WO2023285376A1 - Verfahren zur betriebspunktabhängigen ansteuerung eines topologischen halbleiterschalters für ein leistungselektroniksystem - Google Patents

Verfahren zur betriebspunktabhängigen ansteuerung eines topologischen halbleiterschalters für ein leistungselektroniksystem Download PDF

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    • H03K2217/0027—Measuring means of, e.g. currents through or voltages across the switch

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromobility, in particular to a method for operating-point-dependent control of a topological semiconductor switch for a power electronics system.
  • a semiconductor switch can switch back and forth between two states.
  • a first state is an on state. In this state, the semiconductor switch can conduct current and behave analogously to a low resistance or a diode in the forward direction.
  • the other state is the lock state. In this state, the semiconductor switch is able to accept a voltage of e.g. 400V or 800V.
  • a semiconductor switch is characterized in that it can switch back and forth between the two states mentioned very quickly and efficiently. This switching back and forth between the conducting and the blocking state of the semiconductor switch is the basis for many electronic circuits such as power supplies, inverters, rectifiers and drive inverters.
  • the semiconductor switch can switch back and forth between these two states, it has a control connection, the so-called gate driver, via which the semiconductor switch is controlled.
  • driving the semiconductor switch a general distinction is made between two control types. Voltage-controlled semiconductor switches and current-controlled semiconductor switches.
  • the control voltage In the case of voltage-controlled semiconductor switches, the control voltage must be above or below a defined level, eg +5V or -3V, so that the semiconductor switch changes its state (conducting or blocking).
  • a defined control current must be exceeded or fallen short of in order for the semiconductor switch to change its state.
  • a control circuit is required for both variants, which implements the control of the semiconductor switch.
  • Previously known control circuits or control arrangements have an input side and an output side.
  • the input side has at least one signal size that carries the information as to whether the semiconductor switch is to be switched on (conducting state) or off (blocking state).
  • control arrangement can have potential isolation between the input and output sides.
  • the output side has at least one output signal, which is processed by the drive arrangement in terms of voltage level, current intensity, etc., so that the semiconductor switch can be driven directly with this signal.
  • the applicant has already proposed an arrangement for a topological switch which has at least two power semiconductors, in particular power transistors, the topological semiconductor switch of which has at least one first power semiconductor with a first semiconductor material and at least one second power semiconductor with a second semiconductor material .
  • topological semiconductor scarf ter which consist of semiconductor switches of the same type.
  • a topological switch consisting of a parallel connection of different semiconductor switch materials with a large band gap such as SiC, GaN, Si, etc. and o- different semiconductor types such as MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Bipolar Transistor Gate electrode or insulated gate bipolar transistor), JFET (junction field effect transistor or junction FET) etc.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Bipolar Transistor Gate electrode or insulated gate bipolar transistor
  • JFET junction field effect transistor or junction FET
  • a method for operating-point-dependent control of a topological semiconductor switch for a power electronics system where semiconductors are divided into at least two groups of power semiconductors in the topological semiconductor switch, which are formed from different semiconductor materials and/or different semiconductor types. Furthermore, a switching threshold is specified, from which switching from one of the groups to another of the groups or at least one other group being connected to the active group of the topological semiconductor switch takes place in order to conduct the output power.
  • data of at least one physical variable that describes the operating state of the system is recorded as input data and averaged. Based on this data and the switching threshold, it is determined which of the at least two groups of power semiconductors is controlled in order to carry the output power.
  • the switching threshold is specified depending on the operating point of the system. In an alternative embodiment, the switching threshold is specified using a decision matrix. Advantageous the decision matrix is based on a motor performance map of an electric motor in a vehicle.
  • a hysteresis is provided in the range of the specified switchover threshold in order to prevent the control from toggling between two groups of power semiconductors.
  • the semiconductor materials are selected from a material including at least one of Si, SiC, GaN.
  • the semiconductor types are at least selected from actively switchable transistors such as MOSFET, IGBT, JFET.
  • a power electronics system is proposed, the power electronics system having an inverter. Furthermore, an electric drive of a vehicle with the power electronics system and a vehicle with the electric drive are proposed.
  • FIG. 1 shows an abstract representation of the method for operating-point-dependent control of a topological semiconductor switch according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 2 and 3 show schematic representations of an implementation of the method according to an embodiment of the present invention.
  • Inverters also known as power converters, require a power module or semiconductor package to convert the direct current from a battery into alternating current.
  • the power module has topological switches with semiconductor transistors as the power transistors used to control the currents and to generate the alternating current.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the semiconductor material used can be silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) or any other semiconductor material. Materials with a wide band gap are preferred.
  • the semiconductors to be controlled are designed by selecting the semiconductor type and the semiconductor material according to the application, i.e. the target specification.
  • Semiconductor transistors with silicon for example, have better conductivity with larger currents, while semiconductor transistors with silicon carbide have this property with smaller currents. In this way, for example, the power supply can be realized in a consumption-optimized manner.
  • a method, shown in abstract form in FIG. 1, for operating-point-dependent control of a topological semiconductor switch for a power electronics system is provided.
  • the topological semiconductor switch has at least two power semiconductors, in particular power transistors, connected in parallel.
  • the topological semiconductor switch is divided into at least two groups A, B, . . . N. These groups are formed from different semiconductor materials and/or under different semiconductor types.
  • Semiconductor materials used can be Si, SiC, GaN etc.
  • Semiconductor materials with a large band gap are advantageously used.
  • Actively switchable transistors such as MOSFET, IGBT (with freewheeling diode), RC-IGBT, JFET etc. can be used as semiconductor types.
  • Groups A, B...N can also be designed as a cascode circuit.
  • one of the groups A, B . . . N can be in the form of a SiC MOSFET and another one of the groups A, B . . . N can be in the form of a silicon IGBT with an antiparallel freewheeling diode.
  • the aim is to be able to control each of the groups A, B, ... N separately.
  • a switching threshold 100 is specified, from which switching from one of the Groups A, B... N to another of the groups A, B.. . N or joining at least one other group A, B.. . N of the topological semiconductor switch follows to guide the output power.
  • the switching threshold 100 can be specified differently. In one embodiment, it is specified as a function of the system's operating point.
  • this decision matrix which of the groups A, B, .
  • a limit value can be determined from which one group A, B, ... N sets the output power when a low output power is required, and the other group A, B, ... N sets the output power when a higher output power is required, i.e. the limit value or the switching threshold 100 is exceeded.
  • data of at least one physical variable S which describes the operating state of the system, is recorded as input data. These are averaged, i.e. an average of the recorded input data is formed over a specified period of time (identified as P_out in Figures 2 and 3).
  • B....N can also be controlled, i.e. switched on, in order to support the selected group.
  • the physical variables S which are used to control the power semiconductors, are advantageously variables for controlling or regulating and/or monitoring the power electronics system.
  • a variable S is, for example, the current I, the effective value of the current I or the temperature, with the variables being able to be subdivided further.
  • cooling water inlet temperature or cooling water outlet temperature and/or semiconductor temperatures can be used as the temperature.
  • phase currents or battery currents, the battery state of charge, the voltage in the intermediate circuit, the accelerator pedal position and thus the current power requirement can be used.
  • FIGS. 2 and 3 show in principle how the switchover is controlled using an example of falling below (FIG. 2) and exceeding (FIG. 3) a predetermined switching threshold 100 by the signal P_out determined and averaged from the input signal S.
  • a diagram of current I over time t is shown.
  • the effective value of the current I which is proportional to the (required) output power, is used to define the switching threshold 100.
  • Figure 2 shows a situation in which the average output power P_out, which roughly corresponds to the effective value of the phase current I, is less than the specified switching threshold 100, i.e. a specified phase current I.
  • the complete current wave, i.e. the entire output power, is therefore a certain group, here group A, provided.
  • Figure 3 shows a situation in which the average output power P_out, which roughly corresponds to the effective value of the phase current I, is greater than the specified switching threshold 100, i.e. a specified phase current I a certain group, here group B, provided.
  • the specified switching threshold 100 i.e. a specified phase current I a certain group, here group B, provided.
  • the control arrangement can have a potential separation between the input and output side (not shown). This is used, for example, to electrically isolate a high-voltage circuit from a low-voltage circuit in the vehicle.
  • a hysteresis in the range of the specified switching threshold 100 can be provided.
  • a constant change (toggling) between the groups A, B....N i.e. a constant switching on and off of different power semiconductors due to a brief exceeding or falling below of limit values between two control patterns, can be prevented will.
  • a computer program with program code for carrying out the process is advantageously provided.
  • the power electronics system is advantageously equipped with a processor on which the computer program m can be executed.
  • the method can be implemented using software, since the requirement for data processing speed is low, i.e. no real-time acquisition or only so-called soft real-time acquisition is required.
  • the method is thus advantageously carried out using at least one computing unit such as a control unit, which is advantageously part of the power electronics system. This performs the corresponding arithmetic operations, comparisons, etc. based on the input signals S transmitted to it or detected by it according to the method.
  • a computing unit such as a control unit, which is advantageously part of the power electronics system. This performs the corresponding arithmetic operations, comparisons, etc. based on the input signals S transmitted to it or detected by it according to the method.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem, wobei der topologische Halbleiterschalter in mindestens zwei Gruppen (A, B, N) an Leistungshalbleitern unterteilt ist, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/ oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind. Ferner wird eine Umschaltschwelle vorgegeben, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen auf eine andere der Gruppen oder ein Dazuschalten mindestens einer anderen Gruppe zu der aktiven Gruppe des topologischen Halbleiterschalters erfolgt, um die Ausgangsleistung zu führen. Außerdem werden Daten mindestens einer physikalischen Größe (S), welche den Betriebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst und gemittelt. Basierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle wird bestimmt, welche der mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Ausgangsleistung zu führen.

Description

Verfahren zur betriebspunktabhängiqen Ansteuerung eines topologischen
Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiter schalters für ein Leistungselektroniksystem.
Halbleitertransistoren werden in vielen Bereichen als elektronische Schalter einge setzt und als Halbleiterschalter bezeichnet. Dies ist möglich, da ein Halbleiterschalter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten kann. Ein erster Zustand ist ein einge schalteter Zustand. In diesem Zustand kann der Halbleiterschalter Strom führen und sich analog wie ein niedriger Widerstand oder eine Diode in Durchlassrichtung ver halten. Der andere Zustand ist der Sperrzustand. In diesem Zustand ist der Halb leiterschalter in der Lage, eine anliegende Spannung z.B. 400V oder 800V aufzuneh men.
Ein Halbleiterschalter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser zwischen den beiden genannten Zuständen sehr schnell und effizient hin und her wechseln kann. Dieses hin und her schalten zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Halbleiterschalters ist die Grundlage für viele elektronische Schaltungen wie Netz teile, Wechselrichter, Gleichrichter, Antriebsinverter.
Damit der Halbleiterschalter zwischen diesen beiden Zuständen hin und her wech seln kann, verfügt dieser über einen Ansteueranschluss, den sogenannten Gate-Trei- ber, über den der Halbleiterschalter angesteuert wird. Bei der Ansteuerung des Halb leiterschalters unterscheidet man allgemein zwei Ansteuertypen. Spannungsgesteu erte Halbleiterschalter und stromgesteuerte Halbleiterschalter. Bei den spannungsge steuerten Halbleiterschaltern muss die Ansteuerspannung über oder unter einem de finierten Pegel, z.B. +5V oder -3V, liegen, damit der Halbleiterschalter seinen Zu stand (leitend oder sperrend) wechselt. Bei ström gesteuerten Halbleiterschaltern muss ein definierter Steuerstrom über- oder unterschritten werden, damit der Halb leiterschalter seinen Zustand ändert. Für beide Varianten wird eine Ansteuerschaltung benötigt, welche die Ansteuerung des Halbleiterschalters realisiert.
Bisher bekannte Ansteuerschaltungen oder Ansteueranordnungen verfügen über eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite. Die Eingangsseite verfügt über mindes tens eine Signalgröße, welche die Information trägt, ob der Halbleiterschalter einge schaltet (leitender Zustand) oder ausgeschaltet (sperrender Zustand) werden soll.
Des Weiteren kann die Ansteueranordnung eine Potentialtrennung zwischen Ein gangs- und Ausgangsseite aufweisen. Die Ausgangsseite weist mindestens ein Aus gangssignal auf, welches durch die Ansteueranordnung so in Bezug auf Spannungs pegel, Stromstärke, etc. aufbereitet ist, dass der Halbleiterschalter mit diesem Signal direkt angesteuert werden kann.
Darüber hinaus wurde von der Anmelderin bereits eine Anordnung für einen topologi schen Schalter vorgeschlagen, die wenigstens zwei Leistungshalbleiter, insbeson dere Leistungstransistoren, aufweist, deren topologischer Halbleiterschalter wenigs tens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigs tens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist.
Allerdings können diese Ansteueranordnungen nur für topologische Halbleiterschal ter eingesetzt werden, die aus gleichartigen Halbleiterschaltern bestehen. Im Falle eines topologischen Schalters, der aus einer Parallelschaltung unterschiedlicher Halbleiterschaltermaterialen mit großer Bandlücke wie z.B. SiC, GaN, Si, etc. und o- der unterschiedlicher Halbleitertypen wie MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt- transistor), IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode bzw. Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor bzw. Junction FET) etc. besteht, ist es nicht möglich, die unterschiedlichen Halbleitertypen mit dieser Anord nung separat anzusteuern, da jeder Halbleitertyp über ein separates Ansteuersignal verfügen muss.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, dieses Problem zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Zur Lösung wird ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines to pologischen Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem bereitgestellt, wo bei der topologische Halbleiterschalter in mindestens zwei Gruppen an Leistungs halbleitern unterteilt ist, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder un terschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind. Ferner wird eine Umschaltschwelle vor gegeben, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen auf eine andere der Grup pen oder ein Dazuschalten mindestens einer anderen Gruppe zu der aktiven Gruppe des topologischen Halbleiterschalters erfolgt, um die Ausgangsleistung zu führen. Außerdem werden Daten mindestens einer physikalischen Größe, welche den Be triebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst und gemittelt. Ba sierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle wird bestimmt, welche der min destens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Ausgangs leistung zu führen.
Durch Verwenden von für das zu betreibende System, also z.B. einen Elektromotor eines Fahrzeugs, betriebsrelevanten physikalischen Größen, einer Mittelung der er fassten Werte und Festlegen einer Umschaltschwelle kann eine verbesserte Bestim mung erfolgen, welcher Leistungshalbleiter für die angeforderte Leistung angesteuert werden soll und ein entsprechendes Ansteuersignal ausgegeben werden. Somit kön nen unterschiedliche Leistungshalbleiter, die unabhängig voneinander angesteuert werden, und auch aus unterschiedlichen Materialien und/oder Typen bestehen kön nen, einen einzigen topologischen Halbleiterschalter darstellen. Damit wird eine Opti mierung der Ansteuerung der verwendeten Leistungshalbleiter zur besseren Ausnut zung deren Eigenschaften erreicht werden.
Somit können die Eigenschaften unterschiedlicher Gruppen an Leistungshalbleitern kombiniert werden, so dass sich die Gruppen gegenseitig unterstützen. Es kann eine höhere Effizienz erreicht werden.
In einer Ausführung wird die Umschaltschwelle in Abhängigkeit des Betriebspunkts des Systems vorgegeben. In einer alternativen Ausführung wird die Umschalt schwelle durch Verwenden einer Entscheidungsmatrix vorgegeben. Vorteilhaft basiert die Entscheidungsmatrix auf einem Motorleistungskennfeld eines Elektromo tors eines Fahrzeugs.
In einer Ausführung ist eine Hysterese im Bereich der vorgegebenen Umschalt schwelle vorgesehen, um ein Toggeln der Ansteuerung zwischen zwei Gruppen an Leistungshalbleitern zu verhindern.
In einer Ausführung sind die Halbleitermaterialien gewählt aus einem Material, min destens umfassend eines aus Si, SiC, GaN. In einer Ausführung sind die Halbleiterty pen mindestens gewählt aus aktiv schaltbaren Transistoren wie MOSFET, IGBT, JFET.
Ferner wird ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Ver fahrens vorgeschlagen, sowie ein Leistungselektroniksystem mit einem Prozessor, auf dem das Computerprogramm ausführbar ist.
Ferner wird ein Leistungselektroniksystem vorgeschlagen, wobei das Leistungselekt roniksystem einen Inverter aufweist. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem Leistungselektroniksystem sowie ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb vor geschlagen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombi nation bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der bei gefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine abstrahierte Darstellung des Verfahrens zur betriebspunktabhängi gen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Figuren 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen einer Umsetzung des Verfah rens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktio nen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halb leiterpackage, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Halbleiter transistoren als Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Er zeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausge staltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, soge nannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halb leitermaterial sein. Bevorzugt sind Materialien mit einer großen Bandlücke (engl: wide bandgap).
Im Bereich der Elektromobilität ist es zur Einhaltung strenger (durch Gesetzgeber vorgegebener) Flotteneffizienzziele nötig, die Effizienz des Inverters durch den Ein satz neuartiger Halbleitertechnologien, wie z.B. SiC MOSFETs, zu erhöhen. Die Halbleiterfläche für einen normalen, d.h. durchschnittlichen, Fährbetrieb ist überdi mensioniert, da der auslegungsrelevante Betriebspunkt nur selten erreicht wird. Problematisch ist, dass die Halbleiterfläche neuerer Technologien (Wide-Bandgab- Halbleiter = WBG), die eine höhere inhärente Effizienz aufweisen (wie z.B. SiC oder GaN), teuer ist im Vergleich zu herkömmlichem Silizium. Bei herkömmlichen Syste men mit Halbleitern, die aus einem kostengünstigeren Material (wie z.B. Silizium) be stehen, kann in Bezug auf den auslegungsrelevanten Betriebspunkt mit Sicherheits margen dimensioniert werden, da die Kosten pro Halbleiterfläche gering sind im Ver gleich zu WBG-Materialien. Beim Einsatz von WBG Halbleitern in einer herkömmli chen Auslegung wird nicht nur Platz vergeudet, es tritt auch ein preislicher Nachteil auf. Deshalb ist es nötig, ein Optimum zwischen bestmöglicher Technologie und ge ringstmöglichen Kosten zu finden.
Hierfür erfolgt die Auslegung der anzusteuernden Halbleiter, indem die Auswahl des Halbleitertyps und des Halbleitermaterials entsprechend der Anwendung, d.h. der Zielvorgabe, erfolgt. Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei grö ßeren Strömen eine bessere Leitfähigkeit auf, während Halbleitertransistoren mit Sili- ziumcarbid diese Eigenschaft bei kleineren Strömen aufweisen. Somit kann z.B. die Stromversorgung verbrauchsoptim iert realisiert werden.
Bisher ist es nicht möglich, unterschiedliche, parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleiter typen gebildet sind, durch einen einzigen topologischen Halbleiterschalter anzusteu ern. Dies würde aber zu einer Optimierung der Verwendung der geschalteten Leis tungshalbleiter beitragen. Um dies zu ändern, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren vorgeschlagen.
Bereitgestellt wird ein in Figur 1 abstrahiert dargestelltes Verfahren zur betriebs punktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für ein Leis tungselektroniksystem. Der topologische Halbleiterschalter weist wenigstens zwei pa rallel geschaltete Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, auf. Der topologische Halbleiterschalter wird in mindestens zwei Gruppen A, B, ... N aufgeteilt. Diese Gruppen sind aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unter schiedlichen Halbleitertypen gebildet. Verwendete Halbleitermaterialien können Si, SiC, GaN etc. sein. Vorteilhaft werden Halbleitermaterialien mit einer großen Bandlü cke verwendet. Als Halbleitertypen können aktiv schaltbare Transistoren wie MOS- FET, IGBT (mit Freilaufdiode), RC-IGBT, JFET etc. verwendet werden. Auch können Gruppen A, B... N als Kaskoden-Schaltung ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine der Gruppen A, B... N als SiC-MOSFET und eine andere der Gruppen A, B... N als Si- lizium-IGBT mit antiparalleler Freilaufdiode ausgeführt sein.
Ziel ist es, jede der Gruppen A, B, ... N separat ansteuern zu können. Hierfür wird eine Umschaltschwelle 100 vorgegeben, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen A, B.. . N auf eine andere der Gruppen A, B.. . N oder ein Dazuschalten min destens einer anderen Gruppe A, B.. . N des topologischen Halbleiterschalters er folgt, um die Ausgangsleistung zu führen.
Die Umschaltschwelle 100 kann unterschiedlich vorgegeben werden. In einer Aus führung wird sie in Abhängigkeit des Betriebspunkts des Systems vorgegeben.
In einer alternativen Ausführung wird sie durch Verwenden einer Entscheidungs matrix vorgegeben. Diese Entscheidungsmatrix, welche der Gruppen A, B, ... N ange steuert werden soll, kann auf einem Motorleistungskennfeld eines Elektromotors ei nes Fahrzeugs basieren. Hier kann z.B. ein Grenzwert bestimmt werden, ab dem eine Gruppe A, B, ...N die Ausgangsleistung stellt, wenn eine geringe Ausgangsleis tung nötig ist, und die andere Gruppe A, B, ... N die Ausgangsleistung stellt, wenn eine höhere Ausgangsleistung gefordert wird, also der Grenzwert bzw. die Umschalt schwelle 100 überschritten wird.
Um zu bestimmen, auf welche der Gruppen A, B, ... N umgeschaltet wird bzw. welche angesteuert wird, werden Daten mindestens einer physikalischen Größe S, welche den Betriebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst. Diese wer den gemittelt, d.h. es wird ein Mittelwert der erfassten Eingangsdaten über einen vor gegebenen Zeitraum gebildet (in Figuren 2 und 3 als P_out gekennzeichnet).
Basierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle 100 wird bestimmt, welche der mindestens zwei Gruppen A, B....N an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Ausgangsleistung zu führen. Dabei kann lediglich eine der Gruppen A, B....N an gesteuert werden. Es können aber auch eine oder mehrere weitere Gruppen A,
B....N zusätzlich angesteuert werden, also dazugeschaltet werden, um die ausge wählte Gruppe zu unterstützen.
Die physikalischen Größen S, die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter herange zogen werden, sind vorteilhaft Größen für die Steuerung oder Regelung und/oder die Überwachung des Leistungselektroniksystems. Eine solche Größe S ist z.B. der Strom I, der effektive Wert des Stroms I oder die Temperatur, wobei die Größen weiter unterteilt werden können. Beispielsweise kön nen Kühlwassereinlauftemperatur oder Kühlwasserauslauftemperatur und/oder Halb leitertemperaturen als Temperatur herangezogen werden. Ferner können Phasen ströme oder Batterieströme, der Batterieladzustand, die Spannung im Zwischenkreis, die Gaspedalstellung und damit die aktuelle Leistungsanforderung herangezogen werden.
Die Verarbeitung des bzw. der Eingangssignale S bis hin zur Entscheidung, welche der Gruppen A, B... N angesteuert werden soll, erfolgt softwaregestützt und ist in Fi gur 1 als Verarbeitungsblock 1 dargestellt.
In Figuren 2 und 3 ist eine Steuerung der Umschaltung anhand eines Beispiels für eine Unterschreitung (Figur 2) und eine Überschreitung (Figur 3) einer vorgegebenen Umschaltschwelle 100 durch das aus dem Eingangssignal S ermittelte und gemittelte Signal P_out prinzipiell gezeigt. Gezeigt ist ein Diagramm Strom I über Zeit t. Hier wird der Effektivwert des Stroms I, der zur (geforderten) Ausgangsleistung proportio nal ist, verwendet, um Umschaltschwelle 100 zu definieren.
Figur 2 zeigt eine Situation, bei der die gemittelte Ausgangsleistung P_out, welche dem Effektivwert des Phasenstroms I in etwa entspricht, kleiner ist als die vorgege bene Umschaltschwelle 100, also ein vorgegebener Phasenstrom I. Somit wird die komplette Stromwelle, d.h. die gesamte Ausgangsleistung, von einer bestimmten Gruppe, hier Gruppe A, bereitgestellt.
Figur 3 zeigt eine Situation, bei der die gemittelte Ausgangsleistung P_out, welche dem Effektivwert des Phasenstroms I in etwa entspricht, größer ist als die vorgege bene Umschaltschwelle 100, also ein vorgegebener Phasenstrom I. Somit wird die komplette Stromwelle, d.h. die gesamte Ausgangsleistung, von einer bestimmten Gruppe, hier Gruppe B, bereitgestellt. Anstatt von einer Gruppe A, B... N auf eine andere Gruppe A, B... N umzuschalten, kann auch ein Dazuschalten mindestens einerweiteren Gruppe A, B... N zu der akti ven Gruppe A, B....N erfolgen.
Die Ansteueranordnung kann eine Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Aus gangsseite aufweisen (nicht gezeigt). Diese dient z.B. zur galvanischen Trennung ei nes Hochvolkreises von einem Niedervoltkreis im Fahrzeug.
Weiterhin kann eine Hysterese im Bereich der vorgegebenen Umschaltschwelle 100 vorgesehen werden. Durch Verwenden einer Hysterese kann ein ständiges Wech seln (Toggeln) zwischen den Gruppen A, B....N, d.h. ein ständiges An- und Abschal ten unterschiedlicher Leistungshalbleiter aufgrund eines kurzzeitigen Über- oder Un- terschreitens von Grenzwerten zwischen zwei Ansteuermustern, verhindert werden.
Vorteilhaft ist ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Ver fahrens vorgesehen. Das Leistungselektroniksystem ist vorteilhaft mit einem Prozes sor ausgestattet, auf dem das Com puterprogram m ausführbar ist. Das Verfahren kann mittels Software realisiert werden, da die Anforderung an die Datenverarbei tungsgeschwindigkeit gering ist, d.h. keine Echtzeiterfassung bzw. lediglich eine so genannte weiche Echtzeiterfassung erfolgen muss.
Das Verfahren wird also vorteilhaft mittels mindestens einer Recheneinheit wie einer Steuereinheit ausgeführt, die vorteilhaft Teil des Leistungselektroniksystems ist. Diese führt die entsprechenden Rechenoperationen, Vergleiche etc. basierend auf den an sie übermittelten oder von ihr erfassten Eingangssignalen S gemäß des Ver fahrens aus.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können Gruppen A, B....N unterschiedlicher Leistungshalbleiter mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschied lichen Halbleitertypen eines topologischen Halbleiterschalters separat angesteuert werden. Somit wird die Effizienz der Steuerung bzw. Regelung der Ausgangsleistung des Leistungselektroniksystems verbessert. Anwendung findet das vorgeschlagene Verfahren bei Invertern im Bereich der Elektromobilität, also zur Ansteuerung eines Elektroantriebs.
Bezuqszeichen
1 Verarbeitungsblock
100 Umschaltschwelle
A, B...N Gruppen an Leistungshalbleitern
S Eingangssignal
I Strom t Zeit
P_out gemitteltes Eingangssignal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halb leiterschalters für ein Leistungselektroniksystem, wobei
- der topologische Halbleiterschalter in mindestens zwei Gruppen (A, B.... N) an Leis tungshalbleitern unterteilt ist, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/o der unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind,
- eine Umschaltschwelle (100) vorgegeben wird, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen (A, B.... N) auf eine andere der Gruppen (A, B.... N) oder ein Dazuschalten mindestens einer anderen Gruppe (A, B.... N) zu der aktiven Gruppe (A, B.... N) des topologischen Halbleiterschalters erfolgt, um die Ausgangsleistung zu führen, wobei
- Daten mindestens einer physikalischen Größe (S), welche den Betriebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst und gemittelt werden und basierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle (100) bestimmt wird, welche der mindes tens zwei Gruppen (A, B.... N) an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Aus gangsleistung zu führen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Umschaltschwelle (100) in Abhängigkeit des Betriebspunkts des Systems vorgegeben wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umschaltschwelle (100) durch Verwenden einer Entscheidungsmatrix vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Entscheidungsmatrix auf einem Motorleis tungskennfeld eines Elektromotors eines Fahrzeugs basiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Hysterese im Bereich der vorgegebenen Umschaltschwelle (100) vorgesehen ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleitermateri alien gewählt sind aus einem Material, mindestens umfassend eines aus Si, SiC,
GaN.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleitertypen mindestens gewählt sind aus MOSFET, IGBT, JFET.
8. Com puterprogram m mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Leistungselektroniksystem mit einem Prozessor, auf dem das Com puterprogram m nach Anspruch 8 ausführbar ist.
10. Elektroantrieb für ein Fahrzeug, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroan triebs gebildete Leistungselektroniksystem nach Anspruch 9.
11. Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Leistungselektroniksystem nach Anspruch 9.
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