DE102021212348B3

DE102021212348B3 - Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke und Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102021212348B3
Application number: DE102021212348.1A
Authority: DE
Inventors: Samy Arnaout; Marko Kertes; Jan Schmäling; Markus Novotny
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2041-11-03
Also published as: CN116073806A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern (HS,LS) mindestens einer Halbbrücke (3), wobei zwei Halbleiterschalter (HS,LS) der mindestens einen Halbbrücke (3) mit jeweiliger Inversdiode (HSD,LSD) mittels einer Gatetreiberschaltung (2) angesteuert werden, wobei eine Ansteuerspannung (11) jeweils eines der Halbleiterschalter (HS,LS) unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter (HS,LS) mittels einer Durchlassspannung (13) auf Durchlass geschaltet wird, von einer Sperrspannung (12) auf mindestens eine Zwischenspannung (14) geändert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke und eine Schaltungsanordnung.
Pulswechselrichter sind Schlüsselkomponenten der E-Mobilität. Die Optimierung dieser Komponente wirkt sich auf den gesamten Antriebsstrang eines Fahrzeugs aus und führt hierdurch zu einem echten Mehrwert für den Endverbraucher. Kernstück des Pulswechselrichters ist eine sogenannte Kommutierungszelle, welche einen Zwischenkreis und eine Halbbrücke umfasst. Optimierungen des Pulswechselrichters können sowohl mechanisch (Layout der Halbbrücke, Anbindung an den Zwischenkreis...) als auch elektrisch (Optimierung eines Gatetreiberkreises, Optimierung einer Halbleitercharakterisik etc.) vorgenommen werden.
Aus der US 2021/0152158 A1 ist ein Leistungshalbleitersystem mit großer Bandlücke (WBG) bekannt. In einem Aspekt umfasst das System einen Controller, der konfiguriert ist, um ein Schaltsteuersignal zu erzeugen, und einen Gatetreiber, der konfiguriert ist, um das Schaltsteuersignal zu empfangen und als Reaktion auf das Schaltsteuersignal ein Schalttreibersignal zu erzeugen. Das System umfasst auch ein WBG-Leistungshalbleiterbauelement, das mit dem Gatetreiber gekoppelt ist und das einen Gateanschluss zum Empfangen des Schalttreibersignals umfasst und das konfiguriert ist, um als Reaktion auf das Schalttreibersignal geschaltet zu werden. Das Schalttreibersignal hat einen von drei Signalpegeln: einen ersten Spannungspegel höher als ein Nullspannungspegel, ein zweiter Spannungspegel niedriger als der Nullspannungspegel und der Nullspannungspegel zu einem beliebigen Zeitpunkt. Als Ergebnis steuert der Gatetreiber das WBG-Leistungshalbleiterbauelement mit den drei Spannungspegeln.
Aus der EP 3 503 365 B1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines Kommutierungsvorgangs eines Laststroms zwischen zwei Schaltmodulen bekannt, die jeweils einen MOSFET, der durch eine Gate-Source-Spannung ansteuerbar ist, und eine intrinsische Inversdiode aufweisen. Um durch parasitäre Schaltkreisparameter hervorgerufene Oszillationen bei der Abkommutierung der Inversdioden zu reduzieren, wird nach Abschaltung eines der Schaltmodule die an dieses Schaltmodul angelegte Gate-Source-Ansteuerspannung vorübergehend bis in die Nähe der Schwellenspannung zum Einschalten des MOSFETs wieder erhöht, bevor und während das andere Schaltmodul eingeschaltet wird, um den Strom von der Inversdiode des einen Schaltmoduls auf den MOSFET des anderen Schaltmoduls zu kommutieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei denen eine Ansteuerung verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke zur Verfügung gestellt, wobei zwei Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke mit jeweiliger Inversdiode mittels einer Gatetreiberschaltung angesteuert werden, wobei eine Ansteuerspannung jeweils eines der Halbleiterschalter unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter mittels einer Durchlassspannung auf Durchlass geschaltet wird, von einer Sperrspannung auf mindestens eine Zwischenspannung geändert wird.
Ferner wird insbesondere eine Schaltungsanordnung geschaffen, umfassend mindestens eine Halbbrücke mit zwei Halbleiterschaltern mit jeweiliger Inversdiode und eine Gatetreiberschaltung, die eingerichtet ist zum Ansteuern der Halbleiterschalter, wobei die Gatetreiberschaltung ferner dazu eingerichtet ist, eine Ansteuerspannung jeweils eines der Halbleiterschalter unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter mittels einer Durchlassspannung auf Durchlass geschaltet wird, von einer Sperrspannung auf mindestens eine Zwischenspannung zu ändern.
Das Verfahren und die Schaltungsanordnung ermöglichen es, eine Ansteuerung der Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke derart zu verbessern, dass beim Einschalten eines Halbleiterschalters auftretende Oszillationen verringert werden können. Hierdurch kann eine durch die Oszillationen hervorgerufene Überspannung verringert werden. Ferner können die Oszillationen insgesamt verringert werden, sodass diese insbesondere schneller abklingen. Der dahinter stehende Grundgedanke ist, einen Widerstand der Inversdiode des sperrenden Halbleiterschalters zu verringern, indem die Ansteuerspannung des sperrenden Halbleiterschalters unter Berücksichtigung des Schaltzeitpunkts, zu dem der Halbleiterschalter, der auf Durchlass bzw. leitend geschaltet werden soll, geschaltet wird, von der Sperrspannung auf mindestens eine Zwischenspannung geändert wird. Da dies einen Widerstand der Inversdiode des sperrenden Halbleiterschalters reduziert, kann ein Ausmaß der Oszillationen und in der Folge die Überspannung verringert werden. Beträgt eine Sperrspannung (Gatespannung) beispielsweise -4 V und eine Durchlassspannung +15 V, so kann eine Zwischenspannung von 0 V gewählt werden. Die Schaltabfolge ist dann beispielsweise wie folgt: Beide Halbleiterschalter befinden sich im Sperrzustand (Gatespannung bei -4 V). Einer der Halbleiterschalter soll auf Durchlass, das heißt, leitend geschaltet werden (Gatespannung bei +15 V). Unter Berücksichtigung des Schaltzeitpunkts dieses Halbleiterschalters wird die Ansteuerspannung des (jeweils) anderen Halbleiterschalters von der Sperrspannung (-4 V) auf die Zwischenspannung (0 V) geändert. Zeitgleich oder anschließend kann dann die Ansteuerspannung des Halbleiterschalters, der auf Durchlass geschaltet werden soll, von der Sperrspannung (-4 V) auf die Durchlassspannung (+15 V) geändert werden. Nach einer (jeweils) vorgesehenen Pulsdauer (des Pulsmusters) werden die Ansteuerspannungen der Halbleiterschalter wieder auf die Sperrspannung geändert. Insbesondere wird das Vorgehen dann für den anderen der beiden Halbleiterschalter in entsprechender Weise wiederholt, wobei die jeweiligen „Rollen“ beim Ansteuern vertauscht sind.
Durch das Ändern der Ansteuerspannung des einen Halbleiterschalters von der Sperrspannung auf die Zwischenspannung ist insbesondere ein Widerstand der Inversdiode dieses Halbleiterschalters reduziert. In der Folge sind beim Einschalten (Durchlass) des (jeweils) anderen Halbleiterschalters auftretende Oszillationen und eine anfängliche Überspannung reduziert. Bei jedem (abwechselnden) Einschalten (bzw. auf Durchlass schalten) eines der Halbleiterschalter der Halbbrücke, wird die Ansteuerspannung des jeweils anderen Halbleiterschalters von der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung geschaltet. Ansonsten erfolgt das Ansteuern der Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke in an sich bekannter Weise.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass aufgrund der reduzierten Überspannung die Halbleiterschalter insgesamt kleiner ausgelegt werden können. Ferner kann eine Verlustleistung reduziert werden, da durch eine Verringerung der Oszillationen auch ein Wert eines Überlappintegrals aus Strom und Spannung verringert werden kann. Dies führt zu reduzierten Anforderungen an einen benötigten Bauraum und an eine Wärmeabführung. Insgesamt können Kosten reduziert werden. Ferner führen reduzierte Oszillationen auch zu besseren Eigenschaften im Hinblick auf eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Ein Halbleiterschalter ist insbesondere ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET). Insbesondere ist ein Halbleiterschalter ein MOSFET aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandlücke (z.B. GaN, SiC). Insbesondere ist ein Halbleiterschalter ein SiC-MOSFET. Die Inversdiode (engl. body diode) ist insbesondere eine Diode, die von dem MOSFET selbst zwischen einem Source- und einem Drainkontakt ausgebildet wird.
Ein Sperrzustand bezeichnet insbesondere einen nicht-leitenden Zustand eines Halbleiterschalters. Der Sperrzustand wird durch Anlegen der Sperrspannung an das Gate des Halbleiterschalters eingestellt. Durchlass bezeichnet insbesondere einen Zustand, bei dem der Halbleiterschalter leitend ist. Der Durchlass(zustand) wird durch Anlegen der Durchlassspannung an das Gate des Halbleiterschalters eingestellt.
Eine Zwischenspannung ist insbesondere eine Spannung, die einen Wert zwischen der Sperrspannung und der Durchlassspannung aufweist. Eine Zwischenspannung kann insbesondere 0 V sein.
Die Gatetreiberschaltung kann insbesondere eine Steuereinrichtung und mehrere Gatetreiber umfassen. Die Steuereinrichtung stellt Steuerspannungen zum Betreiben der Gatetreiber bereit. Insbesondere bilden die Steuerspannungen Pulsmuster (z.B. in Form einer Pulsweitenmodulation) zum Ansteuern der Halbleiterschalter mehrerer Halbbrücken aus. Die Gatetreiber empfangen die Steuerspannungen und erzeugen den Steuerspannungen entsprechende Gatespannungen, die den jeweiligen Gatekontakten der Halbleiterschalter zugeführt werden. Die Steuereinrichtung und die Gatetreiber können auch gemeinsam als integrierte Schaltung ausgebildet sein.
Teile der Schaltungsanordnung, insbesondere die Steuereinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.
Es ist vorgesehen, dass das Ändern der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung und/oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen unter Berücksichtigung von einer Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters und/oder einer Zwischenkreisspannung und/oder eines Phasenstroms der Halbbrücke durchgeführt wird. Hierdurch kann die mindestens einen Zwischenspannung und/oder die Abfolge von Zwischenspannungen ausgehend von einem Zustand des einen Halbleiterschalters und/oder eines Zustands der Schaltungsanordnung (Zwischenkreis, Halbbrücke etc.) gewählt werden. Dies ermöglicht eine dynamische Anpassung an einen aktuellen Zustand. Insbesondere können ein Zeitpunkt und/oder ein Wert und/oder eine Dauer der Zwischenspannung und/oder der Abfolge der Zwischenspannungen unter Berücksichtigung der Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters und/oder der Zwischenkreisspannung und/oder des Phasenstroms der Halbbrücke festgelegt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass abhängig von einem Kennfeld (z.B. Look-up-Tabelle) Zeitpunkt, Höhe und/oder Dauer der Zwischenspannung(en) eingestellt werden, wobei in dem Kennfeld die jeweiligen Werte in Abhängigkeit vom Phasenstrom, der Zwischenkreisspannung und/oder der Sperrschichttemperatur hinterlegt sind und aus diesem abgerufen werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ansteuerspannung des einen Halbleiterschalters unter Berücksichtigung von dem Schaltzeitpunkt hierzu eine Abfolge von Zwischenspannungen durchläuft. Hierdurch lassen sich auftretende Oszillationen weiter reduzieren. Eine Anzahl, Werte und eine Dauer der Zwischenspannungen können beispielsweise empirisch und/oder mit Hilfe von Simulationen bestimmt und/oder festgelegt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ansteuerspannung des einen Halbleiterschalters ein vorgegebenes Zeitintervall vor oder nach dem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter auf Durchlass geschaltet wird, von der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung geändert wird und/oder dass das Durchlaufen der Abfolge von Zwischenspannungen ein vorgegebenes Zeitintervall vor oder nach dem Schaltzeitpunkt gestartet wird. Hierdurch befindet sich die Ansteuerspannung des nicht-leitenden Halbleiterschalters bereits auf der Zwischenspannung, wenn der andere Halbleiterschalter auf Durchlass geschaltet wird. Hierdurch können die Oszillationen besonders effektiv reduziert werden, da der Widerstand der Inversdiode des einen Halbleiterschalters beim Einschalten des anderen Halbleiterschalters bereits reduziert ist. Alternativ kann die Ansteuerspannung ein vorgegebenes Zeitintervall nach dem Schaltzeitpunkt auf die Zwischenspannung gesetzt werden. Das vorgegebene Zeitintervall kann beispielsweise empirisch in Versuchsreihen und/oder ausgehend von Simulationen bestimmt werden, um Oszillationen und die Überspannung effektiv zu verringern.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Zwischenspannung und/oder die Abfolge von Zwischenspannungen für eine vorgegebene Dauer anliegen. Die vorgegebene Dauer kann beispielsweise empirisch in Versuchsreihen und/oder ausgehend von Simulationen bestimmt werden, um Oszillationen und die Überspannung effektiv zu verringern. Die vorgegebene Dauer umfasst beispielsweise zumindest einen Zeitraum, in dem der andere Halbleiterschalter auf Durchlass geschaltet ist. Grundsätzlich kann die vorgegebene Dauer aber auch kürzer oder länger sein.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Wert der mindestens einen Zwischenspannung und/oder Werte der Abfolge der Zwischenspannungen ausgehend von einem Wert der Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters und/oder eines Wertes der Zwischenkreisspannung und/oder eines Wertes des Phasenstroms festgelegt wird. Hierdurch kann ein Wert der mindestens einen Zwischenspannung und/oder können Werte der Abfolge der Zwischenspannungen direkt von dem Zustand der Schaltungsanordnung beeinflusst werden. Die Art der Beeinflussung kann beispielsweise in Form einer oder mehrerer Kennlinien und/oder in Form von Funktionen in der Gatetreiberschaltung hinterlegt sein. In der/den Kennlinie(n) und/oder Funktion(en) sind dann Werte für die mindestens eine Zwischenspannung und/oder Werte der Abfolge der Zwischenspannungen in Abhängigkeit von Werten der Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters und/oder von Werten der Zwischenkreisspannung und/oder von Werten des Phasenstroms hinterlegt und können aus dieser/n abgerufen werden. Die Kennlinien und/oder Funktionen können beispielsweise empirisch und/oder mit Hilfe von Simulationen bestimmt und/oder festgelegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ändern der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen nur durchgeführt wird, wenn ein Wert der Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters unterhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes liegt und/oder wenn ein Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb eines vorgegebenen Zwischenkreisspannungsschwellwertes liegt und/oder wenn der Wert des Phasenstroms unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellwertes liegt. Hierdurch kann eine Sicherheit erhöht werden. Insbesondere kann verhindert werden, dass unter gewissen Randbedingungen ein Brückenquerkurzschluss auftritt. In einem effizienzbestimmenden Teillastbetrieb eines die Schaltungsanordnung umfassenden Pulswechselrichters bei kleinen Strömen kann dann eine Änderung von der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung und/oder die Abfolge der Zwischenspannungen erfolgen, bei höheren Strömen, wo eine Gefahr eines Brückenquerkurzschlusses erhöht ist, kann die Ansteuerspannung jedoch auf der Sperrspannung verbleiben. Die jeweiligen Schwellenwerte können hierbei empirisch und/oder durch Simulationen bestimmt werden.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung mindestens drei Halbbrücken aufweist, wobei die Gatetreiberschaltung die mindestens drei Halbbrücken gemäß einem vorgegebenen Pulsmuster derartig ansteuert, dass ein mehrphasiger Pulswechselrichter ausgebildet wird. Grundsätzlich können auch mehr Halbbrücken vorgesehen sein, beispielsweise sechs Halbbrücken, sodass ein sechsphasiger Pulswechselrichter ausgebildet wird.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Schaltungsanordnung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
Weiter wird auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Schaltungsanordnung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Ein Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Grundsätzlich kann das Fahrzeug aber auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Flugtaxi.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung;
2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung und des Verfahrens;
3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung und des Verfahrens;
4 ein schematisches Ersatzschaltbild zur Verdeutlichung des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens anhand einer Simulation;
5 eine Simulation eines zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen des Ersatzschaltbildes aus 4 für einen Fall, bei dem das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren nicht verwendet wird (Stand der Technik);
6 eine Simulation eines zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen des Ersatzschaltbildes aus 4 für einen Fall, bei dem das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren verwendet wird;
7 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 gezeigt. Die Schaltungsanordnung 1 ist beispielsweise in einem Fahrzeug 50, insbesondere einem Kraftfahrzeug, angeordnet und ist dort beispielsweise Teil eines Pulswechselrichters 51. Grundsätzlich kann die Schaltungsanordnung 1 aber auch auf anderen Gebieten eingesetzt werden.
Die Schaltungsanordnung 1 umfasst eine Halbbrücke 3 und eine Gatetreiberschaltung 2. Die Gatetreiberschaltung 2 umfasst eine Steuereinrichtung 2-1 und Gatetreiber 2-2. Die Steuereinrichtung 2-1 stellt Steuersignale 10 zum Ansteuern der Gatetreiber 2-2 bereit. Die Gatetreiber 2-2 wandeln die Steuersignale 10 in Ansteuerspannungen 11 um und stellen diese bereit. Die Halbbrücke 3 umfasst zwei Halbleiterschalter HS, LS, welche beispielsweise als SiC-MOSFETs ausgebildet sind. Die Gates der Halbleiterschalter HS, LS werden mittels der bereitgestellten Ansteuerspannungen 11 angesteuert. Das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren wird nachfolgend anhand der Schaltungsanordnung 1 erläutert.
Für einen Sperrzustand wird die Ansteuerspannung 11 des jeweiligen Halbleiterschalters HS, LS auf eine Sperrspannung (z.B. -4 V) gesetzt. Zum Schalten auf Durchlass (Durchlasszustand) wird die Ansteuerspannung 11 des jeweiligen Halbleiterschalters HS, LS auf eine Durchlassspannung gesetzt (z.B. +15 V). Ferner ist noch mindestens eine Zwischenspannung (z.B. 0 V) vorgesehen, auf die die Ansteuerspannung 11 gesetzt werden kann.
Die Ansteuerspannung 11 jeweils eines der Halbleiterschalter HS, LS wird unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter HS, LS mittels der Durchlassspannung auf Durchlass geschaltet wird, von der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung geändert. Dies erfolgt durch entsprechendes Ansteuern mittels der Gatetreiberschaltung 2 und entsprechendes Ändern der Ansteuerspannung 11.
Die Schaltungsanordnung 1 kann weitere Halbbrücken aufweisen. Ein Aufbau und der Ablauf beim Ansteuern sind für die weiteren Halbbrücken analog zum Aufbau bzw. zum Ablauf bei der gezeigten Halbbrücke 3. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung 1 drei Halbbrücken 3 aufweisen, wobei die Gatetreiberschaltung 2 die drei Halbbrücken 3 gemäß einem vorgegebenen Pulsmuster derartig ansteuert, dass ein mehrphasiger Pulswechselrichter 51 ausgebildet wird.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Schaltungsanordnung 1 (1) und des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens. Die Darstellung dient lediglich zur Verdeutlichung des offenbarten Verfahrens und der offenbarten Schaltungsanordnung. Insbesondere kann eine jeweilige Ansteuerspannung 11 einen anderen, insbesondere komplexeren, zeitlichen Verlauf aufweisen. Gezeigt ist ein schematischer zeitlicher Verlauf der Ansteuerspannungen 11 (in V) des Highside-Halbleiterschalters HS auf einer Highside (HS) und der Ansteuerspannung 11 (in V) des Lowside-Halbleiterschalters LS auf einer Lowside (LS). Zum Zeitpunkt t0 sind die Ansteuerspannungen 11 beider Halbleiterschalter HS, LS auf die Sperrspannung 12 (-4 V) gesetzt. Zum Zeitpunkt t1 soll der Lowside-Halbleiterschalter LS auf Durchlass geschaltet werden. Hierzu wird die Ansteuerspannung 11 des Lowside-Halbleiterschalters LS von der Sperrspannung (-4 V) auf die Durchlassspannung 13 (+15 V) gesetzt. Unter Berücksichtigung dieses Schaltzeitpunktes t1 wird die Ansteuerspannung 11 des Highside-Halbleiterschalters HS von der Sperrspannung 12 (-4 V) auf die Zwischenspannung 14 (0 V) gesetzt. Zum Zeitpunkt t2 werden die Ansteuerspannungen 11 beider Halbleiterschalter HS, LS wieder auf die Sperrspannung 12 (-4 V) gesetzt. Zum Zeitpunkt t3 liegt der umgekehrte Fall vor: Der Highside-Halbleiterschalter HS soll auf Durchlass geschaltet werden. Hierzu wird die Ansteuerspannung 11 des Highside-Halbleiterschalters HS von der Sperrspannung 12 (-4 V) auf die Durchlassspannung 13 (+15 V) gesetzt. Unter Berücksichtigung dieses Schaltzeitpunktes t3 wird die Ansteuerspannung 11 des Lowside-Halbleiterschalters LS von der Sperrspannung 12 (-4 V) auf die Zwischenspannung 14 (0 V) gesetzt. Anschließend wird der Ablauf für weitere Zeitpunkte t4, t5, t6, t7,... wiederholt, wobei der Zeitpunkt t4 dem Zeitpunkt t0 entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerspannung 11 des einen Halbleiterschalters HS, LS unter Berücksichtigung von dem Schaltzeitpunkt t1, t5 hierzu eine Abfolge von Zwischenspannungen 14 durchläuft. Beispielsweise kann neben einer Zwischenspannung 14 von 0 V eine weitere Zwischenspannung 14 von 1 V vorgesehen sein. Wobei zuerst die Zwischenspannung 14 von 1 V und nachfolgend die Zwischenspannung 14 von 0 V durchlaufen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerspannung 11 des einen Halbleiterschalters HS, LS ein vorgegebenes Zeitintervall vor dem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter HS, LS auf Durchlass geschaltet wird, von der Sperrspannung 12 auf die mindestens eine Zwischenspannung 14 geändert wird und/oder dass das Durchlaufen der Abfolge von Zwischenspannungen 14 ein vorgegebenes Zeitintervall Δt vor dem Schaltzeitpunkt gestartet wird. Diese Ausführungsform ist schematisch in der 3 gezeigt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ein Widerstand der Inversdiode des Highside-Leistungshalbleiters HS (1) durch das Ändern der Ansteuerspannung 11 von der Sperrspannung 12 auf die Zwischenspannung 14 bereits reduziert ist, wenn der Lowside-Leistungshalbleiter LS auf die Durchlassspannung 13 geschaltet wird (und umgekehrt). Ein Wert für das vorgegebene Zeitintervall Δt kann empirisch oder mit Hilfe von Simulationen bestimmt werden. Alternativ kann das Einstellen der Zwischenkreisspannung auch ein vorgegebenes Zeitintervall nach dem Schaltzeitpunkt erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Zwischenspannung 14 und/oder die Abfolge von Zwischenspannungen 14 für eine vorgegebene Dauer anliegen.
Es ist vorgesehen, dass das Ändern der Sperrspannung 12 auf die mindestens eine Zwischenspannung 14 und/oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen 14 unter Berücksichtigung von einer Sperrschichttemperatur T-HS, T-LS (1) des einen Halbleiterschalters HS, LS und/oder einer Zwischenkreisspannung U und/oder eines Phasenstroms I der Halbbrücke 3 durchgeführt wird. Aktuelle Werte für die Sperrschichttemperaturen T-HS, T-LS, die Zwischenkreisspannung(en) U und den Phasenstrom I oder die Phasenströme I werden der Gatetreiberschaltung 2 beispielsweise von einer Wechselrichterregelung zugeführt und/oder mittels geeigneter Sensoren erfasst.
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass ein Wert der mindestens einen Zwischenspannung 14 und/oder Werte der Abfolge der Zwischenspannungen 14 ausgehend von einem Wert der Sperrschichttemperatur T-HS, T-LS des einen Halbleiterschalters HS, LS und/oder eines Wertes der Zwischenkreisspannung U und/oder eines Wertes des Phasenstroms I festgelegt wird. Dies kann insbesondere mit Hilfe von Kennlinien und/oder Funktionen erfolgen, in denen die Werte für die Zwischenspannungen(en) 14 in Abhängigkeit von Werten der Sperrschichttemperatur T-HS, T-LS und/oder der Zwischenkreisspannung U und/oder des Phasenstroms I hinterlegt sind und bei Bedarf abgerufen werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Ändern der Sperrspannung 12 auf die mindestens eine Zwischenspannung 14 oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen 14 nur durchgeführt wird, wenn ein Wert der Sperrschichttemperatur T-HS, T-LS des einen Halbleiterschalters HS, LS unterhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes Tmax liegt und/oder wenn ein Wert der Zwischenkreisspannung U unterhalb eines vorgegebenen Zwischenkreisspannungsschwellwertes Umax liegt und/oder wenn der Wert des Phasenstroms I unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellwertes Imax liegt. Die Schwellenwerte Tmax, Umax und Imax können der Gatetreiberschaltung 2 beispielsweise ebenfalls vorgegeben werden.
In der 4 ist ein schematisches Ersatzschaltbild gezeigt. Gezeigt ist eine Kommutierungszelle, welche einen Zwischenkreis 4 mit einem Zwischenkreiskondensator 5 und eine Halbbrücke 3 umfasst. Die Halbbrücke 3 umfasst einen als MOSFET ausgebildeten Highside-Halbleiterschalter HS und einen als MOSFET ausgebildeten Lowside-Halbleiterschalter LS. Den beiden Halbleiterschaltern HS, LS ist jeweils eine Inversdiode HSD, LSD (engl. body diode) antiparallel geschaltet. Ferner sind die Gatetreiber 2-2 auf der Highside und auf der Lowside gezeigt. Ferner ist eine an der Phase der Halbbrücke 3 hängende Motorinduktivität L einer elektrischen Maschine gezeigt.
Ausgehend von diesem Ersatzschaltbild wird eine Simulation durchgeführt, um das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren zu verdeutlichen. Die 5 zeigt hierbei einen Fall, bei dem das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren nicht verwendet wird (Stand der Technik). Die 5 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs beim Ansteuern der Leistungshalbleiter. Oben ist ein Verlauf einer Spannung U-GHS zwischen Gate und Source bzw. am Gatetreiber 2-2 der Highside gezeigt. Unten sind Verläufe eines Phasenstroms I, einer Spannung U-HSD an der Highside-Inversdiode HSD und einer Spannung U-LSD an der Lowside-Inversdiode LSD gezeigt. Eine Ansteuerspannung zwischen Gate und Source des Highside-Halbleiterschalters HS bleibt über den gesamten Verlauf auf - 4 V. Bei einer Zeit von 6,05 µs wird eine Ansteuerspannung des Lowside-Halbleiterschalters LS von der Sperrspannung (-4 V) auf die Durchlassspannung (+15 V) geändert. Deutlich zu erkennen ist, dass die Spannung U-HSD an der Highside-Inversiode HSD und der Phasenstrom I starke Oszillationen zeigen. Die Spannung U-HSD erreicht hierbei durch die Oszillationen kurzzeitig Spitzenwerte von über 600 V. Es liegt also eine starke Überspannung vor. Darüber hinaus ist durch die starken und nach 400 ns noch anhaltenden Oszillationen auch ein EMV-Verhalten (elektromagnetische Verträglichkeit) der Schaltungsanordnung verschlechtert.
Die 6 zeigt einen Fall, bei dem das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren verwendet wird. Es sind die gleichen Kurven wie in der 5 gezeigt. Kurz bevor die Ansteuerspannung des Lowside-Halbleiterschalters LS von der Sperrspannung (-4 V) auf die Durchlassspannung (+15 V) geändert wird, wird die Ansteuerspannung des Highside-Halbleiterschalters HS von der Sperrspannung (-4 V) auf die Zwischenspannung (im Beispiel 0 V) geändert, was deutlich an einem Sprung der Spannung U-GHS im oberen Bild bei einer Zeit von 6,005 µs zu erkennen ist. Der hierdurch reduzierte Widerstand der Highside-Inversdiode HSD führt dazu, dass im Vergleich zu dem Fall, der in 5 dargestellt ist, sowohl eine Überspannung als auch Oszillationen deutlich verringert sind. Die Spannung U-HSD bleibt nach dem Ändern der Ansteuerspannung des Lowside-Halbleiterschalters LS unterhalb von 450 V. Die auftretenden Oszillationen sind innerhalb von etwa 50 ns wieder abgeklungen. Das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren und die beschriebene Schaltungsanordnung führen also zu einer deutlichen Reduktion der Überspannungen („Überschwinger“) beim Einschalten der Halbleiterschalter HS, LS und nach dem Einschalten auftretende Oszillationen klingen deutlich schneller wieder ab. Insgesamt lässt sich eine Effizienz beim Betrieb der Halbrücke erhöhen, da insbesondere ein Aufbau nicht auf Überspannungen, wie diese bei dem in 5 gezeigten Fall auftreten, ausgelegt sein muss.
Die 7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mindestens einer Halbbrücke. Das Verfahren ist für eine Halbbrücke beschrieben, grundsätzlich können jedoch in gleicher Weise auch mehrere Halbbrücken angesteuert werden, insbesondere im Betrieb eines Pulswechselrichters. Zwei Halbleiterschalter der Halbbrücke mit jeweiliger Inversdiode werden mittels einer Gatetreiberschaltung angesteuert. Dies erfolgt insbesondere gemäß einem vorgegeben Pulsmuster, bei dem abwechselnd (oder in anderer Weise) einer der beiden Halbleiterschalter leitend (auf Durchlass) geschaltet wird.
In einer Maßnahme 100 wird eine Ansteuerspannung des Highside-Halbleiterschalters (insbesondere eines MOSFETs) von einer Sperrspannung auf eine Zwischenspannung geändert.
In einer Maßnahme 101 wird eine Ansteuerspannung des Lowside-Halbleiterschalters (insbesondere eines MOSFETs) von einer Sperrspannung auf eine Durchlassspannung geändert.
In einer Maßnahme 102 werden nach einer vorgesehenen Pulsdauer die Ansteuerspannungen beider Halbleiterschalter wieder auf die Sperrspannung geändert.
In einer Maßnahme 103 wird die Ansteuerspannung des Lowside-Halbleiterschalters von der Sperrspannung auf die Zwischenspannung geändert.
In einer Maßnahme 104 wird die Ansteuerspannung des Highside-Halbleiterschalters von der Sperrspannung auf die Durchlassspannung geändert.
In einer Maßnahme 105 werden nach einer vorgesehenen Pulsdauer die Ansteuerspannungen beider Halbleiterschalter wieder auf die Sperrspannung geändert.
Anschließend werden die Maßnahmen 100-105 wiederholt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Maßnahmen 100 und 103 zeitgleich mit den Maßnahmen 101 und 104 ausgeführt werden. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Maßnahmen 100 und 103 ein vorgegebenes Zeitintervall vor (oder alternativ nach) den Maßnahmen 101 bzw. 104 bzw. vor (nach) einem jeweiligen Schaltzeitpunkt dieser Maßnahmen ausgeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Ändern der Sperrspannung auf die mindestens eine Zwischenspannung oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen nur durchgeführt wird, wenn ein Wert der Sperrschichttemperatur des einen Halbleiterschalters unterhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes liegt und/oder wenn ein Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb eines vorgegebenen Zwischenkreisspannungsschwellwertes liegt und/oder wenn der Wert des Phasenstroms unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellwertes liegt. Hierzu wird beispielsweise in einer Maßnahme 99 überprüft, ob einer der Schwellwerte überschritten ist. Ist dies nicht der Fall, werden die Maßnahmen 100 bis 105 ausgeführt, anderenfalls wird die Maßnahme 99 wiederholt.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Gatetreiberschaltung
2-1: Steuereinrichtung
2-2: Gatetreiber
3: Halbbrücke
11: Ansteuerspannung
12: Sperrspannung
13: Durchlassspannung
14: Zwischenspannung
50: Fahrzeug
51: Pulswechselrichter
99-105: Maßnahmen des Verfahrens
HS: Highside-Halbleiterschalter
HSD: Highside-Inversdiode
LS: Lowside-Halbleiterschalter
LSD: Lowside-Inversdiode
I: Phasenstrom
Imax: Stromschwellwert
L: Motorinduktivität
t: Zeit(achse)
t0... t7: (Schalt-)Zeitpunkte
Δt: Zeitintervall
T-HS: Sperrschichttemperatur (Highside-Halbleiterschalter)
T-LS: Sperrschichttemperatur (Lowside-Halbleiterschalter)
Tmax: Temperaturschwellwert
U: Zwischenkreisspannung
Umax: Zwischenkreisspannungsschwellwert
U-GHS: Spannung zwischen Gate und Source (Gatetreiberspannung)
U-HSD: Spannung an der HS-Inversdiode
U-LSD: Spannung an der LS-Inversdiode

Claims

Verfahren zum Ansteuern von Halbleiterschaltern (HS,LS) mindestens einer Halbbrücke (3), wobei zwei Halbleiterschalter (HS,LS) der mindestens einen Halbbrücke (3) mit jeweiliger Inversdiode (HSD,LSD) mittels einer Gatetreiberschaltung (2) angesteuert werden, wobei eine Ansteuerspannung (11) jeweils eines der Halbleiterschalter (HS,LS) unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter (HS,LS) mittels einer Durchlassspannung (13) auf Durchlass geschaltet wird, von einer Sperrspannung (12) auf mindestens eine Zwischenspannung (14) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern der Sperrspannung (12) auf die mindestens eine Zwischenspannung (14) und/oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen (14) unter Berücksichtigung von einer Sperrschichttemperatur (T-HS,T-LS) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) und/oder einer Zwischenkreisspannung (U) und/oder eines Phasenstroms (I) der Halbbrücke (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung (11) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) unter Berücksichtigung von dem Schaltzeitpunkt hierzu eine Abfolge von Zwischenspannungen (14) durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung (11) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) ein vorgegebenes Zeitintervall (Δt) vor oder nach dem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter (HS,LS) auf Durchlass geschaltet wird, von der Sperrspannung (12) auf die mindestens eine Zwischenspannung (14) geändert wird und/oder dass das Durchlaufen der Abfolge von Zwischenspannungen (14) ein vorgegebenes Zeitintervall (Δt) vor oder nach dem Schaltzeitpunkt gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenspannung (14) und/oder die Abfolge von Zwischenspannungen (14) für eine vorgegebene Dauer anliegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der mindestens einen Zwischenspannung (14) und/oder Werte der Abfolge der Zwischenspannungen (14) ausgehend von einem Wert der Sperrschichttemperatur (T-HS,T-LS) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) und/oder eines Wertes der Zwischenkreisspannung (14) und/oder eines Wertes des Phasenstroms (I) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern der Sperrspannung (12) auf die mindestens eine Zwischenspannung (14) oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen (14) nur durchgeführt wird, wenn ein Wert der Sperrschichttemperatur (T-HS,T-LS) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) unterhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes (Tmax) liegt und/oder wenn ein Wert der Zwischenkreisspannung (U) unterhalb eines vorgegebenen Zwischenkreisspannungsschwellwertes (Umax) liegt und/oder wenn der Wert des Phasenstroms (I) unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellwertes (Imax) liegt.
Schaltungsanordnung (1), umfassend: mindestens eine Halbbrücke (3) mit zwei Halbleiterschaltern (HS,LS) mit jeweiliger Inversdiode (HSD,LSD), und eine Gatetreiberschaltung (2), die eingerichtet ist zum Ansteuern der Halbleiterschalter (HS,LS), wobei die Gatetreiberschaltung (2) ferner dazu eingerichtet ist, eine Ansteuerspannung (11) jeweils eines der Halbleiterschalter (HS,LS) unter Berücksichtigung von einem Schaltzeitpunkt, zu dem der jeweils andere Halbleiterschalter (HS,LS) mittels einer Durchlassspannung (13) auf Durchlass geschaltet wird, von einer Sperrspannung (12) auf mindestens eine Zwischenspannung (14) zu ändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatetreiberschaltung weiter dazu eingerichtet ist, das Ändern der Sperrspannung (12) auf die mindestens eine Zwischenspannung (14) und/oder auf die Abfolge von Zwischenspannungen (14) unter Berücksichtigung von einer Sperrschichttemperatur (T-HS,T-LS) des einen Halbleiterschalters (HS,LS) und/oder einer Zwischenkreisspannung (U) und/oder eines Phasenstroms (I) der Halbbrücke (3) durchzuführen.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) mindestens drei Halbbrücken (3) aufweist, wobei die Gatetreiberschaltung (2) die mindestens drei Halbbrücken (3) gemäß einem vorgegebenen Pulsmuster derartig ansteuert, dass ein mehrphasiger Pulswechselrichter (51) ausgebildet wird.
Fahrzeug (50), umfassend mindestens eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8.