DE102017101514A1

DE102017101514A1 - Dynamische igbt-gateansteuerung zum verringern von schaltverlust

Info

Publication number: DE102017101514A1
Application number: DE102017101514.0A
Authority: DE
Inventors: Ke Zou; Chingchi Chen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US20170222641A1; CN107026579A

Abstract

Ein Wechselrichter umfasst einen n-Kanal-IGBT, mit einer Freilaufdiode, die mit einer Phase einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, und einem MOSFET, der eine lokale Spannung mit einem Gate des IGBT koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Stromflussrichtung durch die Diode von positiv zu negativ wechselt, während der IGBT einen Strom durch die elektrische Maschine initiiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung bezieht sich allgemein auf die Steuerung einer Gatespannung zu einem IGBT in einem hybridelektrischen Antriebsstrang.
HINTERGRUND
Elektrifizierte Fahrzeuge, einschließlich Hybridelektrofahrzeuge (HEVs – Hybrid-Electric Vehicles) und Batterieelektrofahrzeuge (BEVs – Battery Electric Vehicles), setzen auf eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von Leistung für einen Fahrmotor zum Antreiben und einem dazwischen liegenden Wechselrichter zum Umwandeln von Gleichstrom (DC – Direct Current) in Wechselstrom (AC – Alternating Current). Ein typischer Wechselstromfahrmotor ist ein dreiphasiger Motor, der von 3 sinusförmigen Signalen angetrieben wird, die gegeneinander durch eine Phasentrennung von 120 Grad verschoben sind. Die Traktionsbatterie ist dazu ausgelegt, in einem besonderen Spannungsbereich zu arbeiten. Die Klemmenspannung einer typischen Traktionsbatterie ist über 100 VDC, und die Traktionsbatterie wird alternativ auch als Hochvoltbatterie bezeichnet. Es kann jedoch eine verbesserte Leistung von elektrischen Maschinen durch das Betreiben in einem anderen Spannungsbereich, in der Regel bei höheren Spannungen als der der Traktionsbatterie, erzielt werden. Viele elektrifizierte Fahrzeuge umfassen einen Gleichspannungswandler, auch als regelbarer Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter) bezeichnet, um die Spannung der Traktionsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Fahrmotor umfassen kann, kann eine hohe Spannung und eine hohe Stromstärke benötigen. Aufgrund der Spannungs-, Stromstärke- und Schaltanforderungen wird in der Regel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT – Insulated Gate Bipolar junction Transistor) verwendet, um die Signale im Wechselrichter und dem VVC zu erzeugen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug umfasst einen Wechselrichter, einschließlich eines n-Kanal-IGBTs, mit einer Freilaufdiode, die mit einer Phase einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, und einen MOSFET aufweisend, der eine lokale Spannung mit einem Gate des IGBT koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Stromflussrichtung durch die Diode von positiv zu negativ wechselt, während der IGBT einen Strom durch die elektrische Maschine initiiert.
Ein Fahrzeuggleichspannungswandler umfasst einen Induktor, einen n-Kanal-IGBT mit einer Freilaufdiode, die zwischen einer Klemme des Induktors und einer lokalen Masse gekoppelt ist, und einen Lade-MOSFET, der eine lokale Spannung mit einem Gate des IGBT koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Stromflussrichtung in der Diode von positiv zu negativ wechselt, während der IGBT einen Strom durch den Induktor initiiert.
Ein Leistungselektronikmodul für ein Fahrzeug umfasst einen n-Kanal-IGBT, der einen Emitter, ein Gate und einen Kollektor aufweist, eine Freilaufdiode, die parallel mit dem IGBT gekoppelt ist, sowie einen MOSFET, der eine lokale Spannung mit dem IGBT-Gate koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Richtung von Stromfluss durch die Diode von positiv nach negativ umgekehrt wird, während der IGBT einschaltet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Antriebstrang- und Energiespeicherkomponenten mit einem dazwischen liegenden Wechselrichter darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung eines regelbaren Spannungswandlers für Fahrzeuge.
3 ist eine schematische Darstellung eines Elektromotorwandlers für Fahrzeuge.
4 ist eine grafische Darstellung des Betriebes eines IGBT und einer Freilaufdiode bezüglich der Zeit.
5 ist eine grafische Darstellung eines MOSFET-Drainstroms bezüglich der Zeit bei mehreren Gatespannungen.
6 ist eine grafische Darstellung von Diodenspannung bezüglich des IGBT-Kollektorstroms.
7 ist eine grafische Darstellung von Diodenspannung bezüglich des IGBT-Gatestroms.
8 ist eine grafische Darstellung des MOSFET-Drainstroms bezüglich der IGBT-Gatespannung.
9 ist eine schematische Darstellung eines MOSFET, der mit einem IGBT gekoppelt ist, um die Gatespannung des IGBT zu steuern.
10 ist eine grafische Darstellung des MOSFET-Drainstroms bezüglich der IGBT-Gatespannung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und Rücklauf- oder Freilaufdioden sind in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen weit verbreitet, wie etwa als Wechselrichter zum Umwandeln von Wechsel- in Gleichstrom, zum Leiten und Umwandeln von Gleichstrom für einen Wechselstromelektromotor sowie zum Leiten und Umwandeln von Wechselstrom von einem Generator für eine Gleichstrombatterie. Der Betrieb eines IGBT wird durch eine von einer Gateansteuerung bereitgestellte Gatespannung gesteuert. Herkömmliche Gateansteuerungen basieren in der Regel darauf, dass eine Spannung, die größer als eine Schwellenspannung ist, an ein IGBT-Gate mit einem strombegrenzenden Widerstand angelegt wird, der aus einer schaltbaren Spannungsquelle und einem Gatewiderstand besteht. Ein niedriger Gatewiderstand würde eine schnelle Schaltgeschwindigkeit und einen geringen Schaltverlust ermöglichen, aber auch zu größeren Belastungen auf den Halbleitergeräten führen, beispielsweise zu Überspannungsbelastung. Daher wird ein Gatewiderstand ausgewählt, um einen Kompromiss zwischen Schaltverlust, Schaltverzögerung und Belastung der Geräte zu finden.
Einige Nachteile im Zusammenhang mit herkömmlichen Gateansteuerungen beim Einschalten von IGBT umfassen begrenzte Steuerung von Schaltverzögerungszeit, Stromanstieg und Spannungsanstieg, sodass Optimierung von Schaltverlusten begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein Gatewiderstand in der Regel basierend auf Betriebsbedingungen im ungünstigsten Fall, also bei Einführung übermäßiger Schaltverluste unter normalen Betriebsbedingungen, ausgewählt wird. Beispielsweise wird ein Gatewiderstand bei hohen Gleichstrombusspannungen basierend auf einer Änderung im Strom bezüglich der Zeit (di/dt) ausgewählt, um übermäßiges Überschwingen der Diodenspannung während eines Diodenrücklaufs der Last zu verhindern. Bei niedrigen Gleichstrombusspannungen führt allerdings die Verwendung des Gatewiderstands, der ausgewählt wurde, um vor hohen Busspannungen zu schützen, übermäßige Schaltverluste ein, da eine Schaltgeschwindigkeit dann durch den Gatewiderstand verringert wird, selbst wenn sich die Diodenüberspannung unter einer kritischen Schwelle befindet.
Eine intelligente Gateansteuerungsstrategie kann notwendig sein, um optimale Schaltleistung für die gesamte Schalttrajektorie und über alle Betriebsbereiche zu erhalten. Hier wird eine passende MOSFET/IGBT-Kombination gezeigt, um Schaltverluste zu verringern und Überschwingen der Rücklaufdiode zu begrenzen. Der MOSFET wird so auf den IGBT abgestimmt, dass ein mehrstufiges Gateansteuerungsprofil zusammengesetzt ist aus einem MOSFET-Sättigungsbereich und einem linearen Bereich des MOSFET. Betrieb im Sättigungsbereich verringert die Einschaltverzögerungszeit, vergrößert die IGBT-Schaltgeschwindigkeit und verringert IGBT-Schaltverluste. Der lineare Bereich verlangsamt die IGBT-Schaltgeschwindigkeit, um übermäßige Spannungsüberschwingung über der zugehörigen Freilaufdiode zu verhindern. Die zeitliche Steuerung der einzelnen Impulsstufen wird basierend auf den MOSFET-Eigenschaften ausgewählt und auf die zugehörigen IGBT-Betriebsbedingungen, z. B. IGBT-Gatespannung (Vge) und IGBT-Steilheit im Zusammenhang mit Vge, abgestimmt, um die optimale Schaltleistung über den gesamten Betriebsbereich umzusetzen.
1 stellt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 dar, das als ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV – Plug-in Hybrid-Electric Vehicle) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können als ein Motor oder als ein Generator betrieben werden. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch mit einer Kraftmaschine 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mit einer Antriebswelle 120 mechanisch gekoppelt, die mit den Rädern 122 mechanisch gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Antriebs- und Verlangsamungsleistung bereitstellen, wenn die Kraftmaschine 118 ein- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 114 können auch als Generatoren wirken und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die im Reibungsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können auch dadurch Fahrzeugemissionen reduzieren, dass sie der Kraftmaschine 118 erlauben, bei effizienteren Drehzahlen zu arbeiten, und dass sie dem Hybridelektrofahrzeug 112 erlauben, unter gewissen Umständen mit ausgeschalteter Kraftmaschine 118 im Elektromodus betrieben zu werden. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann auch ein Batterieelektrofahrzeug (BEV – Battery Electric Vehicle) sein. In einer BEV-Auslegung kann die Kraftmaschine 118 nicht vorhanden sein. In anderen Auslegungen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (FHEV – Full Hybrid-Electric Vehicle) ohne Plug-in-Funktion sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Der Fahrzeugbatteriesatz 124 kann einen hohen Gleichspannungsausgang (DC – Direct Current) bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist ebenfalls mit den elektrischen Maschinen 114 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von Energie zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 bereit. Zum Beispiel kann eine Traktionsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 zum Funktionieren möglicherweise mit einem Dreiphasenwechselstrom arbeiten. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasenwechselstrom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasenwechselstrom aus den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die mit der Traktionsbatterie 124 kompatible Gleichspannung umwandeln.
Das Fahrzeug 112 kann einen regelbaren Spannungswandler (VVC – Variable-Voltage Converter) 152 umfassen, der zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 elektrisch gekoppelt ist. Der VVC 152 kann ein DC/DC-Aufwärtswandler sein, der dazu ausgelegt ist, die Spannung zu erhöhen oder zu verstärken, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen verringert werden, was zu einer Verringerung des Verdrahtungsaufwands für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserem Wirkungsgrad und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 umfassen, das den hohen Gleichspannungsausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die kompatibel mit Niederspannungsfahrzeuglasten ist. Ein Ausgang des Gleichspannungswandlermoduls 128 kann mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch gekoppelt sein, um die Hilfsbatterie 130 aufzuladen. Die Niederspannungssysteme können mit der Hilfsbatterie 130 elektrisch gekoppelt sein. Einer oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können mit dem Hochvoltbus gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die arbeitet und die elektrischen Verbraucher 146 steuert, wenn angebracht. Beispiele elektrischer Verbraucher 146 können ein Lüfter, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenkompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu ausgelegt sein, die Traktionsbatterie 124 von einer externen Leistungsquelle 136 aufzuladen. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann mit einem Ladegerät oder mit einer Elektrofahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE – Electric Vehicle Supply Equipment) 138 elektrisch gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Stromverteilungsnetz oder Verteilernetz sein, wie es von einer Stromversorgungsfirma bereitgestellt ist. Die EVSE 138 kann Schaltungen und Steuerungen bereitstellen, um die Energieübertragung zwischen der Stromquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu managen. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Die EVSE 138 kann ein Ladeverbindungselement 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jeder Anschlusstyp sein, der dazu ausgelegt ist, Leistung von der EVSE 138 zum Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann mit einem Ladegerät oder einem On-Board-Leistungswandlungsmodul 132 elektrisch gekoppelt sein. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 gelieferte Leistung aufbereiten, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann mit der EVSE 138 verbunden sein, um die Lieferung von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Das EVSE-Verbindungselement 140 kann Stifte aufweisen, die mit zugehörigen Vertiefungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können zum Verzögern des Fahrzeugs 112 und zum Verhindern einer Bewegung des Fahrzeugs 112 vorgesehen sein. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können ein Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten umfassen, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Aus Vereinfachungsgründen stellt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144 dar. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 wird vorausgesetzt. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung umfassen, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremsenkomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zur Fahrzeugverzögerung steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann auch autonom arbeiten, um Merkmale wie eine Stabilitätskontrolle zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Ausüben einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer anderen Steuerung oder Subfunktion angefordert wird.
Elektronikmodule im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann mehrere Kanäle für Kommunikation umfassen. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein CAN-Bus (Controller Area Network). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk umfassen, das von der IEEE-Normenfamilie 802 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert wird. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen umfassen und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 umfassen. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über CAN- oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten umfassen, die beim Übertragen von Signalen und Daten zwischen Modulen helfen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt; es kann aber stillschweigend angenommen werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit einem beliebigen Elektronikmodul verbinden kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC – Vehicle System Controller) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
2 stellt ein Diagramm eines VVC 152 dar, der als ein Aufwärtswandler ausgelegt ist. Der VVC 152 kann Eingangsklemmen umfassen, die durch die Schütze 142 mit Klemmen der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsklemmen umfassen, die mit Klemmen des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann in einem Aufwärtsmodus betrieben werden, um an den Ausgangsklemmen eine Spannung zu erzeugen, die größer als eine Spannung an den Eingangsklemmen ist. Der VVC 152 kann in einem Abwärtsmodus betrieben werden, um an den Ausgangsklemmen eine Spannung zu erzeugen, die kleiner als eine Spannung an den Eingangsklemmen ist. Der VVC 152 kann in einem Umgehungsmodus betrieben werden, um an den Ausgangsklemmen eine Spannung zu erzeugen, die etwa gleich einer Spannung an den Eingangsklemmen ist. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung 200 umfassen, die elektrische Parameter (zum Beispiel Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen in dem VVC 152 überwacht und steuert. Bei einigen Auslegungen kann die VVC-Steuerung 200 als Teil der VVC 152 integriert sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsbezugsspannung V * / dc . bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann basierend auf den elektrischen Parametern und der Bezugsspannung V * / dc ein Steuersignal bestimmen, das ausreicht, um zu bewirken, dass der VVC 152 die gewünschte Ausgangsspannung erreicht. Bei manchen Auslegungen kann das Steuersignal als ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) umgesetzt werden, bei dem ein Tastverhältnis des PWM-Signals geändert ist. Das Steuersignal kann bei einer vorbestimmten Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann den VVC 152 steuern, um die gewünschte Ausgangsspannung mittels des Steuersignals bereitzustellen. Das besondere Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Betrag der Spannungsanhebung verbunden sein, die von dem VVC 152 bereitgestellt wird.
Die Ausgangsspannung des VVC 152 kann gesteuert sein, um eine gewünschte Bezugsspannung zu erreichen. In einigen Auslegungen kann der VVC 152 ein Aufwärtswandler sein. In einer Auslegung als Aufwärtswandler, in der die VVC-Steuerung 200 das Tastverhältnis steuert, kann das ideale Verhältnis zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Tastverhältnis D unter Verwendung der folgenden Gleichung dargestellt werden:
Das gewünschte Tastverhältnis D kann durch Messen der Eingangsspannung (z. B. Traktionsbatterie) und Einstellen der Ausgangsspannung auf die Bezugsspannung bestimmt werden. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung von Eingang zu Ausgang verringert. Bei einer Abwärtsauslegung kann ein anderer Ausdruck für die Beziehung der Eingangs- und Ausgangsspannung zum Tastverhältnis abgeleitet werden. In einigen Auslegungen kann der VVC 152 ein Abwärts-Aufwärts-Wandler sein, der die Eingangsspannung erhöht oder verringert. Die hier beschriebene Steuerstrategie ist nicht auf eine spezielle regelbare Spannungswandlertopologie begrenzt.
Bezug nehmend auf 2 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Energie, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, hochsetzen oder „erhöhen“. Die Traktionsbatterie 124 kann Hochvolt-Gleichspannung (HV-DC) bereitstellen. Hohe Spannung ist jede Spannung größer als 100 Volt Gleichspannung oder 100 Volt Wechselspannung. In einigen Auslegungen kann die Traktionsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt bereitstellen. Das Schütz 142 kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem VVC 152 elektrisch in Reihe gekoppelt sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die Hochvolt-Gleichspannung von der Traktionsbatterie 124 zu dem VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator 202 kann mit der Traktionsbatterie 124 elektrisch parallel gekoppelt sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und etwaige Spannungs- und Stromwelligkeiten reduzieren. Der VVC 152 kann die Hochvolt-Gleichspannung empfangen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß dem Tastverhältnis hochsetzen oder „erhöhen“.
Ein Ausgangskondensator 204 kann elektrisch zwischen den Ausgangsklemmen des VVC 152 gekoppelt sein. Der Ausgangskondensator 204 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeiten am Ausgang des VVC 152 reduzieren.
Des Weiteren kann unter Bezugnahme auf 2 der VVC 152 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 zum Hochsetzen der Eingangsspannung zum Bereitstellen der hochgesetzten Ausgangsspannung umfassen. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu ausgelegt sein, gezielt einen Strom zu einer elektrischen Last (z. B. Leistungselektronikmodul 126 und elektrische Maschinen 114) zu leiten. Jede Schaltvorrichtung 206, 208 kann individuell durch eine Gateansteuerungsschaltung (nicht gezeigt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann jede Art von steuerbarem Schalter umfassen (zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein Feldeffekttransistor (FET)). Die Gateansteuerungsschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale bereitstellen, die auf dem Steuersignal (zum Beispiel dem Tastverhältnis des PWM-Steuersignals) basieren. Eine Diode kann über jede der Schaltvorrichtungen 206, 208 gekoppelt sein. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können jeweils einen zugehörigen Schaltverlust aufweisen. Die Schaltverluste sind die Leistungsverluste, die während Zustandsänderungen der Schaltvorrichtung (z. B. Übergänge Ein/Aus und Aus/Ein) auftreten. Die Schaltverluste können durch den hindurchfließenden Strom und die Spannung über der Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können auch zugehörige Leitungsverluste aufweisen, die auftreten, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird.
Das Fahrzeugsystem kann Sensoren zum Messen der elektrischen Parameter des VVC 152 umfassen. Ein erster Spannungssensor 210 kann dazu ausgelegt sein, die Eingangsspannung (zum Beispiel die Spannung der Batterie 124) zu messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_bat) bereitzustellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Spannungssensor 210 die Spannung über dem Eingangskondensator 202 messen, die der Batteriespannung entspricht. Ein zweiter Spannungssensor 212 kann die Ausgangsspannung des VVC 152 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_dc) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der zweite Spannungssensor 212 die Spannung über dem Ausgangskondensator 204 messen, die der Gleichstrombusspannung entspricht. Der erste Spannungssensor 210 und der zweite Spannungssensor 212 können Schaltungen umfassen, um die Spannungen an einen Spannungspegel anzupassen, der für die VVC-Steuerung 200 geeignet ist. Die VVC-Steuerung 200 kann Schaltungen umfassen, um die Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 zu filtern und zu digitalisieren.
Ein Eingangsinduktor 214 kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrisch in Reihe gekoppelt sein. Der Eingangsinduktor 214 kann zwischen Speichern und Freisetzen von Energie in den VVC 152 alternieren, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgabe des VVC 152 und das Erzielen der gewünschten Spannungsanhebung zu ermöglichen. Ein Stromsensor 216 kann den Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Stromsignal (I_L) bereitstellen. Der Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 kann ein Ergebnis der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des VVC 152, der Leitungszeit der Schaltvorrichtungen 206, 208 und der Induktivität des Eingangsinduktors 214 sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung umfassen, um das Signal von dem Spannungssensor 216 anzupassen, zu filtern und zu digitalisieren.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann Eingänge vom VVC 152 und anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale (V_bat, V_dc, I_L, V * / dc ) überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Beispielsweise kann die VVC-Steuerung 200 der Gateansteuerungsschaltung Steuersignale bereitstellen, die einem Tastverhältnisbefehl entsprechen. Die Gateansteuerungsschaltung kann dann jede Schaltvorrichtung 206, 208 basierend auf dem Tastverhältnisbefehl steuern.
Die Steuersignale zum VVC 152 können dazu ausgelegt sein, die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei einer bestimmten Schaltfrequenz anzusteuern. Innerhalb der einzelnen Zyklen der Schaltfrequenz können die Schaltvorrichtungen 206, 208 beim angegebenen Tastverhältnis betrieben werden. Das Tastverhältnis definiert die Zeitspanne, die sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand befinden. Beispielsweise kann ein Tastverhältnis von 100 % die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlichen Einschaltzustand ohne Ausschalten betreiben. Ein Tastverhältnis von 0 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlichen Ausschaltzustand ohne Einschalten betreiben. Ein Tastverhältnis von 50 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 für eine Hälfte des Zyklus in einem Einschaltzustand und eine Hälfte des Zyklus in einem Ausschaltzustand betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. Das heißt, dass das Steuersignal, das an eine der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, eine invertierte Version des Steuersignals sein kann, das an die andere Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird.
Der Strom, der durch die Schaltvorrichtungen 206, 208 gesteuert wird, kann eine Welligkeitskomponente umfassen, die mit einer Größe des Stroms, dem Tastverhältnis und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. Bezüglich des Eingangsstroms tritt die ungünstigste Größe des Welligkeitsstroms während Bedingungen mit relativ hohem Eingangsstrom auf. Wenn das Tastverhältnis fest ist, führt eine Erhöhung im Induktorstrom zu einer Erhöhung der Größe des Welligkeitsstroms, wie in 4 dargestellt. Die Größe des Welligkeitsstroms hat auch eine Beziehung zum Tastverhältnis. Der Welligkeitsstrom mit der höchsten Größe tritt auf, wenn das Tastverhältnis gleich 50 % ist. Die allgemeine Beziehung zwischen der Größe des Induktorwelligkeitsstroms und dem Tastverhältnis kann sein, wie in 5 gezeigt. Basierend auf diesen Fakten kann es vorteilhaft sein, Maßnahmen umzusetzen, um die Größe des Welligkeitsstroms unter Bedingungen mit hohem Strom und Tastverhältnis im mittleren Bereich zu verringern.
Beim Konzipieren des VVC 152 können der Schaltfrequenz- und der Induktivitätswert des Induktors 214 ausgewählt werden, um eine maximal zulässige Größe des Welligkeitsstroms zu erfüllen. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Abweichung sein, die auf einem Gleichstromsignal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Größe der Welligkeitskomponente und eine Frequenz der Welligkeitskomponente definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Oberschwingungen haben, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen können, die sich zu der Geräuschsignatur des Fahrzeugs addieren können. Ferner kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten beim genauen Steuern von Geräten, die von der Quelle versorgt werden, verursachen. Während Schaltübergängen können sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei maximalem Induktorstrom (Gleichstrom plus Welligkeitsstrom) ausschalten, was zu großen Spannungsspitzen über den Schaltvorrichtungen 206, 208 führen kann. Aufgrund von Größen- und Kostenbeschränkungen kann der Induktivitätswert basierend auf dem durchgeleiteten Strom ausgewählt werden. Im Allgemeinen kann, wenn sich der Strom erhöht, die Induktivität aufgrund von Sättigung verringert werden.
Die Schaltfrequenz kann so ausgewählt werden, dass eine Größe der Welligkeitsstromkomponente bei ungünstigsten Szenarien (z. B. höchster Eingangsstrom und/oder Tastverhältnis nahe bei Bedingungen mit 50 %) begrenzt wird. Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann als eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ausgewählt werden, die größer als eine Schaltfrequenz des Motor-/Generatorwandlers ist (z. B. 5 kHz), der mit einem Ausgang des VVC 152 gekoppelt ist. In einigen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 als eine vorbestimmte feste Frequenz ausgewählt werden. Die vorbestimmte feste Frequenz wird im Allgemeinen dazu ausgewählt, die Spezifikationen zu Geräuschen und Welligkeitsstrom zu erfüllen. Allerdings bietet die Auswahl der vorbestimmten festen Frequenz möglicherweise nicht die beste Leistung über alle Betriebsbereiche des VVC 152. Die vorbestimmte feste Frequenz kann beste Ergebnisse bei einem bestimmten Satz von Betriebsbedingungen bieten, kann aber bei anderen Betriebsbedingungen einen Kompromiss darstellen.
Durch Erhöhen der Schaltfrequenz kann sich die Größe des Welligkeitsstroms verringern und die Spannungsbelastung über den Schaltvorrichtungen 206, 208 kleiner werden, es kann aber zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für ungünstigste Welligkeitsbedingungen ausgewählt werden kann, kann der VVC 152 nur für einen kleinen Prozentsatz der Gesamtbetriebszeit unter den ungünstigsten Welligkeitsbedingungen arbeiten. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, die die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringern können. Darüber hinaus kann die feste Schaltfrequenz das Geräuschspektrum in einem sehr engen Bereich konzentrieren. Die erhöhte Geräuschdichte in diesem engen Bereich kann zu spürbaren NVH-Problemen (Geräusche, Vibrationen, Rauheit) führen.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 basierend auf dem Tastverhältnis und dem Eingangsstrom zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann Kraftstoffwirtschaftlichkeit durch Verringern von Schaltverlusten und Verringern von NVH-Problemen bei Einhaltung von Welligkeitsstromzielwerten unter ungünstigsten Betriebsbedingungen verbessern.
Während Bedingungen mit relativ hohem Strom können bei den Schaltvorrichtungen 206, 208 erhöhte Spannungsbelastungen auftreten. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es wünschenswert sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz auszuwählen, die die Größe der Welligkeitskomponente mit einem akzeptablen Niveau an Schaltverlusten verringert. Die Schaltfrequenz kann basierend auf der Größe des Eingangsstroms so ausgewählt werden, dass sich die Schaltfrequenz erhöht, wenn sich die Größe des Eingangsstroms erhöht. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorbestimmten maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorbestimmte maximale Schaltfrequenz kann ein Niveau sein, das einen Kompromiss zwischen niedrigeren Größen der Welligkeitskomponente und höheren Schaltverlusten bietet. Die Schaltfrequenz kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich über den Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz in Reaktion darauf zu verringern, dass der Stromeingang kleiner als ein vorbestimmter maximaler Strom ist. Der vorbestimmte maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Änderung in der Schaltfrequenz kann auf der Größe des Stromeingangs zu den Schaltvorrichtungen 206, 208 basieren. Wenn der Strom größer als ein vorbestimmter maximaler Strom ist, kann die Schaltfrequenz auf eine vorbestimmte maximale Schaltfrequenz eingestellt werden. Wenn sich der Strom verringert, verringert sich die Größe der Welligkeitskomponente. Durch Betreiben bei niedrigeren Schaltfrequenzen bei sinkendem Strom werden Schaltverluste verringert. Die Schaltfrequenz kann basierend auf dem Leistungseingang zu den Schaltvorrichtungen variiert werden. Da die Eingangsleistung eine Funktion des Eingangsstroms und der Batteriespannung ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom in ähnlicher Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom ebenfalls durch das Tastverhältnis beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz basierend auf dem Tastverhältnis variiert werden. Das Tastverhältnis kann basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung bestimmt werden. Daher kann die Schaltfrequenz auch basierend auf dem Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn das Tastverhältnis nahe bei 50 % liegt, ist die vorhergesagte Größe des Welligkeitsstroms ein maximaler Wert, und die Schaltfrequenz kann auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden. Die vorbestimmte maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der ausgewählt wird, um die Größe des Welligkeitsstroms zu minimieren. Die Schaltfrequenz kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich über den Tastverhältnisbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorbestimmten maximalen Frequenz in Reaktion auf eine Größe einer Differenz zwischen dem Tastverhältnis und dem Tastverhältniswert (z. B. 50 %), bei dem die vorhergesagte Größe der Welligkeitskomponenten ein Maximum ist, zu verringern. Wenn die Größe der Differenz kleiner als eine Schwelle ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte Frequenz eingestellt werden. Wenn sich die Größe der Differenz verringert, kann die Schaltfrequenz in Richtung der vorbestimmten maximalen Frequenz erhöht werden, um die Größe der Welligkeitskomponente zu verringern. Wenn die Größe der Differenz kleiner als eine Schwelle ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden.
Die Schaltfrequenz kann so begrenzt werden, dass sie zwischen der vorbestimmten maximalen Frequenz und einer vorbestimmten minimalen Frequenz liegt. Die vorbestimmte minimale Frequenz kann ein Frequenzniveau sein, das größer als eine vorbestimmte Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126 ist, das mit einem Ausgang des Spannungswandlers 152 gekoppelt ist.
Bezug nehmend auf 3 wird ein System 300 zum Steuern eines Leistungselektronikmoduls (PEM – Power Electronics Module) 126 bereitgestellt. Das PEM 126 aus 3 wird als mehrere Schalter 302 (z. B. IGBTs) umfassend gezeigt, die dazu ausgelegt sind, zusammen als ein Wechselrichter mit erstem, zweitem und drittem Phasenzweig 316, 318, 320 zu arbeiten. Während der Wechselrichter als ein Dreiphasenwandler gezeigt wird, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige umfassen. Beispielsweise kann der Wechselrichter ein Vierphasenwandler, Fünfphasenwandler, ein Sechsphasenwandler usw. sein. Darüber hinaus kann das PEM 126 mehrere Wandler umfassen, wobei jeder Wechselrichter im PEM 126 drei oder mehr Phasenzweige umfasst. Beispielsweise kann das System 300 zwei oder mehr Wechselrichter im PEM 126 steuern. Das PEM 126 kann ferner einen Gleichspannungswandler mit Hochleistungsschaltern (z. B. IGBTs) umfassen, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls über Aufwärtswandlung, Abwärtswandlung oder eine Kombination aus beiden in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler sein. In Betrieb erhält der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler Gleichstrom von einer Gleichstromverbindung 306 über einen Gleichstrombus 304 und wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Der Wechselstrom wird über die Phasenströme ia, ib und ic übertragen, um die Wechselstrommaschine, auch als eine elektrische Maschine 114 bezeichnet, wie etwa einen dreiphasigen Permamentmagnetsynchronmotor (PMSM), wie in 3 dargestellt, anzutreiben. In einem solchen Beispiel kann die Gleichstromverbindung 306 eine Gleichstromspeicherbatterie umfassen, um für den Gleichstrombus 304 Gleichstrom bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann der Wechselrichter als ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler arbeiten, der Wechselstrom von der Wechselstrommaschine 114 (z. B. Generator) in Gleichstrom umwandelt, die der Gleichstrombus 304 der Gleichstromverbindung 306 bereitstellen kann. Ferner kann das System 300 das PEM 126 in anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 3 umfasst jeder der Phasenzweige 316, 318, 320 im Wechselrichter Leistungsschalter 302, die durch verschiedene Typen von steuerbaren Schaltern umgesetzt sein können. In einer Ausführungsform kann jeder Leistungsschalter 302 eine Diode und einen Transistor (z. B. einen IGBT) umfassen. Die Dioden aus 3 sind mit D_a1, D_a2, D_b1, D_b2, D_c1 und D_c2 bezeichnet, während die IGBTs aus 3 entsprechend mit S_a1, S_a2, S_b1, S_b2, S_c1 bzw. S_c2 bezeichnet sind. Die Leistungsschalter S_a1, S_a2, D_a1 und D_a2 sind Teil von Phasenzweig A des Dreiphasenwandlers, der in 3 als der erste Phasenzweig a 316 bezeichnet ist. In ähnlicher Weise sind die Leistungsschalter S_b1, S_b2, D_b1 und D_b2 Teil von Phasenzweig B 318, und die Leistungsschalter S_c1, S_c2, D_c1 und D_c2 sind Teil von Phasenzweig C 320 des Dreiphasenwandlers. Der Wechselrichter kann in Abhängigkeit von der speziellen Auslegung des Wechselrichters jede Anzahl an Leistungsschaltern 302 oder Schaltungselementen umfassen.
Wie in 3 dargestellt, werden die Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c bereitgestellt, um Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 316, 318, 320 zu erfassen. 3 zeigt die Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c separat vom PEM 126. Allerdings können Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c in Abhängigkeit von seiner Auslegung als Teil des PEM 126 integriert werden. Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c aus 3 sind mit jedem der Phasenzweige A, B und C (d. h. Phasenzweige 316, 318, 320 in 3) in Reihe installiert und bieten die entsprechenden Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs (ebenfalls in 3 dargestellt) für das System 300. Die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs können Rohstromsignale, die durch eine Logikvorrichtung (LD – Logic Device) 310 verarbeitet werden, sein, oder sie können eingebettet in oder codiert mit Daten oder Informationen zum Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 sein. Außerdem können die Leistungsschalter 302 (z. B. IGBTs) eine Stromerfassungsfunktion umfassen. Die Stromerfassungsfunktion kann u. a. mit einem Stromspiegelausgang ausgelegt sein, der Daten/Signale bereitstellen kann, die repräsentativ für i_as, i_bs und i_cs sind. Die Daten/Signale können eine Richtung von Stromfluss, eine Größe von Stromfluss oder sowohl die Richtung als auch die Größe von Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C anzeigen.
Erneut Bezug nehmend auf 3 umfasst das System 300 eine Logikvorrichtung (LD) oder Steuerung 310. Die Steuerung oder LD 310 kann durch verschiedene Typen oder Kombinationen von elektronischen Vorrichtungen und/oder mikroprozessorbasierten Computern oder Steuerungen umgesetzt sein. Zum Umsetzen eines Verfahrens zum Steuern des PEM 126 kann die Steuerung 310 ein Computerprogramm oder einen Algorithmus ausführen, das bzw. der eingebettet oder mit dem Verfahren codiert und in einem flüchtigen und/oder persistenten Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in diskreter Logik, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller oder einem Logik- oder Gate-Array, das auf einem oder mehreren integrierten Schaltkreischips gespeichert ist, codiert sein. Wie in der Ausführungsform aus 3 gezeigt, empfängt und verarbeitet die Steuerung 310 die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs, um die Phasenströme i_a, i_b und i_c so zu steuern, dass die Phasenströme i_a, i_b und i_c durch die Phasenzweige 316, 318, 320 und in die entsprechenden Wicklungen der elektrischen Maschine 114 gemäß verschiedenen Strom- oder Spannungsmustern strömen. Beispielsweise können Strommuster Muster von Phasenströmen i_a, i_b und i_c umfassen, die in den Gleichstrombus 304 oder einen Gleichstrombuskondensator 308 hinein oder aus diesem heraus fließen. Der Gleichstrombuskondensator 308 aus 3 ist separat vom PEM 126 gezeigt. Allerdings kann der Gleichstrombuskondensator 308 als Teil des PEM 126 integriert sein.
Wie in 3 gezeigt, kann ein Speichermedium 312 (nachfolgend „Speicher“), wie etwa ein computerlesbarer Speicher, das Computerprogrammm oder den Algorithmus, das bzw. der eingebettet oder mit dem Verfahren codiert ist, speichern. Darüber hinaus kann der Speicher 312 Daten oder Informationen zu den verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten im PEM 126 speichern. Beispielsweise kann der Speicher 312 Daten oder Informationen zum Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 speichern. Der Speicher 312 kann Teil der Steuerung 310 sein, wie in 3 gezeigt. Allerdings kann der Speicher 312 in jedem geeigneten Ort positioniert sein, der für die Steuerung 310 zugänglich ist.
Wie in 3 dargestellt, überträgt die Steuerung 310 zumindest ein Steuersignal 236 an das Energiewandlersystem 126. Das Energiewandlersystem 126 empfängt das Steuersignal 322, um die Schaltauslegung des Wechselrichters und damit den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318 und 320 zu steuern. Die Schaltauslegung ist ein Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 im Wechselrichter. Im Allgemeinen bestimmt die Schaltauslegung des Wechselrichters, wie der Wechselrichter Strom zwischen der Gleichstromverbindung 306 und der elektrischen Maschine 114 umwandelt.
Zum Steuern der Schaltauslegung des Wechselrichters schaltet der Wechselrichter basierend auf dem Steuersignal 322 den Schaltzustand der einzelnen Leistungsschalter 302 im Wechselrichter entweder in einen EIN-Zustand oder in einen AUS-Zustand. Um den Leistungsschalter 302 in der dargestellten Ausführungsform entweder in den EIN-Zustand oder in den AUS-Zustand zu schalten, stellt die Steuerung/LD 310 die Gatespannung (Vg) für jeden Leistungsschalter 302 bereit und steuert daher den Schaltzustand der einzelnen Leistungsschalter 302. Gatespannungen Vg_a1, Vg_a2, Vg_b1, Vg_b2, Vg_c1 und Vg_c2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und die Eigenschaften der jeweiligen Leistungsschalter 302. Während der Wechselrichter in 3 als eine spannungsgesteuerte Vorrichtung gezeigt ist, kann der Wechselrichter eine stromgesteuerte Vorrichtung sein oder durch andere Strategien gesteuert sein, die den Leistungsschalter 302 zwischen dem EIN- und AUS-Zustand schalten. Die Steuerung 310 kann die Gateansteuerung für jeden IGBT basierend auf der Drehzahl der elektrischen Maschine 114, dem Spiegelstrom oder einer Temperatur des IGBT-Schalters ändern. Die Änderung in der Gateansteuerung kann aus mehreren Gateansteuerungsströmen ausgewählt werden, bei denen die Änderung im Gateansteuerungsstrom proportional zu einer Änderung der IGBT-Schaltgeschwindigkeit ist.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt, umfasst jeder Phasenzweig 316, 318 und 320 zwei Schalter 302. Allerdings kann sich nur ein Schalter in jedem der Zweige 316, 318, 320 im EIN-Zustand befinden, ohne dass die Gleichstromverbindung 306 kurzgeschlossen wird. Daher ist jedem Phasenzweig der Schaltzustand des unteren Schalters in der Regel entgegengesetzt dem Schaltzustand des zugehörigen oberen Schalters. Konsequenterweise bezieht sich ein Zustand HIGH eines Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter im Zweig im EIN-Zustand befindet, während sich der untere Schalter im AUS-Zustand befindet. In ähnlicher Weise bezieht sich ein Zustand LOW des Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter im Zweig im AUS-Zustand befindet, während sich der untere Schalter im EIN-Zustand befindet. Im Ergebnis können IGBTs mit Stromspiegelfunktion an allen IGBTs, einer Teilmenge der IGBTs (z. B. S_a1, S_b1, S_c1) oder einem einzelnen IGBT sein.
Zwei Situationen können während eines aktiven Zustands des in 2 dargestellten beispielhaften Dreiphasenwandlers auftreten: (1) zwei Phasenzweige befinden sich im Zustand HIGH, während sich der dritte Phasenzweig im Zustand LOW befindet, oder (2) ein Phasenzweig befindet sich im Zustand HIGH, während sich die anderen beiden Phasenzweige im Zustand LOW befinden. So befindet sich ein Phasenzweig im Dreiphasenwandler, der als die „Bezugsphase“ für einen spezifischen aktiven Zustand des Wechselrichters definiert sein kann, in einem Zustand, der dem der anderen zwei Phasenzweige, oder „Nicht-Bezugsphasen“, die beide den gleichen Zustand haben, entgegengesetzt ist. Konsequenterweise befinden sich die Nicht-Bezugsphasen während eines aktiven Zustands des Wechselrichters entweder beide im Zustand HIGH oder beide im Zustand LOW.
4 ist eine beispielhafte grafische Darstellung eines Profils 400 eines Gatestroms 404 eines IGBT mit Bezug zur Zeit 402. In diesem Beispiel ist der IGBT ein n-Kanal-IGBT im Anreicherungsmodus, allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Vorrichtung begrenzt. Hier umfasst das Profil 400 einen hohen Gateansteuerungsstrom (I_g1), der zu einem Anstieg der Spannung des Gates des IGBT (Vge) 404 führt. Wenn Vge gleich einer Schwellengatespannung 406 (V_th) ist, wird der IGBT bei Zeitpunkt 410 eingeschaltet. Der Gatestrom (I_g1) wird im Wesentlichen beibehalten, bis die Gatespannung (Vge) bei Zeitpunkt 412 das Miller-Plateau 408 kreuzt. Nach Erreichen des Miller-Plateaus 408 erreicht die Gatespannung eine Spitze 414 und pegelt sich dann bei der Miller-Plateau-Spannung auf einen Punkt 416 ein, bei dem sich die Gatespannung 404 auf die maximale Gatespannung bei Punkt 418 erhöht. Die Freilaufdiode hat einen Diodenstrom 420. Während des Betriebs, wenn der IGBT ausgeschaltet ist, ist die Freilaufdiode in der Regel in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet den Strom durch die Diode, bis sich die Gatespannung 404, die an den IGBT angelegt wird, zum Zeitpunkt 410 auf die Schwellenspannung 406 erhöht, und zum gleichen Zeitpunkt verringert der Stromfluss durch den IGBT den Stromfluss durch die Diode, und der Diodenstrom 420 ist verringert. Der Diodenstrom 420 wird weiter verringert, und zum Zeitpunkt 412 ändert der Diodenstrom die Richtung von einem positiven Strom zu einem negativen Strom. Der Diodenstrom 420 wird weiter verringert, bis der negative Strom 424 eine Spitze zeigt, wonach sich der Strom auf Null einpegelt. Der negative Strom der Diode tritt während der Sperrerholungszeit der Diode auf. Eine Ladung, die während einer Sperrerholungszeit strömt, auch eine Sperrerholungsladung genannt, muss vor Abschalten der Diode wieder eingefangen werden. Beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung oder in den ausgeschalteten Zustand muss die Sperrerholungsladung wieder eingefangen werden, bevor die Diode den Rückstrom sperrt.
Wenn der Diodenstrom 420 in Durchlassrichtung vorgespannt ist und Strom fließt, ist der IGBT-Kollektorstrom 426 ausgeschaltet. Der IGBT-Kollektorstrom 426 ist ausgeschaltet, bis die Gatespannung 404 die Schwellenspannung 406 erreicht, und an diesem Punkt beginnt am IGBT ein Kollektorstrom 426 zu fließen. Der Kollektorstrom 426 basiert auf der Gatespannung 404 und der Steilheit des IGBT. Zusammenhängend mit dem Diodenstrom 420 beginnt die Diodenspannung 428 niedrig, namentlich als Durchlassspannungsabfall über der Diode, und erhöht sich dann so, dass die Diodenspannung 428 kurz nach dem Auftreten der Spitze im negativen Strom 424 eine Spitze bildet. Der Betrieb des IGBT und das Anlegen von Vge dient dazu, die Diodenspannungspitze zu verringern, da eine Spitze, die die Maximalspannung der Diode überschreitet, die Diode beschädigen kann.
4 stellt einen IGBT-Einschaltübergang für ein Kraftfahrzeugsystem dar, unterteilt in 4 Phasen, Phase I–IV.
In Phase I springt die Gatespannung 404 von 0 auf die Schwellenspannung 406 (Vth) Die Schwellenspannung beträgt in der Regel 5–7 V. Während dieser Phase ist der IGBT-Kollektorstrom 426 (Ic) etwa gleich 0. In der Regel ist eine dem IGBT zugehörige Freilaufdiode in Durchlassrichtung vorgespannt und hat einen Diodenstrom 420 (Id) bei einem stabilen Zustandsstrom, beispielsweise kann der Strom in einem Hybridfahrzeugwechselrichter etwa 300 A betragen. Die Gateansteuerung während Phase I kann dazu konzipiert sein, einen maximalen Strom bereitzustellen, um eine Verzögerungszeit zwischen einem EIN-Signal der Gateansteuerung und einer IGBT-Gate-Antwort zu verringern.
In Phase II überschreitet die Gatespannung 404 eine Gatespannungsschwelle (Vth), und der IGBT-Strom 426 beginnt nach oben zu springen. Die Gatespannung 404 erhöht sich in Phase II von Vth 406 auf die Miller-Plateau-Spannung 408. Wenn sich die Gatespannung 404 erhöht, springt der IGBT-Kollektorstrom 426 (Ic) von 0 nach oben, und der Diodenstrom 420 verringert sich vom stabilen Zustandsstrom auf 0. Die Gateansteuerung in Phase II kann dazu konzipiert sein, maximalen Strom bereitzustellen, um Übergangszeit und Verluste zu verringern.
In Phase III erhöht sich der IGBT-Kollektorstrom 426 über den stabilen Zustandsstrom hinaus, und Diodenstrom 420 geht von einem positiven Strom zu einem negativen Strom über. Dies wird als ein Sperrerholungszustand der Diode bezeichnet. Die Diodenspannung 428 erhöht sich schnell und über die Gleichstrombusspannung hinaus, beispielsweise kann die Spannung in einem Hybridfahrzeugwechselrichter etwa 400 V betragen. Wenn die Spannungsspitze der Diodenspannung 428 höher als die Durchschlagspannung des IGBT oder die Durchschlagspannung der Diode ist, können der IGBT oder die Diode beschädigt werden. Die Gateansteuerung sollte einen kleinen Strom bereitstellen, um die Sperrerholung der Diode zu verlangsamen und eine Überspannung an der Diode zu verhindern.
In Phase IV hat sich die Diode vollständig von dem Sperrerholungseffekt erholt, und die IGBT-Gatespannung steigt weiter auf 15 V.
5 ist eine grafische Darstellung eines MOSFET-Kennlinienfelds 500, das einen MOSFET-Drainstrom (Id) 502 bezüglich Absenkung auf Source-Spannung (Vds) 504 bei mehreren Gatespannungen 506 darstellt. Die Gatespannungen 506 sind als Differenz der Gate-zu-Source-Spannung (Vgs) minus der Schwellenspannung (Vth) gezeigt. Die Gatespannung (Vgs) oberhalb der Schwellenspannung (Vth) wird auch als Gatespannung über der Schwelle (Vgt) bezeichnet. Für einen MOSFET im Anreicherungsmodus ist die Schwellenspannung ein minimales Gate-zu-Source-Spannungsdifferenzial, das benötigt wird, um einen Leitungspfad zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des MOSFET zu erzeugen. Der MOSFET leitet keine Gatespannungen durch, die kleiner als Vth sind. Der erste Betriebszustand eines MOSFET wird Sperrbereich genannt und bezeichnet den Bereich, wenn die Gatespannungen kleiner als Vth sind und der MOSFET nicht leitet. Bei Betrachtung des Kennlinienfelds 500 eines MOSFET ist eine Übergangslinie 508 als der Punkt gezeigt, in dem die Drain-zu-Source-Spannung (Vds) gleich Vgs – Vth ist. Wenn die Gatespannung größer als Vth ist und die Drain-zu-Source-Spannung (Vds) größer als Vgs – Vth ist, arbeitet der MOSFET in einem Sättigungsbereich, was auch als Sättigungsmodus des Betriebs bezeichnet wird. Traditionell wird, wenn die Gatespannung größer als Vth ist und die Drain-zu-Source-Spannung (Vds) kleiner als Vgs – Vth ist, der MOSFET als in einem linearen Bereich arbeitend angesehen. Allerdings kann der lineare Bereich entlang einer anderen Linie, der sublinearen Übergangslinie 510 geteilt werden. Die sublineare Übergangslinie 510 ist der Punkt, an dem der Drainstrom des MOSFET gleich einer Konstante multipliziert mit Vds und Vgt ist. Beim Betrieb im linearen Bereich, in dem Vds viel kleiner als Vgt ist, ist die Kennlinie so, dass der Betrieb in einem echt linearen Bereich erfolgt, und bei größerem Vds, bei dem der Betrieb zwischen der sublinearen Übergangslinie 510 und der Übergangslinie 508 liegt, erfolgt der Betrieb in einem sublinearen Bereich. Hier wird die Auswahl des MOSFET so ausgeführt, dass bei Ansteigen der IGBT-Gatespannung das Vds des MOSFET sich verringert, sodass der MOSFET anfänglich in einem Sättigungsbereich eingeschaltet wird, der einen maximalen Strom ermöglicht. Wenn die IGBT-Gatespannung ansteigt, verringert sich das Vds des MOSFET so, dass Vds die Übergangslinie 508 kreuzt, wenn der Stromfluss durch die Freilaufdiode von positiv zu negativ wechselt. Dies begrenzt den Stromfluss zum Gate des IGBT und mildert das Einschalten, um das Überschwingen der Diode zu verringern.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Auswahl des MOSFET so durchgeführt, dass sich bei Ansteigen der IGBT-Gatespannung das Vds des MOSFET so verringert, dass Vds die Sub-Übergangslinie 510 kreuzt, wenn der Stromfluss durch die Freilaufdiode von positiv zu negativ wechselt.
6 ist eine grafische Darstellung 600 der Diodenspannung 602 (Vd) bezüglich des IGBT-Kollektorstroms 604 (Ic). Basierend auf Testergebnissen ist das Profil 606 des Überschwingens der Diodenspannung 602 (Vd) im Verhältnis zu Ic 604 bei einem konstanten Gatestrom (z. B. 3 A) und während Betriebs in einer rauen Umgebung (z. B. Temperatur = –25 °C, Gleichstrombusspannung = 400 V) gezeigt. Dieser Graph 600 zeigt, dass, wenn der IGBT-Strom 604 bei 300 A liegt 608, die Überschwingung der Diodenspannung eine Spitzenspannung von 115 V erreicht. In diesem Zustand kann die Spitzendiodenspannung während der Sperrerholung der Diode 400 V + 115 V = 515 V erreichen.
7 ist eine grafische Darstellung 700 der Diodenspannung (Vd) 702 bezüglich des IGBT-Gatestroms 704 (Ig). Diese grafische Darstellung 700 zeigt einen Trend 706 von Überschwingen von Vd 702 im Verhältnis zu Ig 704 während Betriebs in einer rauen Umgebung (z. B. Ic = 300 A, Temperatur = –25 °°C, Gleichstrombusspannung = 400 V). Sie zeigt, dass sich bei Anstieg des Gatestroms 704 die IGBT-Schaltgeschwindigkeit erhöht, und die Sperrerholung der Diode schneller abläuft. Wenn die Diodenspezifikation festlegt, dass eine maximale Spannung unter keinen Umständen höher als 515 V sein darf, muss möglicherweise ein maximaler Gatestrom während der Sperrerholung auf nur 3 A 708 begrenzt werden.
Ausgehend von der obigen Analyse ist es für die Sperrerholung der Diode nicht wünschenswert, wenn Ic = 300 A und der Gatestrom größer als 3 A ist. Ausgehend von den obigen Figuren ist es wünschenswert, dass der Gatestrom während der Sperrerholung kleiner als 3 A ist. Die bietet eine Richtlinie für das Auswählen eines MOSFET.
Es folgt eine Beispieltabelle einer Übergangskennlinie eines IGBT.

Ic (Ampere) Vge (Volt)

1 7

10 8

100 9

300 10,5

450 11

600 12
Ausgehend von den Daten der IGBT-Übergangskennlinie kann eine Kombination aus MOSFET und IGBT basierend auf der entsprechenden Miller-Plateau-Spannung bei Ic = 300 A bestimmt werden, wobei Vge = 10,5 V bei Ic = 300 A.
8 ist eine grafische Darstellung 800 eines MOSFET-Drainstroms 802 (Id) bezüglich der IGBT-Gatespannung 804 (Vge). Der MOSFET-Drainstrom 802 im Verhältnis zur Kennlinie Vge 804 kann verwendet werden, um einen MOSFET auszuwählen. Beispielsweise stellt 8 die Antwort von drei unterschiedlichen MOSFETs dar. Die Antwort von MOSFET 1 (806), die Antwort von MOSFET 2 (808) und die Antwort von MOSFET 3 (810). Hier erfüllen MOSFET 2 und MOSFET 3 die Anforderung 812, während MOSFET 1 sie nicht erfüllt. Beim Auswählen zwischen MOSFET 2 und MOSFET 3 kann es aufgrund der Tatsache, dass MOSFET 2 einen höheren Strom bei einem kleinen Vg hat, vorteilhaft sein, MOSFET 2 auszuwählen.
9 ist eine schematische Darstellung 900 eines MOSFET 906, der mit einem IGBT 902 gekoppelt ist, um die Gatespannung des IGBT 902 zu steuern. Der IGBT hat in der Regel einen Emitter, ein Gate und einen Kollektor, allerdings sind einige IGBTs mit mehreren Elementen ausgelegt, wie etwa ein IGBT mit zwei Emittern. Die Verwendung von zwei Emittern ermöglicht eine Stromspiegelauslegung, bei der Strom, der durch einen der Emitter fließt, basierend auf dem Stromfluss im anderen Emitter bestimmt werden kann. Mit dem IGBT 902 gekoppelt ist eine Freilaufdiode 904. Die Freilaufdiode 904 kann auch als eine Rücklaufdiode oder eine Klemmdiode bezeichnet werden. Die Freilaufdiode 904 kann monolithisch in den IGBT 902 integriert sein, die Diode 904 kann vom IGBT 902 abgesetzt und in einem separaten Gehäuse untergebracht sein, oder sie kann im selben Gehäuse wie der IGBT 902 untergebracht sein. Die Diode 902 ist so ausgerichtet, dass die Anode der Diode 904 mit dem Emitter eines n-Kanal-IGBT gekoppelt ist. Der MOSFET 906, auch als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor bezeichnet, kann ein FET im Anreicherungsmodus, ein FET im Verarmungsmodus oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET – Junction Field Effect Transistor) sein. Ein Verarmungs-FET und ein JFET arbeiten anders als ein Anreicherungs-FET, ein Anreicherungs-FET leitet nicht, wenn keine Gatespannung anliegt und benötigt eine Gatespannung, um den Kanal so anzureichern, dass die Vorrichtung einen Leitungskanal zwischen Drain und Source bildet. Ein Verarmungs-FET hat einen Leitungskanal zwischen Drain und Source. Der JFET und der Verarmungs-Transistor benötigen eine Spannung am Gate, um den Kanal abzuschnüren und die Leitung zwischen Drain und Source zu stoppen. Für die Verwendung eines JFET oder eines Verarmungs-FET muss die Gateansteuerung dem Anreicherungs-FET entgegengesetzt arbeiten. Außerdem muss, da diese Komponenten einen Leitungskanal haben, wenn keine Gatespannung anliegt, mit Vorsicht vorgegangen werden, um das Risiko, dass die Vorrichtung auf der High-Side und die Vorrichtung auf der Low-Side gleichzeitig eingeschaltet sind, zu verringern. Die Schaltung 900 kann auch einen externen Gatewiderstand 908 umfassen. Der Gatewiderstand kann den Stromfluss auf das Gate des IGBT 902 begrenzen. Ferner kann die Gatespannung des MOSFET niedriger als die normale Gatespannung im eingeschalteten Zustand sein, sodass der MOSFET im linearen Bereich betrieben wird.
10 ist eine grafische Darstellung 1000 eines MOSFET-Drainstroms 1002 (Id) bezüglich einer IGBT-Gatespannung 1004 (Vge). Hier wird ein einzelner MOSFET ausgewählt, um einen IGBT anzusteuern, und die Reaktion wird basierend auf variierenden Werten eines Gatewiderstands (Radj), wie etwa Gatewiderstand 908, bereitgestellt. Hier wird gezeigt, wie Radj die Id-Vge-Kennlinie des MOSFET verändert. 10 stellt grafisch die Reaktion von MOSFET 1 aus 8 mit anderem Radj dar. Es wird dargestellt, dass Hinzufügen von Radj = 1,0 Ohm bei Verwenden von MOSFET 1 die Anforderung erfüllt, selbst wenn der ursprüngliche MOSFET 1 die Anforderung nicht erfüllt. In ähnlicher Weise erfüllt die Verwendung von Radj = 0,5 Ohm die Anforderung nicht.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können zu einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer, wozu eine beliebige existierende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit gehören kann, lieferbar sein oder durch sie umgesetzt werden. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, darunter, unter anderem, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Nur-Lese-Speichereinrichtungen (ROM – Read Only Memory), permanent gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, Direktzugriffsspeichereinrichtungen (RAM – Random Access Memory) und anderen magnetischen und optischen Medien, veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem ausführbaren Softwareobjekt umgesetzt werden. Als Alternative können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung von geeigneten Hardwarekomponenten, wie etwa ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), Zustandsautomaten, Steuerungen oder anderen Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt werden.
Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, besteht nicht die Absicht, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche umfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Worte dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften beschrieben worden sein könnten, versteht der Durchschnittsfachmann, dass zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um gewünschte Merkmale des Gesamtsystems zu erreichen, die von der besonderen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Merkmale können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Wechselrichter, einschließlich eines n-Kanal-IGBTs, mit einer Freilaufdiode, die mit einer Phase einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, und einen MOSFET aufweisend, der eine lokale Spannung mit einem Gate des IGBT koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Stromflussrichtung durch die Diode von positiv zu negativ wechselt, während der IGBT einen Strom durch die elektrische Maschine initiiert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner einen zwischen dem Gate des IGBT und dem MOSFET gekoppelten Gatewiderstand umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Widerstand des Widerstands ausgewählt wird, um einen Drainstrom des MOSFET auf eine vorbestimmte Schwelle für eine zugehörige Gatespannung des IGBT zu begrenzen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der MOSFET ein p-Kanal-MOSFET ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner eine Ladepumpenschaltung zum Ausgeben einer MOSFET-Gatespannung umfasst, die größer als die lokale Spannung zum Einschalten des MOSFET ist, und wobei der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET ist.
Ein Fahrzeuggleichspannungswandler, der Folgendes umfasst: einen Induktor; einen n-Kanal-Lade-IGBT mit einer Freilaufdiode, die zwischen einer Klemme des Induktors und einer lokalen Masse gekoppelt ist; und einen Lade-MOSFET, der eine lokale Spannung mit einem Gate des Lade-IGBT koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Stromflussrichtung in der Diode von positiv zu negativ wechselt, während der IGBT einen Strom durch den Induktor initiiert.
Wandler nach Anspruch 6, der ferner einen n-Kanal-Durchlass-IGBT mit einer Freilauf-Durchlassdiode, die zwischen der Klemme des Induktors und einer Ausgangsklemme gekoppelt ist, sowie einen Durchlass-MOSFET, der eine lokale Durchlassspannung mit einem Durchlassgate des Durchlass-IGBT koppelt, umfasst, wobei der MOSFET dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn eine Richtung von Stromfluss in der Durchlassdiode von positiv zu negativ wechselt, während der Durchlass-IGBT einen Ausgangsstrom durch eine elektrische Maschine initiiert, die mit der Ausgangsklemme gekoppelt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Strom auf Induktivität einer Phase der elektrischen Maschine, einer Busspannung und einer Drehzahl der elektrischen Maschine basiert.
Leistungselektronikmodul für ein Fahrzeug, das Folgendes umfasst: einen n-Kanal-IGBT mit einem Emitter, Gate und Kollektor; eine Freilaufdiode, die parallel mit dem IGBT gekoppelt ist; und einen MOSFET, der eine lokale Spannung mit dem IGBT-Gate koppelt und dazu ausgelegt ist, von Sättigungs- zu linearem Betrieb überzugehen, wenn sich eine Richtung von Stromfluss durch die Diode von positiv nach negativ umkehrt, während der IGBT einschaltet.
Fahrzeug nach Anspruch 9, das ferner einen zwischen dem Gate des IGBT und dem MOSFET gekoppelten Gatewiderstand umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Widerstand des Widerstands ausgewählt wird, um einen Drainstrom des MOSFET auf eine vorbestimmte Schwelle für eine zugehörige Gatespannung des IGBT zu begrenzen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der MOSFET ein p-Kanal-MOSFET ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das ferner eine Ladepumpenschaltung zum Ausgeben einer MOSFET-Gatespannung, die größer als die lokale Spannung zum Einschalten des MOSFET ist, umfasst, und wobei der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET ist.