichtung ausführen kann, in das monoli thische Schaltungsmodul Ansteuerleitungen entfallen, welche normalerweise zu einer Brückentreiberschaltung geleitet werden müssen, und es ist keinerlei Mo dulation seitens eines übergeordneten Steuergerätes erforderlich. Alle schnellen Signale und deren Schaltflanken „verlassen“ das monolithische Schaltungsmodul somit nicht. Hierdurch ist zu erwarten, dass das EMV-Verhalten positiv beein flusst wird. Durch die geringe Anzahl an erforderlichen Kontakten ist eine beson ders kompakte Realisierung möglich, da Kontaktpads eine minimale Größe schwer unterschreiten können. Zusätzlich ermöglicht es der vorgeschlagene Auf bau, dass EMV-Störungen reduziert werden können, welche sich durch sprin gende Potentiale an den einzelnen Halbrücken über korrespondierende Koppel kapazitäten mit einem Kühlkörper im System ausbreiten können. Hierzu kann beispielsweise eine Kühlfläche der Leistungsschaltvorrichtung entweder direkt hart auf Masse gelegt werden, falls möglich, oder im monolithischen Schaltungs modul kapazitiv direkt über Koppelkondensatoren definiert mit Masse verbunden werden. Zusätzliche Entstörkondensatoren bzw. Y- Kondensatoren sowie Kontak tierungselemente (z.B. SMD-Federn) werden dadurch überflüssig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine leitfähige Wärmeleitpaste eingesetzt werden kann; diese sind mit sehr viel höheren Wärmeleitfähigkeiten als isolierende Pas ten erhältlich. In vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe können Kondensatoren ei ner Zwischenkreiskapazität als Silizium- Kondensatoren ausgebildet und auf der Vorderseite und/oder Rückseite des Trägersubstrats angeordnet werden. Bei ei ner besonders vorteilhaften Ausführungsform werden diese Silizium- Kondensato ren in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trä gersubstrates ausgebildet, um die Versorgungsspannung zu puffern. Durch die hohen möglichen Schaltfrequenzen können die Silizium-Kondensatoren in Deep- Trench-Technologie auch bei Niedervoltinvertern bei einer Spannung von unter 60V für kleinere Leistungen von wenigen Kilowatt zur Darstellung eines Zwi schenkreises eingesetzt werden. Durch die Anordnung der als Silizium-Konden satoren ausgebildeten Zwischenkreiskapazität auf dem gemeinsamen Trä gersubstrat ist eine extrem niederinduktive Anbindung an die Leistungsschaltvor richtung möglich. So können die Silizium-Kondensatoren auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrats beispielsweise mittels Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat mit den Halbleiterleistungsschaltern auf der Vorderseite elektrisch kontaktiert werden. Bei einer lateralen Anordnung der als Silizium-Kon densatoren ausgebildeten Zwischenkreiskapazität auf der Vorderseite des ge meinsamen Trägersubstrats ist ebenfalls eine einfache elektrische Kontaktierung möglich. Hierdurch ist ein Aufbau ohne Durchkontaktierungen im Trägersubstrat möglich. In addition, by shifting the control circuit, which can also perform current regulation for the power switching device, in the monolithic circuit module, control lines that normally have to be routed to a bridge driver circuit are not required, and no modulation from a higher-level control device is required. All fast signals and their switching edges therefore do not "leave" the monolithic circuit module. This can be expected to have a positive effect on the EMC behavior. Due to the small number of contacts required, a particularly compact implementation is possible, since contact pads can hardly fall below a minimum size. In addition, the proposed construction enables EMC interference to be reduced, which can spread in the system through jumping potentials at the individual half bridges via corresponding coupling capacities with a heat sink. For this purpose, for example, a cooling surface of the power switching device can either be connected directly to ground, if possible, or in the monolithic circuit module it can be capacitively connected to ground directly via coupling capacitors in a defined manner. Additional interference suppression capacitors or Y capacitors as well as contacting elements (eg SMD springs) are thus superfluous. Another advantage is that a conductive thermal paste can be used; these are available with much higher thermal conductivities than insulating pastes. In an advantageous embodiment of the power output stage, capacitors of an intermediate circuit capacitance can be designed as silicon capacitors and arranged on the front and / or rear of the carrier substrate. In a particularly advantageous embodiment, these silicon capacitors are formed using deep trench technology on the back of the common carrier substrate in order to buffer the supply voltage. Due to the high possible switching frequencies, the silicon capacitors in deep trench technology can also be used in low-voltage inverters with a voltage of less than 60V for smaller outputs of a few kilowatts to represent an intermediate circuit. By arranging the intermediate circuit capacitance, which is designed as silicon capacitors, on the common carrier substrate, an extremely low-inductance connection to the power switching device is possible. For example, the silicon capacitors on the rear side of the common carrier substrate can be electrically contacted with the semiconductor power switches on the front side by means of plated-through holes through the carrier substrate. In the case of a lateral arrangement of the intermediate circuit capacitance in the form of silicon capacitors on the front side of the common carrier substrate, simple electrical contacting is also possible. This enables a structure without plated-through holes in the carrier substrate.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithi sche Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Bei dieser Ausgestaltung der Leis tungsendstufe können Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität als Silizium- Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten angeordnet und wie das monoli thische Schaltungsmodul in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kondensato ren der Zwischenkreiskapazität als mehrlagige Keramik- Kondensatoren in Chip- Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausgebildet und in die mehrla gige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. In a further advantageous embodiment of the power output stage, the monolithic circuit module can be embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board. With this configuration of the power output stage, capacitors of the intermediate circuit capacitance can be arranged as silicon capacitors on separate carrier substrates and, like the monolithic circuit module, embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board. Alternatively, the capacitors of the intermediate circuit capacitance can be designed as multilayer ceramic capacitors in chip design (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) and embedded in the multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe können die beiden als Gallium-Nitrit-Halbleiter ausgeführten Hilfsschalter zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter zusammengefasst und auf der Vorderseite des Trä gersubstrats ausgebildet werden. Durch die Ausführung als bidirektional sperren der Hilfsschalter kann im Vergleich zu einem klassischen ARCP-Modul, bei wel chem zwei antiparallele Schalter als Hilfsschalter eingesetzt werden, die erforder liche Halbleiterfläche halbiert werden. In a further advantageous embodiment of the power output stage, the two auxiliary switches designed as gallium-nitrite semiconductors can become one bidirectional blocking auxiliary switches are summarized and formed on the front of the Trä gersubstrats. As the auxiliary switch is designed to block bidirectionally, the required semiconductor area can be halved compared to a classic ARCP module, in which two anti-parallel switches are used as auxiliary switches.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Drossel spule kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat ausgebildet werden. Dies wird durch die hohen Schaltfrequenzen ermöglicht. Da keinerlei Kernmaterialien erfor derlich sind, kann ein komplexer Aufbau der Drosselspule vermieden werden. Al ternativ kann die Drosselspule kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiter platte der Leistungsendstufe ausgebildet werden. Das bedeutet, dass die Dros selspule wie die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden kann, in welche das monolithische Schaltungsmodul eingebettet oder auf welcher das monolithische Schaltungsmodul angeordnet ist. In a further advantageous embodiment of the power output stage, the choke coil can be designed without a core as a conductor track in the carrier substrate. This is made possible by the high switching frequencies. Since no core materials are required, a complex structure of the choke coil can be avoided. Alternatively, the choke coil can be designed without a core as a conductor path of the multi-layer circuit board of the power output stage. This means that the choke coil, like the capacitors of the intermediate circuit capacitance, can be embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board in which the monolithic circuit module is embedded or on which the monolithic circuit module is arranged.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuer schaltung eine Stromregelung umfassen, welche ausgeführt ist, mindestens ei nen Messstrom, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom re präsentiert, und mindestens einen Referenzstrom als analoges Signal zu emp fangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs min destens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierbei kann der mindestens eine Messstrom vorzugsweise innerhalb des mono lithischen Schaltungsmoduls erfasst werden. Zudem kann die Ansteuerschaltung eine Treiberstufe umfassen, welche ausgeführt ist, das mindestens eine Schalt signal von der Stromregelung zu empfangen, aufzubereiten und an die Leis tungsschaltvorrichtung auszugeben. Durch die hohen Schaltfrequenzen werden andere Regelungsverfahren wie beispielsweise direktschaltende Verfahren mög lich. Daher kann die Stromregelung für jede der Halbbrücken der Leistungs schaltvorrichtung einen Komparator umfassen, welcher ausgeführt ist, die korres pondierende Halbbrücke abzuschalten, wenn der Messstrom den korrespondie renden Referenzstrom überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke an zuschalten, wenn der Messstrom den korrespondierenden Referenzstrom unter schreitet. Hierdurch wird es möglich, direkt über eine Sollwertvorgabe an die korrespondie renden Komparatoren die Halbleiterleistungsschalter direkt anzusteuern. Bei ei nem dreiphasigen Motor als elektrische Last werden daher nur noch drei analoge Referenzsignale für die Phasenströme an das monolithische Schaltungsmodul gesendet. Die Stromregelung findet mit Hilfe der Komparatoren direkt im monoli thischen Schaltungsmodul statt. Der Referenzwert wird mit dem gemessenen Wert des Phasenstromes verglichen. Wird der Referenzwert überschritten wird ausgeschaltet, bei Unterschreitung wird angeschaltet. Somit stellt sich im Mittel der geforderte Referenzstrom ein. Zur Begrenzung der Schaltfrequenz können die einzelnen Komparatoren gesampelt und/oder mit Hysterese ausgeführt wer den. Das digitale Ausgangssignal der Komparatoren kann dann direkt als Schalt zustandsbefehl für die einzelnen Halbleiterleistungsschalter dienen. Das jeweilige Referenzsignal ist ein analoges Signal, welches direkt den Strom in der elektri schen Last bzw. in den einzelnen Stator-Wicklungen des dreiphasigen Motors vorgibt. Es kann von einem zentralen Steuergerät vorgegeben werden, und ent hält maximal die Maschinenfrequenzen (inklusive explizit eingeprägter Oberwel len). Die Freiheitsgrade für die Ansteuerung der elektrischen Last liegen so wei terhin im Steuergerät, die schnelle Stromdynamik wird jedoch in das monolithi sche Schaltungsmodul verschoben, was die Anforderungen an die Dynamik und Rechenleistung des Steuergerätes deutlich senken und zu einem Kostenvorteil führen kann. Gleichzeitig kann man durch die schnellen Hardware- Komparatoren einen sehr dynamischen Stromregler mit hoher Bandbreite erhalten, welcher sich die erhöhte Aktuator- Bandbreite, welche durch die Erhöhung der Schaltfrequenz entsteht, auch kostengünstig zu Nutze machen kann. Würde man die Stromrege lung weiterhin im Steuergerät ausführen, wäre für eine Erhöhung der Bandbreite der Stromregelung automatisch ein leistungsfähigeres Steuergerät notwendig, was Mehrkosten verursacht. In a further advantageous embodiment of the power output stage, the control circuit can include a current control that is designed to receive at least one measurement current, which presents a corresponding current output current re, and at least one reference current as an analog signal, and to compare them with one another and depending on the comparison To generate and output at least a corresponding switching signal. In this case, the at least one measurement current can preferably be recorded within the monolithic circuit module. In addition, the control circuit can include a driver stage which is designed to receive the at least one switching signal from the current regulator, to process it and to output it to the power switching device. Due to the high switching frequencies, other control methods such as direct switching methods are possible, please include. The current control for each of the half bridges of the power switching device can therefore include a comparator which is designed to switch off the corresponding half bridge when the measurement current exceeds the corresponding reference current, and switch on the corresponding half bridge when the measurement current falls below the corresponding reference current. This makes it possible to control the semiconductor power switch directly via a setpoint specification to the corresponding comparators. With a three-phase motor as the electrical load, only three analog reference signals for the phase currents are therefore sent to the monolithic circuit module. The current control takes place with the help of the comparators directly in the monolithic circuit module. The reference value is compared with the measured value of the phase current. If the reference value is exceeded, it is switched off, if it falls below the reference value, it is switched on. The required reference current is thus set on average. To limit the switching frequency, the individual comparators can be sampled and / or executed with hysteresis. The digital output signal of the comparators can then be used directly as a switching status command for the individual semiconductor power switches. The respective reference signal is an analog signal which directly specifies the current in the electrical load or in the individual stator windings of the three-phase motor. It can be specified by a central control unit and contains a maximum of the machine frequencies (including explicitly applied harmonics). The degrees of freedom for controlling the electrical load are still in the control device, but the fast current dynamics are shifted to the monolithic circuit module, which can significantly reduce the demands on the dynamics and computing power of the control device and lead to a cost advantage. At the same time, the fast hardware comparators can be used to obtain a very dynamic current regulator with a high bandwidth, which can also make inexpensive use of the increased actuator bandwidth that is created by increasing the switching frequency. If the current control were to continue to be carried out in the control unit, a more powerful control unit would automatically be required to increase the bandwidth of the current control, which would incur additional costs.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithi sche Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle umfassen, welche ausge führt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfan gen. Hierbei kann die elektrische Schnittstelle ein Versorgungsspannungspoten tial, ein Massepotential und den mindestens einen Referenzstrom empfangen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Leistungs schaltvorrichtung beispielsweise als B6-Inverter mit drei Halbbrücken ausgeführt werden. Hierbei kann eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindes tens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse verbunden werden. In a further advantageous embodiment of the power output stage, the monolithic circuit module can include an electrical interface which is designed to receive signals from external components and / or assemblies. The electrical interface can receive a supply voltage potential, a ground potential and the at least one reference current . In a further advantageous embodiment of the power output stage, the power switching device can be designed, for example, as a B6 inverter with three half bridges. A cooling surface of the B6 inverter can be connected to ground directly or via at least one coupling capacitor, which has a defined capacitance.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last kann die elektrische Schnittstelle ausgeführt sein, ein Versor gungsspannungspotential und ein Massepotential der Energieversorgung und den mindestens einen Referenzstrom von dem Steuergerät zu empfangen. In an advantageous embodiment of the device for supplying energy to an electrical load, the electrical interface can be designed to receive a supply voltage potential and a ground potential of the energy supply and the at least one reference current from the control device.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung ei ner elektrischen Last kann die elektrische Last als dreiphasiger bürstenlosen Gleichstrommotor ausgeführt sein, wobei die Halbbrücken des B6-Inverters je weils mit einer Phase des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors verbind bar sind. In a further advantageous embodiment of the device for supplying energy to an electrical load, the electrical load can be designed as a three-phase brushless DC motor, the half-bridges of the B6 inverter each being connectable to a phase of the three-phase brushless DC motor.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahren kann die Verzögerungszeitspanne durch eine adaptive Verzögerungskette ermittelt werden, welche durch eine An zahl von Verzögerungsschritten mit identischen Zeitspannen vorgegebenen wer den kann. Hierbei kann die Anzahl der Verzögerungsschritte der Verzögerungs zeitspanne um eins erhöht werden, wenn die Totzeitmessung den vorgegebenen Stoppwert bzw. die maximalen Totzeitspanne erreicht hat. Die Anzahl der Verzö gerungsschritte der Verzögerungszeitspanne kann um eins reduziert werden, wenn die Totzeitmessung eine vorgegebene minimale Totzeitspanne nicht er reicht hat. Die Anzahl der Verzögerungsschritte der Verzögerungszeitspanne kann sonst gleich bleiben. In an advantageous embodiment of the method, the delay time span can be determined by an adaptive delay chain, which can be specified by a number of delay steps with identical time spans. Here, the number of delay steps of the delay time span can be increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value or the maximum dead time span. The number of delay steps of the delay time span can be reduced by one if the dead time measurement has not reached a predetermined minimum dead time span. The number of delay steps of the delay time span can otherwise remain the same.
Zusätzlich oder alternativ kann die Verzögerungszeitspanne durch eine inte grierte Strommessung ermittelt werden. Hierbei kann nach dem Einschalten des ersten oder zweiten Hilfsschalters eine Zeitmessung zur Ermittlung der Verzöge rungszeitspanne und eine Messung eines Stroms durch einen korrespondieren den der beiden Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke akti viert werden, wobei der gemessene Strom mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden kann. Die Zeitmessung kann gestoppt und das Messergebnis als abgelaufene Verzögerungszeitspanne vorgegeben werden, wenn der gemes sene Strom den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Additionally or alternatively, the delay time span can be determined by an integrated current measurement. After switching on the first or second auxiliary switch, a time measurement to determine the delay time span and a measurement of a current through a corresponding one of the two semiconductor power switches of the at least one half-bridge can be activated, whereby the measured current can be compared with a predetermined threshold value. The time measurement can be stopped and the measurement result can be specified as the elapsed delay period when the measured current exceeds the specified threshold value.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wer den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung be zeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Embodiments of the invention are shown in the drawing and who explained in more detail in the following description. In the drawing, the same reference symbols denote components or elements that perform the same or analogous functions.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsendstufe. 1 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a device according to the invention for supplying energy to an electrical load with an exemplary embodiment of a power output stage according to the invention.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerschaltung für eine Halb brücke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus Fig. 1. FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a control circuit for a half bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ARCP-Moduls für eine Halbbrü cke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus Fig. 1. FIG. 3 shows a schematic circuit diagram of an ARCP module for a half-bridge of the power output stage according to the invention from FIG. 1.
Fig. 4 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der als monolithi sches Schaltungsmodul ausgeführten Leistungsendstufe aus Fig. 1. FIG. 4 shows a schematic and perspective illustration of the power output stage from FIG. 1 designed as a monolithic circuit module.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines spannungslo sen Schaltzeitpunkts für die erfindungsgemäße Leistungsendstufe aus Fig. 1. FIG. 5 shows a schematic flow diagram of a first exemplary embodiment of a method according to the invention for determining a voltage-free switching point in time for the power output stage according to the invention from FIG. 1.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines spannungslo sen Schaltzeitpunkts für die erfindungsgemäße Leistungsendstufe aus Fig. 1. 6 shows a schematic flow diagram of a second exemplary embodiment of a method according to the invention for determining a voltage-free switching point in time for the power output stage according to the invention from FIG. 1.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, jeweils eine Energieversorgung 5, ein Steuergerät 7 und eine erfindungsge mäße Leistungsendstufe 10. As can be seen from FIG. 1, the illustrated embodiment comprises a device 1 according to the invention for supplying energy to an electrical load 3, each with a power supply 5, a control device 7 and a power output stage 10 according to the invention.
Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe 10 für die Vorrichtung 1 zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, eine Leistungsschaltvorrichtung 12, welche mindestens eine Halbbrücke 12.1 umfasst und basierend auf der Gallium- nitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung 15 für die Leistungsschaltvorrichtung 12, wobei Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorder seite eines Trägersubstrats SiS ausgebildet sind. Hierbei umfasst die Ansteuer schaltung 15 für die mindestens eine Halbbrücke 12.1 jeweils ein ARCP-Modul 16B, welches zwei Hilfsschalter T3, T4 und eine Drosselspule 16.2 aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1 an einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten, wobei die Ansteuerschaltung 15 ausgeführt ist, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung und/oder durch eine adaptive Verzöge rungskette zu ermitteln. As can also be seen from FIGS. 1 to 3, the illustrated embodiment of the power output stage 10 according to the invention for the device 1 for supplying energy to an electrical load 3 comprises a power switching device 12 which comprises at least one half bridge 12.1 and is based on the gallium nitride -Silicon technology is executed, and a control circuit 15 for the power switching device 12, wherein semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 are formed as a gallium-nitrite semiconductor on a front side of a carrier substrate SiS. In this case, the control circuit 15 comprises an ARCP module 16B for each of the at least one half-bridge 12.1, which has two auxiliary switches T3, T4 and a choke coil 16.2 and is designed to switch the semiconductor power switches TI, T2 of the corresponding half-bridge 12.1 at a voltage-free switching time, wherein the control circuit 15 is designed to determine the voltage-free switching time by an integrated current measurement and / or by an adaptive delay chain.
Wie insbesondere aus Fig. 1 und 4 weiter ersichtlich ist, sind die Leistungsschalt vorrichtung 12 und die Ansteuerschaltung 15 basierend auf der Galliumnitrid-auf- Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt. Hierbei sind zumindest die einzelnen aktiven Komponenten des monolithischen Schal tungsmoduls auf einem gemeinsamen Trägersubstrat SiS angeordnet. As can also be seen in particular from FIGS. 1 and 4, the power switching device 12 and the control circuit 15 are designed as a monolithic circuit module based on gallium nitride-on-silicon technology. Here, at least the individual active components of the monolithic circuit module are arranged on a common SiS carrier substrate.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist die elektrische Last 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrom motor 3A ausgeführt. Die Leistungsschaltvorrichtung 12 ist als B6-Inverter 12A mit drei Halbbrücken 12.1 ausgeführt, wobei die Halbbrücken 12.1 des B6-Inver- ters 12A jeweils mit einer Phase U, V, W des dreiphasigen bürstenlosen Gleich strommotors 3A verbunden sind. Zudem ist eine Kühlfläche des B6-Inverters 12A direkt oder über mindestens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse GND verbunden. Bei alternativen nicht dargestell ten Ausführungsbeispielen kann die Leistungsschaltvorrichtung 12 auch weniger oder mehr als drei Halbbrücken 12.1 aufweisen. Zudem kann die Vorrichtung 1 zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3 auch eine andere elektrische Last 3 als einen dreiphasigen Gleichstrommotor 3A mit Energie versorgen. As can also be seen from Fig. 1, the electrical load 3 is designed in the illustrated embodiment of the device 1 as a three-phase brushless DC motor 3A. The power switching device 12 is designed as a B6 inverter 12A with three half bridges 12.1, the half bridges 12.1 of the B6 inverter 12A each being connected to a phase U, V, W of the three-phase brushless DC motor 3A. In addition, a cooling surface of the B6 inverter 12A is connected to ground GND directly or via at least one coupling capacitor, which has a defined capacitance. In alternative exemplary embodiments that are not illustrated, the power switching device 12 can also have fewer or more than three half bridges 12.1. In addition, the device 1 to supply energy to an electrical load 3, also supply an electrical load 3 other than a three-phase direct current motor 3A with energy.
Wie aus Fig. 1 und 5 weiter ersichtlich ist, sind Kondensatoren CI, C2 einer Zwi schenkreiskapazität 14 zur Pufferung einer Versorgungsspannung UBat in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils auf dem Trägersubstrat SiS ange ordnet. Somit ist die Zwischenkreiskapazität 14 im dargestellten Ausführungsbei spiel ebenfalls in das monolithische Schaltungsmodul integriert. As can also be seen from Fig. 1 and 5, capacitors CI, C2 of an intermediate circuit capacitance 14 for buffering a supply voltage UBat in the illustrated embodiments are each arranged on the carrier substrate SiS. Thus, the intermediate circuit capacitance 14 is also integrated into the monolithic circuit module in the illustrated Ausführungsbei.
Bei nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14 auf separaten Trägersubstraten angeordnet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kon densatoren CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14 bei diesen Ausführungsbei spielen direkt in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. In the case of exemplary embodiments of the power output stage 10 not shown, the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board. In these exemplary embodiments, the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be arranged on separate carrier substrates and embedded in the multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board. Alternatively, the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can play in these Ausführungsbei directly embedded in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15 eine Stromregelung 18, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom lm(U,V,W, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom lo(U,V,W) repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom lr(U,V,W) als ana loges Signal zu empfangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierzu umfasst die Stromregelung 18 im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel für jede der Halbbrücken 12.1 der Leistungsschaltvorrichtung 12 einen Komparator 18.1, welcher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrü cke 12.1 abzuschalten, wenn der Messstrom lm(U,V,W den korrespondierenden Referenzstrom lr(U,V,W) überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke 12.1 anzuschalten, wenn der Messstrom lm(U,V,W) den korrespondierenden Re ferenzstrom lr(U,V,W) unterschreitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Stromregelung 18 ist der Komparator 18.1 durch ein Taktsignal TS getaktet. Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird der mindestens eine Messstrom lm(U,V,W) im dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des monolithischen Schaltungs moduls erfasst. As can also be seen from FIGS. 1 and 2, the control circuit 15 comprises a current control 18 which is designed to include at least one measurement current Im (U, V, W, which represents a corresponding current output current lo (U, V, W), and to receive at least one reference current Ir (U, V, W) as an analog signal and to compare it with one another and to generate and output at least one corresponding switching signal as a function of the comparison Power switching device 12 has a comparator 18.1, which is designed to switch off the corresponding half-bridge 12.1 when the measurement current Im (U, V, W exceeds the corresponding reference current Ir (U, V, W), and to switch on the corresponding half-bridge 12.1 when the measurement current Im (U, V, W) falls below the corresponding reference current Ir (U, V, W) In the exemplary embodiment shown, the current regulator 18 is t the comparator 18.1 clocked by a clock signal TS. As can also be seen from Fig. 1, the at least one measuring current lm (U, V, W) detected in the illustrated embodiment within the monolithic circuit module.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Treiberstufe 16, welche eine Gate-An- steuerung 16A umfasst und ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung 18 bzw. dem korrespondierenden Komparator 18.1 zu emp fangen, aufzubereiten und an die beiden Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1 der Leistungsschaltvorrichtung 12 auszu geben. As can also be seen from FIGS. 1 and 2, the control circuit 15 in the illustrated embodiment includes a driver stage 16 which includes a gate control 16A and is designed to supply the at least one switching signal from the current regulator 18 or the corresponding comparator 18.1 receive, process and give trainees to the two semiconductor power switches TI, T2 of the corresponding half-bridge 12.1 of the power switching device 12.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, umfasst das monolithische Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle 13, welche ausgeführt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen. In den dargestellten Ausfüh rungsbeispielen empfängt die elektrische Schnittstelle 13 jeweils das Versor gungsspannungspotential UBat und ein Massepotential GND von der Energiever sorgung 5 und den mindestens einen Referenzstrom lr(U,V,W) von dem Steuer gerät 7. Zur Erzeugung des mindestens einen Referenzstroms lr(U,V,W) wertet das Steuergerät 7 Ausgangssignale einer Sensorik DWM aus, welche im darge stellten Ausführungsbeispiel den Drehwinkel des dreiphasigen Gleichstrommo tors 3A erfasst und die korrespondieren Ausgangssignale erzeugt. As can also be seen from FIG. 1, the monolithic circuit module comprises an electrical interface 13 which is designed to receive signals from external components and / or assemblies. In the exemplary embodiments shown, the electrical interface 13 receives the supply voltage potential UBat and a ground potential GND from the energy supply 5 and the at least one reference current Ir (U, V, W) from the control device 7. To generate the at least one reference current Ir (U, V, W) the control unit 7 evaluates output signals from a sensor system DWM which, in the exemplary embodiment shown, detects the angle of rotation of the three-phase DC motor 3A and generates the corresponding output signals.
Wie aus Fig. 1 und 3 weiter ersichtlich ist, ist die Zwischenkreiskapazität 14 im dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10 geteilt ausgeführt und umfasst zwei Kondensatoren CI, C2, welche jeweils als Silizium-Kondensa toren in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trä gersubstrates SiS ausgebildet sind, um die Versorgungsspannung UBat zu puf fern. Hierbei sind die Silizium- Kondensatoren CI, C2 mittels nicht dargestellter Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat SiS mit der Leistungsschaltvor richtung 12 B elektrisch kontaktiert. As can also be seen from Fig. 1 and 3, the intermediate circuit capacitance 14 in the illustrated embodiment of the power output stage 10 is divided and comprises two capacitors CI, C2, which each as silicon capacitors in deep trench technology on the back of the common Trä gersubstrates SiS are designed to buffer the supply voltage UBat. Here, the silicon capacitors CI, C2 are electrically contacted by means of vias, not shown, through the carrier substrate SiS with the power switching device 12B.
Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte einge bettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungs beispielen können die Kondensatoren CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14 als Silizium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten ausgebildet werden und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensato ren CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14 alternativ als mehrlagige Keramik- Kondensatoren in Chip-Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausge bildet und direkt in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagi gen Leiterplatte angeordnet werden. In alternative exemplary embodiments, not shown, of the power output stage 10, the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or arranged on the multilayer printed circuit board. In this embodiment, the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can be used as Silicon capacitors are formed on separate carrier substrates and embedded in the multilayer printed circuit board or are arranged on the multilayer printed circuit board. In these exemplary embodiments, the capacitors CI, C2 of the intermediate circuit capacitance 14 can alternatively be formed as multilayer ceramic capacitors in chip design (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) and embedded directly in the multilayer circuit board or arranged on the multilayer circuit board.
Wie aus Fig. 1 und 3 weiter ersichtlich ist, ist das ARCP-Modul 16 als Teil der Treiberstufe 16 ausgeführt und in das monolithische Schaltungsmodul integriert. Hierzu sind die beiden Hilfsschalter T3, T4 als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter 16.1 zusammengefasst und mit den Halb leiterleistungsschaltern TI, T2 der einzelnen Halbbrücken 12.1 B auf der Vorder seite des Trägersubstrats SiS ausgebildet. Die Drosselspule 16.2 ist kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat SiS ausgebildet. As can also be seen from FIGS. 1 and 3, the ARCP module 16 is designed as part of the driver stage 16 and is integrated into the monolithic circuit module. For this purpose, the two auxiliary switches T3, T4 are combined as gallium nitrite semiconductors to form a bidirectional blocking auxiliary switch 16.1 and formed with the semiconductor power switches TI, T2 of the individual half bridges 12.1 B on the front of the carrier substrate SiS. The choke coil 16.2 is designed without a core as a conductor track in the SiS carrier substrate.
Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsend stufe 10, bei welchem das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist, ist die Drosselspule 16.2 kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte ausge bildet. In an alternative embodiment, not shown, of the power output stage 10, in which the monolithic circuit module is embedded in a multilayer printed circuit board or is arranged on the multilayer printed circuit board, the inductor 16.2 is coreless and forms a conductor path of the multilayer printed circuit board.
Das in Fig. 5 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 zur Er mittlung eines spannungslosen Schaltzeitpunkts für die oben beschriebene Leis tungsendstufe 10 basiert auf einer adaptiven Verzögerungskette. Hierbei wird das Verfahren 100 in einem Schritt S100 beispielsweise durch den Start des Fahrzeugs gestartet. Anschließend wird im Schritt S110 gewartet, bis ein Schalt befehl für einen der beiden Hilfsschalter T3, T4 empfangen wird. Im Schritt S120 wird dann geprüft, ob ein erster Schaltbefehl, welcher beispielsweise einen Über gang von einem ersten auf einen zweiten logischen Zustand repräsentiert, oder ob ein zweiter Schaltbefehl empfangen wurde, welcher beispielsweise einen Übergang von dem zweiten auf den ersten logischen Zustand repräsentiert. Wurde im Schritt S120 der erste Schaltbefehl erkannt, dann wird das Verfahren mit dem Schritt S130 fortgesetzt. Wurde im Schritt S120 der zweite Schaltbefehl erkannt, dann wird das Verfahren mit dem Schritt S230 fortgesetzt. Im Schritt S130 wird der erste Hilfsschalter T3 in Abhängigkeit des empfangenen ersten Schaltbefehls eingeschaltet bzw. leitend geschaltet. Dadurch steigt ein Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 an. Im Schritt S140 wird eine Verzö gerungszeitspanne TV aktiviert, welche durch eine Anzahl X von Verzögerungs schritten mit identischen Zeitspannen vorgegeben ist, und der Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 steigt weiter. Nach Ablauf der Verzögerungs zeitspanne TV ist der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 größer als der korres pondierende Ausgangsstrom lo(U,V,W) und ein korrespondierender Strom IT1 durch den korrespondierenden, hier den ersten Halbleiterleistungsschalter TI, der beiden Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 ist größer als Null und eine Knotenspannung US über dem ersten Halbleiter schalter TI entspricht einem Massepotential GND. Daher wird der erste Halb leiterleistungsschalter TI im Schritt S150 ausgeschaltet bzw. sperrend geschaltet und eine Totzeitmessung mit einem vorgegebenen Stoppwert wird aktiviert, wel cher einem maximalen Wert für eine Totzeitspanne TS entspricht. Dadurch steigt die Knotenspannung US über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI an, wel che im Schritt S160 gemessen und mit einem ersten Spannungsschwellwert ver glichen wird. Dieser erste Spannungsschwellwert entspricht beispielsweise unge fähr dem Versorgungsspannungspotential UBat bzw. ist etwas niedriger als das Versorgungsspannungspotential UBat gewählt. Im Schritt S170 wird der andere, hier der zweite Halbleiterleistungsschalter T2, der beiden Halbleiterleistungs schalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und die Totzeitmessung gestoppt, wenn die gemessene Knotenspan nung US dem vorgegebenen ersten Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den vorgegebenen Stoppwert bzw. die maximale Totzeitspanne TS erreicht hat. Zum Einschaltzeitpunkt ist ein Spannungsabfall über dem zwei ten Halbleiterleistungsschalter T2 im Idealfall gleich Null. Dadurch ist der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 spannungslos und kann verlustlos leitend bzw. ein geschaltet werden. Zudem wird im Schritt S170 die Anzahl X der Verzögerungs schritte der Verzögerungszeitspanne VT um eins erhöht, wenn die Totzeitmes sung den vorgegebenen Stoppwert bzw. die maximale Totzeitspanne TS erreicht hat. Die Anzahl X der Verzögerungsschritte der ersten Verzögerungszeitspanne VT1 wird um eins reduziert, wenn die abgelaufene Zeitspanne kleiner als ein mi- nimaler Wert für die Totzeitspanne TS ist, wobei die Anzahl X der Verzögerungs schritte der Verzögerungszeitspanne TV sonst konstant gehalten wird. Das be deutet, dass die Verzögerungszeitspanne TV1 nicht verändert wird, wenn die ge stoppte Zeitdauer der Totzeitmessung zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert der Totzeitspanne TS liegt. Nach dem Einschalten des zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 wird im Schritt S180 die Verzögerungszeitspanne TV aktiviert. Nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne TV wird im Schritt S190 der eingeschaltete erste Hilfsschalter T3 abgeschaltet bzw. sperrend geschaltet. Das bedeutet, dass der erste Hilfsschalter T3 nach dem Einschalten des zweiten Halbleiterleistungsschalters T2 noch für die Dauer der Verzögerungszeitspanne TV eingeschaltet bleibt, damit sich der Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Anschließend wird das Verfahren 100 mit dem Schritt S110 fortgesetzt und auf den Empfang des nächsten Schaltbefehls gewartet. The first exemplary embodiment of the method 100 shown in FIG. 5 for determining a voltage-free switching time for the power output stage 10 described above is based on an adaptive delay chain. The method 100 is started in a step S100, for example by starting the vehicle. Then in step S110 there is a wait until a switching command for one of the two auxiliary switches T3, T4 is received. In step S120 it is then checked whether a first switching command, which for example represents a transition from a first to a second logic state, or whether a second switching command has been received, which for example represents a transition from the second to the first logic state. If the first switching command was recognized in step S120, the method is continued with step S130. If the second switching command was recognized in step S120, the method is continued with step S230. In step S130, the first auxiliary switch T3 is switched on or switched on as a function of the received first switching command. As a result, a coil current IL increases through the choke coil 16.2. In step S140, a delay period TV is activated, which is predetermined by a number X of delay steps with identical periods of time, and the coil current IL through the choke coil 16.2 continues to rise. After the delay period TV has elapsed, the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W) and a corresponding current IT1 through the corresponding, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is greater than zero and a node voltage US across the first semiconductor switch TI corresponds to a ground potential GND. Therefore, the first semiconductor power switch TI is switched off or switched off in step S150 and a dead time measurement with a predetermined stop value is activated, wel cher corresponds to a maximum value for a dead time period TS. This increases the node voltage US across the first semiconductor power switch TI, which is measured in step S160 and compared with a first voltage threshold value. This first voltage threshold value corresponds, for example, approximately to the supply voltage potential UBat or is selected to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat. In step S170, the other, here the second semiconductor power switch T2, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified first voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value or the maximum dead time TS. At the switch-on time, a voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally zero. As a result, the second semiconductor power switch T2 is de-energized and can be turned on or switched on without loss. In addition, in step S170 the number X of the delay steps of the delay time span VT is increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value or the maximum dead time span TS. The number X of the delay steps of the first delay time span VT1 is reduced by one if the elapsed time span is less than a minimal nimaler value for the dead time period TS, the number X of delay steps of the delay period TV is otherwise kept constant. This means that the delay period TV1 is not changed if the stopped period of the dead time measurement lies between the minimum value and the maximum value of the dead period TS. After the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the delay period TV is activated in step S180. After the delay time span TV has elapsed, the switched-on first auxiliary switch T3 is switched off or switched off in step S190. This means that after the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the first auxiliary switch T3 remains switched on for the duration of the delay time span TV so that the coil current IL can be reduced through the choke coil 16.2. The method 100 is then continued with step S110 and the receipt of the next switching command is waited for.
Im Schritt S230 wird der zweite Hilfsschalter T4 in Abhängigkeit des empfange nen zweiten Schaltbefehls eingeschaltet bzw. leitend geschaltet. Dadurch sinkt der Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 ab. Im Schritt S240 wird die Ver zögerungszeitspanne TV aktiviert und der Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 sinkt weiter ab. Nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne TV ist der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 größer als der korrespondierende Ausgangsstrom lo(U,V,W) und ein korrespondierender Strom IT2 durch den korrespondierenden, hier den zweiten Halbleiterleistungsschalter T2, der beiden Halbleiterleistungs schalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 ist kleiner als Null. Daher wird der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 im Schritt S250 sperrend bzw. aus geschaltet und die Totzeitmessung mit dem vorgegebenen Stoppwert aktiviert, welcher dem maximalen Wert für die Totzeitspanne TS entspricht. Dadurch sinkt die Knotenspannung US über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI ab, wel che im Schritt S260 gemessen und mit einem zweiten Spannungsschwellwert verglichen wird. Dieser zweite Spannungsschwellwert entspricht beispielsweise ungefähr dem Massepotential GND bzw. ist etwas höher als das Massepotential GND gewählt. Im Schritt S270 wird der andere, hier der erste Halbleiterleistungs schalter TI, der beiden Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und die Totzeitmessung gestoppt, wenn die gemessene Knotenspannung US dem vorgegebenen zweiten Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den vorgegebenen Stoppwert erreicht hat. Zum Einschaltzeitpunkt ist ein Spannungsabfall über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI im Idealfall gleich Null. Dadurch ist der erste Halbleiterleistungsschalter TI spannungslos und kann verlustlos leitend bzw. ein geschaltet werden. Zudem wird im Schritt S270 die Anzahl X der Verzögerungs schritte der Verzögerungszeitspanne VT um eins erhöht, wenn die Totzeitmes sung den vorgegebenen Stoppwert erreicht hat. Die Anzahl X der Verzögerungs schritte der ersten Verzögerungszeitspanne VT1 wird um eins reduziert, wenn die abgelaufene Zeitspanne kleiner als der minimale Wert für die Totzeitspanne TS ist, wobei die Anzahl X der Verzögerungsschritte der Verzögerungs zeitspanne TV sonst konstant gehalten wird. Das bedeutet, dass die Verzöge rungszeitspanne TV nicht verändert wird, wenn die gestoppte Zeitdauer der Zeit messung zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert der Totzeit spanne TS liegt. Nach dem Einschalten des ersten Halbleiterleistungsschalter TI wird im Schritt S280 die Verzögerungszeitspanne TV aktiviert. Nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne TV wird im Schritt S290 der eingeschaltete zweite Hilfs schalter T4 abgeschaltet. Das bedeutet, dass der zweite Hilfsschalter T4 nach dem Einschalten des ersten Halbleiterleistungsschalters TI noch für die Dauer der Verzögerungszeitspanne TV eingeschaltet bleibt. Anschließend wird das Ver fahren 100 mit dem Schritt S110 fortgesetzt und auf den Empfang des nächsten Schaltbefehls gewartet. In step S230, the second auxiliary switch T4 is switched on or switched on as a function of the received second switching command. As a result, the coil current IL drops through the choke coil 16.2. In step S240, the delay period TV is activated and the coil current IL through the choke coil 16.2 continues to decrease. After the delay period TV has elapsed, the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W) and a corresponding current IT2 through the corresponding, here the second semiconductor power switch T2, the two semiconductor power switches TI, T2 is at least a half bridge 12.1 is less than zero. The second semiconductor power switch T2 is therefore switched to blocking or off in step S250 and the dead time measurement is activated with the predetermined stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time period TS. As a result, the node voltage US drops across the first semiconductor power switch TI, which is measured in step S260 and compared with a second voltage threshold value. This second voltage threshold value corresponds approximately to the ground potential GND or is selected to be somewhat higher than the ground potential GND. In step S270, the other, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified second voltage threshold value or the dead time measurement corresponds to the specified value Has reached the stop value. At the switch-on time, a voltage drop across the first semiconductor power switch TI is ideally equal to zero. As a result, the first semiconductor power switch TI is de-energized and can be turned on or switched on without loss. In addition, in step S270, the number X of the delay steps of the delay period VT is increased by one when the dead time measurement has reached the predetermined stop value. The number X of delay steps of the first delay time span VT1 is reduced by one if the elapsed time span is less than the minimum value for the dead time span TS, the number X of delay steps of the delay time span TV being otherwise kept constant. This means that the delay time span TV is not changed if the stopped time duration of the time measurement is between the minimum value and the maximum value of the dead time span TS. After the first semiconductor power switch TI has been switched on, the delay period TV is activated in step S280. After the delay period TV has elapsed, the switched-on second auxiliary switch T4 is switched off in step S290. This means that the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay period TV after the first semiconductor power switch TI has been switched on. Then the process 100 is continued with step S110 and the receipt of the next switching command is awaited.
Das in Fig. 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 zur Er mittlung eines spannungslosen Schaltzeitpunkts für die oben beschriebene Leis tungsendstufe 10 basiert auf einer integrierten Strommessung. Hierbei wird das Verfahren 200 in einem Schritt S300 beispielsweise durch den Start des Fahr zeugs gestartet. Anschließend wird im Schritt S310 gewartet, bis ein Schaltbefehl für einen der beiden Hilfsschalter empfangen wird. Im Schritt S320 wird dann ge prüft, ob ein erster Schaltbefehl, welcher beispielsweise einen Übergang von ei nem ersten auf einen zweiten logischen Zustand repräsentiert, oder ob ein zwei ter Schaltbefehl empfangen wurde, welcher beispielsweise einen Übergang von dem zweiten auf den ersten logischen Zustand repräsentiert. Wurde im Schritt S320 der erste Schaltbefehl erkannt, dann wird das Verfahren mit dem Schritt S330 fortgesetzt. Wurde im Schritt S320 der zweite Schaltbefehl erkannt, dann wird das Verfahren mit dem Schritt S430 fortgesetzt. Im Schritt S330 wird der erste Hilfsschalter T3 in Abhängigkeit des empfangenen ersten Schaltbefehls eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und eine Zeitmessung zur Ermittlung der Verzögerungszeitspanne TV aktiviert bzw. gestartet. Dadurch steigt ein Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 an und ein Strom IT1 durch den korrespondierenden, hier den ersten Halbleiterleistungsschalter TI der beiden Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 wird im Schritt S340 gemessen. Im Schritt S350 wird der erste Halbleiterleis tungsschalter TI ausgeschaltet bzw. sperrend geschaltet und die Totzeitmes sung mit einem vorgegebenen Stoppwert aktiviert, welcher dem maximalen Wert für die Totzeitspanne TS entspricht, sowie die Zeitmessung gestoppt und das Messergebnis als abgelaufene Verzögerungszeitspanne VT vorgegeben, wenn der Strom IT1 durch den ersten Halbleiterleistungsschalter TI einen vorgegebe nen Stromschwel Iwert überschreitet. Das bedeutet, dass der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 größer als der korrespondierende Ausgangsstrom lo(U,V,W) ist und die Knotenspannung US über dem ersten Halbleiterschalter TI ungefähr dem Massepotential GND entspricht. Im Schritt S360 wird die Knotenspannung US über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI gemessen und mit dem ers ten Spannungsschwellwert verglichen, welcher beispielsweise ungefähr dem Versorgungsspannungspotential UBat entspricht bzw. etwas niedriger als das Versorgungsspannungspotential UBat gewählt ist. Im Schritt S370 wird der an dere, hier der zweite Halbleiterleistungsschalter T2, der beiden Halbleiterleis tungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und die Totzeitmessung gestoppt, wenn die gemessene Kno tenspannung US dem vorgegebenen ersten Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den vorgegebenen Stoppwert erreicht hat. Zum Ein schaltzeitpunkt ist ein Spannungsabfall über dem zweiten Halbleiterleistungs schalter T2 im Idealfall gleich Null. Dadurch ist der zweite Halbleiterleistungs schalter T2 spannungslos und kann verlustlos leitend bzw. eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten des zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 wird im Schritt S380 die durch die Zeitmessung ermittelte Verzögerungszeitspanne TV aktiviert. Nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne TV wird im Schritt S390 der einge schaltete erste Hilfsschalter T3 abgeschaltet bzw. sperrend geschaltet. Das be deutet, dass der erste Hilfsschalter T3 nach dem Einschalten des zweiten Halb leiterleistungsschalters T2 noch für die Dauer der Verzögerungszeitspanne TV eingeschaltet bleibt, damit sich der Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Anschließend wird das Verfahren 200 mit dem Schritt S310 fort gesetzt und auf den Empfang des nächsten Schaltbefehls gewartet. The illustrated in Fig. 6 second embodiment of the method 200 for determining a voltage-free switching time for the power output stage 10 described above is based on an integrated current measurement. Here, the method 200 is started in a step S300, for example by starting the vehicle. Then in step S310 there is a wait until a switching command for one of the two auxiliary switches is received. In step S320 it is then checked whether a first switching command, which for example represents a transition from a first to a second logic state, or whether a second switching command has been received, which for example represents a transition from the second to the first logic state . If the first switching command was recognized in step S320, the method is continued with step S330. If the second switching command was recognized in step S320, the method is continued with step S430. In step S330 the first auxiliary switch T3 is switched on or switched on as a function of the received first switching command and a time measurement for determining the delay time span TV is activated or started. As a result, a coil current IL rises through the choke coil 16.2 and a current IT1 through the corresponding, here the first semiconductor power switch TI of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is measured in step S340. In step S350, the first semiconductor power switch TI is switched off or switched off and the dead time measurement is activated with a predetermined stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time period TS, and the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time period VT when the current IT1 exceeds a specified current threshold through the first semiconductor power switch TI. This means that the current IL through the choke coil 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W) and the node voltage US across the first semiconductor switch TI corresponds approximately to the ground potential GND. In step S360, the node voltage US across the first semiconductor power switch TI is measured and compared with the first voltage threshold value which, for example, corresponds approximately to the supply voltage potential UBat or is selected to be somewhat lower than the supply voltage potential UBat. In step S370 the other, here the second semiconductor power switch T2, the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on and the dead time measurement is stopped when the measured node voltage US corresponds to the specified first voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value. At the time of switching on, a voltage drop across the second semiconductor power switch T2 is ideally equal to zero. As a result, the second semiconductor power switch T2 is de-energized and can be turned on or switched on without loss. After the second semiconductor power switch T2 has been switched on, the delay time span TV determined by the time measurement is activated in step S380. After the delay period TV has elapsed, the switched-on first auxiliary switch T3 is switched off or switched to a blocking state in step S390. This means that the first auxiliary switch T3 remains switched on for the duration of the delay period TV after switching on the second semiconductor power switch T2, so that the coil current IL through the choke coil 16.2 can break down. The method 200 is then continued with step S310 and the receipt of the next switching command is waited for.
Im Schritt S430 wird der zweite Hilfsschalter T4 in Abhängigkeit des empfange nen zweiten Schaltbefehls eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und die Zeitmes sung zur Ermittlung der Verzögerungszeitspanne TV aktiviert bzw. gestartet. Dadurch sinkt ein Spulenstrom IL durch die Drosselspule 16.2 ab und ein Strom durch den korrespondierenden, hier den zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 der beiden Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 wird im Schritt S440 gemessen. Im Schritt S450 wird der zweite Halbleiter leistungsschalter T2 ausgeschaltet bzw. sperrend geschaltet und die Totzeitmes sung mit dem vorgegebenen Stoppwert aktiviert, welcher dem maximalen Wert für die Totzeitspanne TS entspricht, sowie die Zeitmessung gestoppt und das Messergebnis als abgelaufene Verzögerungszeitspanne VT vorgegeben, wenn der Strom durch den zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 den vorgegebenen Stromschwellwert überschreitet. Das bedeutet, dass der Strom IL durch die Dros selspule 16.2 größer als der korrespondierende Ausgangsstrom lo(U,V,W) ist. Im Schritt S460 wird die Knotenspannung US über dem ersten Halbleiterleistungs schalter TI gemessen und mit dem zweiten Spannungsschwellwert verglichen, welcher beispielsweise ungefähr dem Massepotential GND entspricht bzw. etwas größer als das Massepotential GND gewählt ist. Im Schritt S470 wird der andere, hier der erste Halbleiterleistungsschalter TI, der beiden Halbleiterleistungsschal ter TI, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1 eingeschaltet bzw. leitend ge schaltet, wenn die gemessene Knotenspannung US dem vorgegebenen zweiten Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den vorgegebenen Stoppwert erreicht hat. Zum Einschaltzeitpunkt ist ein Spannungsabfall über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI im Idealfall gleich Null. Dadurch ist der erste Halbleiterleistungsschalter TI spannungslos und kann verlustlos leitend bzw. ein geschaltet werden. Nach dem Einschalten des ersten Halbleiterleistungsschalter TI wird im Schritt S480 die durch die Zeitmessung ermittelte Verzögerungs zeitspanne TV aktiviert. Nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne TV wird im Schritt S490 der eingeschaltete zweite Hilfsschalter T4 abgeschaltet bzw. sper rend geschaltet. Das bedeutet, dass der zweite Hilfsschalter T4 nach dem Ein schalten des ersten Halbleiterleistungsschalters TI noch für die Dauer der Verzö gerungszeitspanne TV eingeschaltet bleibt. Anschließend wird das Verfahren 200 mit dem Schritt S310 fortgesetzt und auf den Empfang des nächsten Schalt befehls gewartet. In step S430, the second auxiliary switch T4 is switched on or switched on as a function of the received second switching command and the time measurement for determining the delay period TV is activated or started. As a result, a coil current IL through the choke coil 16.2 drops and a current through the corresponding, here the second semiconductor power switch T2 of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is measured in step S440. In step S450, the second semiconductor power switch T2 is switched off or switched off and the dead time measurement is activated with the specified stop value, which corresponds to the maximum value for the dead time TS, and the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time VT when the current by the second semiconductor power switch T2 exceeds the predetermined current threshold value. This means that the current IL through the Dros selspule 16.2 is greater than the corresponding output current lo (U, V, W). In step S460, the node voltage US is measured across the first semiconductor power switch TI and compared with the second voltage threshold value, which, for example, corresponds approximately to the ground potential GND or is selected to be somewhat greater than the ground potential GND. In step S470, the other, here the first semiconductor power switch TI, of the two semiconductor power switches TI, T2 of the at least one half bridge 12.1 is switched on or switched on when the measured node voltage US corresponds to the specified second voltage threshold value or the dead time measurement has reached the specified stop value . At the switch-on time, a voltage drop across the first semiconductor power switch TI is ideally equal to zero. As a result, the first semiconductor power switch TI is de-energized and can be turned on or switched on without loss. After the first semiconductor power switch TI has been switched on, the delay time span TV determined by the time measurement is activated in step S480. After the delay period TV has elapsed, the switched-on second auxiliary switch T4 is switched off or switched off in step S490. This means that after the first semiconductor power switch TI has been switched on, the second auxiliary switch T4 remains switched on for the duration of the delay period TV. Then the procedure 200 continued with step S310 and waited for the receipt of the next switching command.
Die Verzögerungszeitspanne VT kann beispielsweise mit einem geschalteten Schieberegister umgesetzt werden. Die Totzeitspanne TS kann beispielsweise mit einer monostabilen Kippstufe umgesetzt werden. The delay time span VT can be implemented, for example, with a switched shift register. The dead time TS can be implemented, for example, with a monostable multivibrator.
Die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind prinzipiell in NMOS-Logik realisierbar. Das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 ist durch ihre adaptive Natur unempfindlicher gegen Parameterstreuungen, benö tigt aber insgesamt mehr Logikelemente als das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200. Das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 kann je doch nur bei ausreichend genauer Strommessung verwendet werden. Es können auch beide Verfahren 100, 200 kombiniert werden, wenn beispielsweise die Strommessung allein nicht ausreichend genau ist, aber dennoch dazu verwendet werden kann, das Einstellen der adaptiven Verzögerungskette zu unterstützen bzw. zu verifizieren. The two described exemplary embodiments of the method can in principle be implemented in NMOS logic. The first exemplary embodiment of the method 100 is less sensitive to parameter spreads due to its adaptive nature, but requires a total of more logic elements than the second exemplary embodiment of the method 200. The second exemplary embodiment of the method 200 can, however, only be used if the current measurement is sufficiently accurate. The two methods 100, 200 can also be combined if, for example, the current measurement alone is not sufficiently accurate, but can still be used to support or verify the setting of the adaptive delay chain.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Leistungsendstufe (10) für eine Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3), mit einer Leistungsschaltvorrichtung (12), welche mindestens eine Halbbrücke (12.1) umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer An steuerschaltung (15) für die Leistungsschaltvorrichtung (12), wobei Halb leiterleistungsschalter (TI, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats (SiS) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer schaltung (15) für die mindestens eine Halbbrücke (12.1) jeweils ein ARCP-Modul (16B) umfasst, welches zwei Hilfsschalter (T3, T4) und eine Drosselspule (16.2) aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleis tungsschalter (TI, T2) der korrespondierenden Halbbrücke (12.1) an ei nem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten, wobei die Ansteuer schaltung (15) ausgeführt ist, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung und/oder durch eine adaptive Ver zögerungskette zu ermitteln. 1. Power output stage (10) for a device (1) for supplying energy to an electrical load (3), with a power switching device (12) which comprises at least one half-bridge (12.1) and is based on gallium nitride-on-silicon technology, and a control circuit (15) for the power switching device (12), wherein semi-conductor power switches (TI, T2) of the at least one half bridge (12.1) are formed as a gallium nitrite semiconductor on a front side of a carrier substrate (SiS), characterized in that the control circuit (15) for the at least one half bridge (12.1) each comprises an ARCP module (16B), which has two auxiliary switches (T3, T4) and a choke coil (16.2) and is designed, the semiconductor power switch (TI, T2 ) to switch the corresponding half-bridge (12.1) at egg nem voltage-free switching time, wherein the control circuit (15) is designed to integrate the voltage-free switching time te current measurement and / or to determine by an adaptive delay chain.
2. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (12) und die Ansteuerschaltung (15) ba sierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt sind, wobei zumindest die einzelnen akti ven Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf einem ge meinsamen Trägersubstrat (SiS) angeordnet sind. 2. Power output stage (10) according to claim 1, characterized in that the power switching device (12) and the control circuit (15) based on the gallium nitride-on-silicon technology are designed as a monolithic circuit module, with at least the individual active components of the monolithic circuit module are arranged on a common carrier substrate (SiS).
3. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass Kondensatoren (CI, C2) einer Zwischenkreiskapazität (14) als Silizium- Kondensatoren ausgebildet und auf der Vorderseite und/oder Rückseite des Trägersubstrats (SiS) angeordnet sind. 3. Power output stage (10) according to claim 1 or 2, characterized in that capacitors (CI, C2) of an intermediate circuit capacitance (14) are designed as silicon capacitors and are arranged on the front and / or rear of the carrier substrate (SiS).
4. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, dass das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiter platte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist. 4. power output stage (10) according to claim 2 or 3, characterized in that the monolithic circuit module is embedded in a multilayer circuit board or is arranged on the multilayer circuit board.
5. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (CI, C2) der Zwischenkreiskapazität (14) als Sili zium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten oder als mehrla gige Keramik- Kondensatoren in Chip-Bauweise ausgebildet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sind. 5. Power output stage (10) according to claim 4, characterized in that the capacitors (CI, C2) of the intermediate circuit capacitance (14) are designed as silicon capacitors on separate carrier substrates or as multilayer ceramic capacitors in chip design and in the multilayer Printed circuit board embedded or arranged on the multilayer circuit board.
6. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die beiden als Gallium-Nitrit-Halbleiter ausgeführten Hilfsschalter (T3, T4) zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter (16.1) zusammengefasst und auf der Vorderseite des Trägersubstrats (SiS) ausgebildet sind. 6. Power output stage (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the two auxiliary switches (T3, T4) designed as gallium-nitrite semiconductors are combined to form a bidirectionally blocking auxiliary switch (16.1) and on the front side of the carrier substrate ( SiS) are formed.
7. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die Drosselspule (16.2) kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat (SiS) ausgebildet ist. 7. Power output stage (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the choke coil (16.2) is designed without a core as a conductor track in the carrier substrate (SiS).
8. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die Drosselspule (16.2) kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet ist. 8. power output stage (10) according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the choke coil (16.2) is designed without a core as a conductor track of the multilayer printed circuit board.
9. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) eine Stromregelung (18) umfasst, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom (lm(U,V,W)), welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangs strom (lo(U,V,W)) repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom (lr(U,V,W)) als analoges Signal zu empfangen und miteinander zu ver gleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespon dierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. 9. Power output stage (10) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the control circuit (15) comprises a current control (18) which is designed to have at least one measurement current (lm (U, V, W)), which a corresponding current output current (lo (U, V, W)) represents, and at least one reference current (lr (U, V, W)) to receive as an analog signal and to compare with each other and depending on the comparison at least one corresponding Generate and output switching signal.
10. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messstrom (lm(U,V,W)) innerhalb des monolithi schen Schaltungsmoduls erfassbar ist. 10. Power output stage (10) according to claim 9, characterized in that the at least one measuring current (Im (U, V, W)) can be detected within the monolithic circuit module.
11. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass die Stromregelung (18) für jede der Halbbrücken (12.1) der Leistungsschaltvorrichtung (12) einen Komparator (18.1) umfasst, wel cher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrücke (12.1) abzuschal ten, wenn der Messstrom (lm(U,V,W)) den korrespondierenden Refe renzstrom (lr(U,V,W)) überschreitet, und die korrespondierende Halbbrü cke (12.1) anzuschalten, wenn der Messstrom (lm(U,V,W)) den korres pondierenden Referenzstrom (lr(U,V,W)) unterschreitet. 11. Power output stage (10) according to claim 9 or 10, characterized in that the current control (18) for each of the half bridges (12.1) of the power switching device (12) comprises a comparator (18.1), which is designed, the corresponding half bridge ( 12.1) switch off when the measuring current (lm (U, V, W)) exceeds the corresponding reference current (lr (U, V, W)), and switch on the corresponding half-bridge (12.1) when the measuring current (lm ( U, V, W)) falls below the corresponding reference current (lr (U, V, W)).
12. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) eine Treiberstufe (16) umfasst, welche ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung (18) zu empfangen, aufzubereiten und an die Leis tungsschaltvorrichtung (12) auszugeben. 12. Power output stage (10) according to one of claims 9 to 11, characterized in that the control circuit (15) comprises a driver stage (16) which is designed to receive the at least one switching signal from the current regulator (18), to process and to output to the power switching device (12).
13. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass das monolithische Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle (13) umfasst, welche ausgeführt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen. 13. Power output stage (10) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the monolithic circuit module comprises an electrical interface (13) which is designed to receive signals from external components and / or assemblies.
14. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (12) als B6-Inverter (12A) mit drei Halbbrücken (12.1) ausgeführt ist. 14. Power output stage (10) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the power switching device (12) is designed as a B6 inverter (12A) with three half bridges (12.1).
15. Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3), mit einer Energieversorgung (5), einem Steuergerät (7) und einer Leistungs endstufe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist. 15. Device (1) for supplying energy to an electrical load (3), with a power supply (5), a control device (7) and a power output stage (10), characterized in that the power output stage (10) according to one of claims 1 to 14 is executed.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schnittstelle (13) ausgeführt ist, ein Versorgungsspannungs potential (UBat) und ein Massepotential (GND) der Energieversorgung (5) und den mindestens einen Referenzstrom (lr(U,V,W)) von dem Steu ergerät (7) zu empfangen. 16. The device (1) according to claim 15, characterized in that the electrical interface (13) is designed, a supply voltage potential (UBat) and a ground potential (GND) of the energy supply (5) and the at least one reference current (Ir (U, V, W)) from the control unit (7) to receive.
17. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last (3) als dreiphasiger bürstenlosen Gleichstrom motor (3A) ausgeführt ist, wobei die Halbbrücken (12.1) des B6-Inverters (12A) jeweils mit einer Phase (U, V, W) des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors (3A) verbindbar sind. 17. Device (1) according to claim 15 or 16, characterized in that the electrical load (3) is designed as a three-phase brushless direct current motor (3A), the half bridges (12.1) of the B6 inverter (12A) each having a phase (U, V, W) of the three-phase brushless DC motor (3A) can be connected.
18. Verfahren (100, 200) zur Ermittlung eines spannungslosen Schaltzeit punkts für eine Leistungsendstufe (10), welche nach einem der Ansprü che 1 bis 14 ausgeführt ist, mit den Schritten: Empfangen eines Schalt befehls und Einschalten des ersten oder zweiten Hilfsschalters (T3, T4) in Abhängigkeit des empfangenen Schaltbefehls, Ermitteln und Aktivie ren einer Verzögerungszeitspanne (TV), Ausschalten des korrespondie renden der beiden Halbleiterleistungsschalter (TI, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) und Aktivieren einer Totzeitmessung mit einem vorgegebenen Stoppwert, welcher einer maximalen Totzeitspanne (TS) entspricht, wenn die erste Verzögerungszeitspanne (TV) abgelaufen ist, Messen einer Knotenspannung (US) über dem ersten Halbleiterleis tungsschalter (TI) und Einschalten des anderen der beiden Halbleiter leistungsschalter (TI, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) und Stoppen der Totzeitmessung, wenn die gemessene Knotenspannung (US) einem vorgegebenen Spannungsschwellwert entspricht oder die Totzeitmessung den Stoppwert erreicht hat, wobei der eingeschaltete Hilfsschalter (T3, T4) nach dem Einschalten des anderen der beiden Halbleiterleistungsschalter (TI, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) für die Dauer der Verzögerungszeitspanne (VT) eingeschaltet bleibt und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne (VT) abgeschaltet wird. 18. The method (100, 200) for determining a voltage-free switching point for a power output stage (10), which is carried out according to one of claims 1 to 14, with the steps of: receiving a switching command and switching on the first or second auxiliary switch (T3 , T4) depending on the received switching command, determining and activating a delay period (TV), switching off the corresponding of the two semiconductor power switches (TI, T2) of the at least one half-bridge (12.1) and activating a dead time measurement with a predetermined stop value, which is a maximum Dead time span (TS) corresponds, when the first delay time span (TV) has expired, to measuring a node voltage (US) across the first semiconductor power switch (TI) and switching on the other of the two semiconductor power switches (TI, T2) of the at least one half bridge (12.1) and stopping the dead time measurement when the measured node voltage (US) has reached a predetermined voltage threshold well value or the dead time measurement has reached the stop value, the switched on auxiliary switch (T3, T4) remains switched on for the duration of the delay time span (VT) after switching on the other of the two semiconductor power switches (TI, T2) of the at least one half bridge (12.1) and is switched off after the delay period (VT) has elapsed.
19. Verfahren (100, 200) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeitspanne (TV) durch eine adaptive Verzögerungs kette ermittelt wird, welche durch eine Anzahl (X) von Verzögerungs schritten mit identischen Zeitspannen vorgegebenen ist, wobei die An zahl (X) der Verzögerungsschritte der Verzögerungszeitspanne (VT) um eins erhöht wird, wenn die Totzeitmessung den vorgegebenen Stopp wert bzw. die maximalen Totzeitspanne (TS) erreicht hat, wobei die An zahl (X) der Verzögerungsschritte der Verzögerungszeitspanne (VT) um eins reduziert wird, wenn die Totzeitmessung eine vorgegebene mini male Totzeitspanne (TS) nicht erreicht hat, wobei die Anzahl (X) der Ver zögerungsschritte der Verzögerungszeitspanne (VT) sonst gleich bleibt. 19. The method (100, 200) according to claim 18, characterized in that the delay time span (TV) is determined by an adaptive delay chain which is predetermined by a number (X) of delay steps with identical time spans, the number ( X) of the delay steps of the delay time span (VT) is increased by one when the dead time measurement has reached the specified stop value or the maximum dead time span (TS), whereby the number (X) of the delay steps of the delay time span (VT) is reduced by one , if the dead time measurement has not reached a predetermined minimum dead time span (TS), the number (X) of the delay steps of the delay time span (VT) otherwise remaining the same.
20. Verfahren (100, 200) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeich net, dass die Verzögerungszeitspanne (TV) durch eine integrierte Strom messung ermittelt wird, wobei nach dem Einschalten des ersten oder zweiten Hilfsschalters (T3, T4) eine Zeitmessung zur Ermittlung der Ver zögerungszeitspanne (VT) und eine Messung eines Stroms (IT1, IT2) durch einen korrespondierenden der beiden Halbleiterleistungsschalter (TI, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) aktiviert werden, wobei der gemessene Strom (IT1, IT2) mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird, und wobei die Zeitmessung gestoppt und das Messer gebnis als abgelaufene Verzögerungszeitspanne (VT) vorgegeben wird, wenn der gemessene Strom (IT1, IT2) den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. 20. The method (100, 200) according to claim 18 or 19, characterized in that the delay time span (TV) is determined by an integrated current measurement, after switching on the first or second auxiliary switch (T3, T4) a time measurement for determination the delay time span (VT) and a measurement of a current (IT1, IT2) through a corresponding one of the two semiconductor power switches (TI, T2) of the at least one half-bridge (12.1) are activated, the measured current (IT1, IT2) having a predetermined threshold value is compared, and the time measurement is stopped and the measurement result is specified as the elapsed delay time span (VT) when the measured current (IT1, IT2) exceeds the specified threshold value.
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