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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Neben dem normalen Betrieb können auch unter Umständen diverse Fehlerfälle auftreten, die somit außerhalb des normalen Betriebs liegen. Dennoch müssen diese Bereiche soweit beherrscht werden, dass es zu keinem totalen Ausfall bzw. zu einer totalen Zerstörung kommt. Einer dieser möglichen Fehlerfälle stellt der Brückenkurzschluss dar. Während des Auftretens eines Brückenkurzschlusses entsteht ein sehr hoher Kurzschlussstrom, der rechtzeitig erkannt und so schnell wie möglich abgeschaltet werden muss. Dabei entstehen als Herausforderungen, dass der Energiewert im Falle, dass der Brückenkurzschluss nicht rechtzeitig an einem topologischen Schalter erkannt wird, sehr schnell ansteigt, was zur thermischen Zerstörung des topologischen Schalters führen kann. Außerdem soll nach dem Erkennen des Brückenkurzschlusses in einem topologischen Schalter der Brückenkurzschlussstrom so schnell wie möglich wieder abgeschaltet werden, um den topologischen Schalter vor Überhitzung durch den ansteigenden Energiewert zu schützen. Beim schnellen Abschalten wird aber eine sehr hohe Überspannung an dem topologischen Schalter erzeugt. Diese Spannung kann die maximale Spannungsverträglichkeit des Halbleiters überschreiten, was ebenfalls zur Zerstörung des Halbleiters führen kann. Daher ist es sehr schwierig und oft mit Kompromissen verbunden, eine sichere Kurzschlussfestigkeit für ein leistungselektronisches System zu entwickeln und für alle Umstände zu gewährleisten.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ansteuerung von topologischen Schaltern einer Halbbrücke in einem Leistungsmodul eines Inverters bereitzustellen, welches eine verbesserte Kurzschlussfestigkeit bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung von zwei zueinander komplementären topologischen Schaltern einer Halbbrücke in einem Leistungsmodul eines Inverters, wobei in einem ersten Schritt ein Erkennen eines Brückenkurzschlusses an einem der topologischen Schalter erfolgt, und in einem zweiten Schritt zuerst der zu dem topologischen Schalter, an welchem der Brückenkurzschluss erkannt wurde, komplementäre topologische Schalter stromlos geschaltet wird, und in einem dritten, zeitlich nachfolgenden Schritt, der Kurzschlussstrom in dem topologischen Schalter, an welchem der Brückenkurzschluss erkannt wurde, abgeschaltet wird.
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Durch das Ausschalten des komplementären topologischen Schalters kurz vor dem Abschalten des Kurzschlussstroms in dem topologischen Schalter, an dem der Kurzschluss erkannt wurde, wird die Überspannung auf beide topologische Schalter verteilt. Somit werden sowohl die maximale Überspannung im Abschaltmoment als auch die maximale, abzuführende Energie während des Kurzschlusses reduziert.
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In einer Ausführung erfolgt das Erkennen eines Brückenkurzschlusses im ersten Schritt durch Erkennen einer Desaturierung eines Leistungshalbleiters des topologischen Schalters, an welchem der Brückenkurzschluss erkannt wurde.
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In einer Ausführung wird der komplementäre topologische Schalter unmittelbar nach Erkennen des Brückenkurzschlusses stromlos geschaltet.
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In einer Ausführung ist das Verfahren in einem integrierten Baustein des Leistungsmoduls implementiert.
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In einer Ausführung ist einer der topologischen Schalter ein Highside Schalter und der andere ein Lowside Schalter, die jeweils mindestens einen Leistungshalbleiter umfassen.
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Ferner wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die Teil eines Leistungsmoduls eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs ist, und mindestens eine Halbbrücke mit zwei zueinander komplementären topologischen Schaltern aufweist, die durch das beschriebene Verfahren angesteuert werden.
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Ferner wird ein integrierter Baustein bereitgestellt, in welchem das beschriebene Verfahren als Softwareprodukt implementiert ist, wobei der integrierte Baustein Teil eines Leistungsmoduls eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs ist.
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Ferner wird ein Inverter mit einem integrierten Baustein bereitgestellt. Außerdem wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter mit einer beschriebenen Schaltungsanordnung oder einen beschriebenen integrierten Baustein oder einen beschriebenen Inverter aufweist. Ferner wird ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen beschriebenen Elektroantrieb.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt Simulationsergebnisse eines nicht optimierten Verfahrens gemäß dem Stand der Technik und eines optimierten Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Vergleich.
- 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist es ein Ziel der Auslegung von Schaltungen für Leistungshalbleiter eines Inverters im Automobilbereich, eine möglichst hohe und zuverlässige Kurzschlussfestigkeit bereitzustellen.
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Leistungsmodule werden in der Leistungselektronik als zentrales Schaltelement in elektronischen Geräten verwendet. Die topologischen Schalter werden mit Leistungshalbleitern zum Beispiel aus Silizium Si, Siliziumkarbid SiC oder Galliumnitrid GaN realisiert. Verbaut werden z.B. bipolare Transistoren wie IGBTs und unipolare Feldeffekttransistoren wie MOSFETs. Wie bereits oben erwähnt, ist ein möglicher Fehlerfall ein Brückenkurzschluss in einer der Halbbrücken der Leistungselektronik. Normalerweise ist je Phase eine Halbbrücke vorgesehen. Da in der Regel drei Phasen vorgesehen sind, sind auch normalerweise drei Halbbrücken vorgesehen, was dann als B6-Brücke bezeichnet wird. Jede Halbbrücke weist zwei in Serie geschaltete und zueinander komplementäre topologische Schalter auf, die als Highside Schalter bzw. Lowside Schalter bezeichnet werden. Jeder der topologischen Schalter ist aus mindestens einem Leistungshalbleiter gebildet. Zwischen den topologischen Schaltern ist ein Mittelabgriff für die elektrische Last, wie z.B. einen elektrischen Motor, vorgesehen (in den Figuren nicht gezeigt). Die topologischen Schalter werden dazu benötigt, um einen von einer Gleichstromquelle kommenden Gleichstrom in einen für z.B. einen Motor verwendbaren Wechselstrom zu wandeln.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer einzelnen Halbbrücke beschrieben, da sich das Verfahren analog auf eine größere Anzahl an Halbbrücken anwenden lässt.
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Während des Fehlerfalls eines Brückenkurzschlusses sind beide in Serie geschaltete Leistungshalbleiter der topologischen Schalter leitend und schließen somit die Gleichstromquelle (Fahrzeugakkumulator) kurz. Dieser Zustand muss in jeder leistungselektronischen Topologie, in der ein solcher Zustand eintreten kann, beherrscht werden.
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Wie bereits erwähnt, entsteht während des Auftretens eines Brückenkurzschlusses ein sehr hoher Kurzschlussstrom. Dieser kann bis zu dem zehnfachen des üblichen maximalen Laststromes betragen und muss rechtzeitig erkannt und so schnell wie möglich abgeschaltet werden. Dabei entstehen als Herausforderungen, dass im Falle, dass der Brückenkurzschluss nicht rechtzeitig an einem topologischen Schalter erkannt wird, der Energiewert (bestehend aus der anliegenden Spannung mal dem durchfließenden Strom) sehr schnell ansteigt, was zur thermischen Zerstörung des topologischen Schalters führen kann. Außerdem soll nach dem Erkennen des Brückenkurzschlusses in einem topologischen Schalter der Brückenkurzschlussstrom so schnell wie möglich wieder abgeschaltet werden, um den topologischen Schalter vor Überhitzung durch den ansteigenden Energiewert zu schützen. Beim schnellen Abschalten wird aber eine sehr hohe Überspannung an dem topologischen Schalter erzeugt. Diese Spannung kann die maximale Spannungsverträglichkeit des Halbleiters überschreiten, was ebenfalls zur Zerstörung des Halbleiters führen kann. Daher ist es sehr schwierig und oft mit Kompromissen verbunden, eine sichere Kurzschlussfestigkeit für ein leistungselektronisches System zu entwickeln und für (möglichst) alle Umstände zu gewährleisten.
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Um eine verbesserte Kurzschlussfestigkeit bereitzustellen, wird vorgeschlagen, nach einem Erkennen eines Brückenkurzschlusses in einem topologischen Schalter (nachfolgend als kurzgeschlossener topologischer Schalter bezeichnet) in einem ersten Schritt S1 nachfolgenden Ablauf auszuführen.
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In einem zweiten Schritt S2 wird zeitlich vor dem Abschalten des Kurzschlussstroms im kurzgeschlossenen topologischen Schalter der komplementäre, also in Serie gegenüberliegende, topologische Schalter stromlos geschaltet. Dies erfolgt direkt, also unmittelbar, nach Erkennen des Kurzschlusses, d.h. im Moment des Erkennens und möglichst ohne Verzögerung. Somit kann der komplementäre (nicht vom Kurzschluss betroffene) topologische Schalter ebenfalls einen Teil der gesamten, aufgrund des Kurzschlusses auftretenden Überspannung aufnehmen und damit die Spannung am kurzgeschlossenen topologischen Schalter verringern. Optimalerweise wird die Überspannung exakt gleich auf beide topologische Schalter aufgeteilt, wobei es im Wesentlichen ausreicht, wenn der komplementäre topologische Schalter genügend Spannung aufnimmt, damit die aufzunehmende Energie am kurzgeschlossenen topologischen Schalter deutlich reduziert wird und damit kein Schaden mehr aufgrund der Überspannung verursacht wird.
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Nachdem der komplementäre topologische Schalter im zweiten Schritt S2 stromlos geschaltet wurde, wird der kurzgeschlossene topologische Schalter in einem dritten Schritt S3 geöffnet (stromlos geschaltet), d.h. der dort anliegende Kurzschlussstrom wird abgeschaltet. Der Ablauf des Verfahrens ist in 2 abstrahiert dargestellt.
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Durch dieses Ansteuerungsverfahren entsteht der Vorteil, dass die anliegende (Über)Spannung über dem vorher alleine vom Kurzschlussstrom betroffenen topologischen Schalter sich nun auf beide topologischen Schalter aufteilt. Somit wird auch die Energie, welche der kurzgeschlossene topologische Schalter aushalten muss, deutlich verringert. Außerdem wird durch den dann niedrigeren Spannungsabfall an beiden topologischen Schaltern der charakteristische Überspannungspuls zwar von seinem Delta gleich ausfallen, aber von einem deutlich niedrigeren Offset aus starten und somit nicht die maximale Spannungsfestigkeit des topologischen Schalters gefährden.
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Topologische Schalter von Halbbrücken gemäß der Erfindung können alle Typen gängiger Bipolar- und/oder Unipolar-Transistoren sein, also z.B. IGBT, MOSFET, BJT, HEMT, JFET, Thyristor. Das Material der Transistoren kann Silizium Si, Siliziumkarbid SiC oder Galliumnitrid GaN sein. Beides ist für das Ansteuerverfahren nicht wesentlich, da es auf alle Typen und Materialien anwendbar ist.
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Zur Verifizierung des vorgeschlagenen Verfahrens wurde ein Simulationsmodell verwendet, bei dem ein typischer Brückenkurzschluss mit einem aktuellen Standardverfahren und einem gemäß der Erfindung optimierten Verfahren simuliert wurde. Die simulierten Werte sind in 1 in einem Plot übereinandergelegt, wobei die Einheiten Spannung U (Y-Achse) und Zeit t (X-Achse) hier keine Rolle spielen.
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Die Kennlinien U_nor1 und U_nor2 (jeweils gepunktet gezeichnet) stellen ein aktuelles Abschaltverfahren dar, bei dem im Falle, dass ein auftretender Kurzschlussstrom I_KS durch z.B. eine Erkennung einer Desaturierung an einem topologischen Schalter erkannt wird (Schritt S1), der betroffene topologische Schalter (hier der mit der gepunkteten Linie U_nor1) möglichst schnell, d.h. unmittelbar nach Erkennen des Kurschlusses, abgeschaltet wird. Der Spannungsverlauf des komplementären topologischen Schalters ist mit der gepunkteten Linie U_nor2 dargestellt. Die Auswirkung speziell zu der Abschaltüberspannung, welche in dem transparenten Oval 10 in 1 dargestellt ist, kann an dem nicht optimierten Verfahren (gepunktete Linie U_nor1) gut dargestellt werden. Hier ist ein typischer Überschwinger der Spannung U_nor1 des abschaltenden topologischen zu erkennen.
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Ebenfalls in 1 sind die Spannungsverläufe der beiden topologischen Schalter gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren denjenigen des oben beschriebenen Standardverfahrens überlagert dargestellt. Hier wird ein früheres Abschalten, also stromlos Schalten, des komplementären topologischen Schalters vor dem eigentlichen Abschalten der standardmäßigen Kurzschlusserkennung (also Abschalten des kurzgeschlossenen topologischen Schalters), ausgeführt. Die Verläufe der Kennlinien U_opt1, U_opt2 zeigen die gewollte Aufteilung der Spannungsniveaus der beiden in Reihe geschalteten topologischen Schalter. Der Verlauf zeigt, dass, wie oben erwähnt, die Überspannung auf die beiden topologischen Schalter aufgeteilt wird.
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Das heißt, dass sowohl die Gefahr der Überspannung an dem kurzgeschlossenen topologischen Schalter reduziert wird, als auch die anliegende Kurzschlussenergie deutlich minimiert wird, d.h. der Energieeintrag in den kurzgeschlossenen topologischen Schalter deutlich verringert wird.
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Gemäß der Erfindung erfolgt im Moment des Erkennens eines Kurzschlusses an einem der topologischen Schalter ein Öffnen des komplementären topologischen Schalters, wodurch die daran anliegende Spannung angehoben wird und sich damit auf beide topologische Schalter aufteilt. Dadurch wird auch die Energie aufgeteilt, welche der mit dem Kurzschluss behaftete topologische Schalter aushalten muss, so dass dieser somit entlastet wird. Außerdem wird durch den nunmehr niedrigeren Spannungsabfall an beiden topologischen Schaltern der charakteristische Überspannungspuls von seinem Delta gleich ausfallen, aber von einem deutlich niedrigeren Offset starten und somit nicht die maximale Spannungsfestigkeit der topologischen Schalter gefährden.
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Die Spannung an den topologischen Schaltern wird sich physikalisch nach dem Zustand der in Reihe geschalteten Ausgangskapazitäten einstellen und ist abhängig von der Anwendung, z.B. den verwendeten Halbleiter-Typen und -Materialien etc..
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Als praktische Anwendung kann eine Integration dieses Abschaltverfahrens in einem integrierten Baustein erfolgen. Außerdem kann die aktuell standardmäßige Erkennung einer Desaturierung verwendet werden, um einen Kurzschluss zu erkennen.
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Durch das vorgeschlagene Ansteuerverfahren der in einem Inverter verwendeten Schaltungsanordnung mit mindestens einer Halbbrücke lässt sich ein hocheffizienter Inverter, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird, erreichen, bei dem eine verbesserte Kurzschlussfestigkeit realisiert ist. Die Schaltungsanordnung, für die das Verfahren zur Ansteuerung vorgeschlagen wird, kann in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierter Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Oval
- U_nor1, U_nor2
- Spannungsverlauf Standardverfahren
- U_opt1, U_opt2
- Spannungsverlauf neues Verfahren
- I_KS
- Kurzschlussstrom
- U
- Spannung
- t
- Zeit
- S1-S3
- Verfahrenssschritte
