HALBBRÜCKEN

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der halbleiterbasierten Leistungsmo- dule. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät zur Bestim mung einer Totzeit für leistungselektronische Schalter, etwa einen Umrichter für ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Leistungselektronische Schalter bzw. Schaltungen werden heutzutage für eine Viel zahl von Anwendungen eingesetzt. Insbesondere in der fortschreitenden Elektromo- bilität spielt die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle. Mit der zunehmenden Zahl der im Fahrzeug integrierten Funktionen nimmt auch die Anzahl und Komplexität der dort verbauten Leistungselektronik zu.

Bei vielen leistungselektronischen Schaltungen wie Netzteilen und Umrichtern wer den Brückenschaltungen verwendet, die typischerweise aus einem oberen (Highside- ) Schalter und einem unteren (Lowside-) Schalter besteht. Der Highside-Schalter (HS-Schalter) kann einen Transistor, etwa einen Feldeffekttransistor (FET) umfas sen, der eine Last an eine Versorgungsspannung schaltet. Der Lowside-Schalter (LS-Schalter) kann ebenfalls einen Transistor, etwas einen FET, umfassen, der eine Last gegen die Masse (bzw. Erde) schaltet.

Eine solche Brückenschaltung ist beispielsweise aus EP1230734B1 bekannt.

Die beiden Schalter sollen im Betrieb invertiert zueinander angesteuert werden. Beim Ein- und Ausschalten kommt es sowohl in einem HS- als auch in einem LS-Schalter zu einer Zeitverzögerung. Diese ist darauf zurückzuführen, dass nach Anlegen einer Gate-Source-Spannung (VGS) die Drain-Source-Spannung (VDS) mit einer Verzöge rung auf Letztere reagiert. Jedoch weisen die beiden Schalter unterschiedlich lange Verzögerungszeiten aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung auf die Gate-Source-Spannung, sowie unterschiedlich lange Anstiegs- und Abfallzeiten beim Ein- und Ausschalten auf. Die Anstiegs- bzw. Abfall zeiten beziehen sich auf die Zeitdauer, die die Drain-Source-Spannung benötigt, um den Endwert zu erreichen. Dies führt dazu, dass die beiden Schalter unterschiedlich schnell ein- und ausschalten. Folglich können die HS- und LS-Schalter nicht ohne Weiteres invertiert zueinander angesteuert werden. Andernfalls würde es zu einer Überlappungsphase führen, während derer beide Schalter gleichzeitig leitend sind, was wiederum einen hohen Querstrom zur Folge hätte, der von einem der beiden Schalter zum anderen Schalter fließt und einem den gesamten Leistungsschalter zer störenden Kurzschluss gleicht.

Hinzu kommt, dass bei moderneren Leistungsschaltern, die beispielsweise einen Me- tal-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET) oder einen Galiumnitrid (GaN)-basierten Hoch elektronenmobilitätstransistor (GaN-HEMT) umfassen, die Verzögerungszeit beim Ausschalten üblicherweise wesentlich länger als beim Einschalten ist.

Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen vorgeschlagen, die das obige Problem zu beheben versuchen. Beispielsweise wird eine sogenannte "Totzeit" (bzw. Verrieglungszeit) eingeführt, die als jene Zeitspanne definiert ist, in der weder der HS-Schalter noch der LS-Schalter geschlossen ist. Dadurch wird das Kurzschlie ßen der Versorgungsspannung und somit eine Querleitung verhindert.

Jedoch sind die aus dem Stand der Technik bekannten leistungselektronischen Schaltungen mit einem hohen Leitverlust behaftet. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass die Totzeit nicht angemessen, in vielen Fällen zu groß, gewählt ist. Leistungs hableiter, die eine Rückwärtsleitung ermöglichen, weisen im ausgeschalteten Zu stand eine deutlich erhöhte Flussspannung auf. Hierdurch führt eine große Totzeit zu einer Erhöhung der Leitverluste in der Rückwärtsleitung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Totzeit bei leistungselektroni schen Schaltungen zu optimieren, sodass die Leitverluste in der Rückwärtsleitung re duziert werden. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät, ein Steuerverfahren, ein Optimie rungsverfahren, ein Computer-Programm-Produkt, ein computerlesbares

Speichermedium sowie ein Datenträgersignal gemäß den unabhängigen Patentan sprüchen gelöst.

Das Fahrzeugleistungsmodul umfasst zumindest einen in Rückwärtsrichtung schalt bare Leistungshalbleiter. In Betracht kommen beispielsweise Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors) wie Galliumnitrid (GaN) oder Si- liziumcarbid (SiC). Das Fahrzeugleistungsmodul kann einen oder mehrere Metal- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), einen oder mehrere Hochelektro nenmobilitätstransistoren (HEMTs) umfassen.

Die Brückenschaltung kann eine Halbbrücke umfassend einen HS-Schalter und ei nen LS-Schalter sein. Alternativ kann es bei der Brückenschaltung um eine so ge nannte Multilevel-Halbbrücke handeln. Die Eingangsschnittstelle kann beispielsweise als Analog-Digital-Wandler oder als Schnittstelle einer Datenleitung (z.B. Serial Peri- pheral Interface, SPI) ausgebildet sein.

Der Ausgangsstrom kann von einem Stromwandler, einem Amperemeter oder einer Datenleitung erhalten werden. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise einen Mikrocontroller oder eine Feld-programmierbare Gatter-Anordnung (Engl.: FPGA), o- der ist Teil des Mikrocontrollers, der den Ausgangsstrom ausliest und in Abhängigkeit hiervon die adaptive Totzeit bestimmt. Hierunter können drei Bestimmungsvarianten verstanden werden: gemäß einer ersten Bestimmungsvariante misst die Auswer teeinheit mittels eines in Letzterer integrierten oder mit Letzterem verbundenen Mes sungsmoduls die Kommutierungszeit sowie den Minimalwert der Totzeit der Brücken schaltung. Anschließend verwendet die Auswerteeinheit die Kommutierungszeit und den Minimalwert, um die adaptive Totzeit durch Kombinieren dieser beiden Messgrö ßen zu bestimmen. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zusam menhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert darauf, dass diese bei den Messgrößen vor deren Kombinieren durch die Auswerteeinheit selbst bestimmt wurden. Gemäß einer zweiten Bestimmungsvariante verwendet die Auswerteeinheit eine Kommutierungszeit und einen Minimalwert, wobei diese beiden Messgrößen mittels Charakterisierung der oder einer anderen Brückenschaltung (z.B. an einem Prototyp) erhalten sind. Anschließend verwendet die Auswerteeinheit die Kommutierungszeit und den Minimalwert, um die adaptive Totzeit durch Kombinieren dieser beiden Messgrößen zu bestimmen. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zusammenhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert analog zur ersten Bestimmungsvariante darauf, dass diese beiden Messgrößen vor deren Kombinieren mittels der Charakterisierung (am Prototyp) bestimmt wurden.

Gemäß einer dritten Bestimmungsvariante verwendet die Auswerteeinheit eine Kom mutierungszeit und einen Minimalwert, wobei diese beiden Messgrößen mittels Cha rakterisierung der oder einer anderen Brückenschaltung (z.B. am Prototyp) gewon nen und kombiniert sind. In diesem Fall bezieht sich das Wort "vorbestimmt" im Zu sammenhang mit der Kommutierungszeit und dem Minimalwert darauf, dass diese beiden Messgrößen vor dem Zeitpunkt bestimmt und kombiniert wurden, zu dem sie der Auswerteeinheit zwecks Bestimmung der adaptiven Totzeit eingespeist werden. Beispielsweise kann das Steuergerät ein Speichermedium zum Speichern der/des vorbestimmten und kombinierten Kommutierungszeit/Minimalwertes der Totzeit in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp) aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kommutierungszeit als eine Zeit dauer definiert, innerhalb derer eine Drain-Source-Spannung (VDS) der Brückenschal tung von einem Anfangswert auf 30%, 25%, 20%, 15%, 1 0%, 5% oder 0% des An fangswerts abfällt.

Basierend auf der adaptiven Totzeit wird ein Steuersignal mittels der Signaleinheit er zeugt, wobei das Steuersignal dazu dient, die adaptive Totzeit der Brückenschaltung einzuprägen. Das Steuersignal kann beispielsweise ein erstes Pulsdauermodulati onssignal (z.B. PWM-Signal) für einen oberen Schalter (HS-Schalter) der Brücken schaltung und ein zweites Pulsdauermodulationssignal (z.B. PWM-Signal) für einen unteren Schalter (LS-Schalter) der Brückenschaltung umfassen. Die Signaleinheit kann Teil eines Mikrocontrollers sein.

Das erfindungsgemäße Steuergerät und Steuerverfahren sind aufgrund der adapti ven Totzeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen vorteil haft. Durch die Begrenzung der adaptiven Totzeit auf den vorbestimmten Minimal wert kann die eingangs erwähnte Querleitung vermieden bzw. reduziert werden. Dies verhindert einen Kurzschlussstrom und damit einhergehend eine Zerstörung der Leistungshalbleiter aufgrund deren Überhitzung. Unter einer Begrenzung der Totzeit auf den Minimalwert wird verstanden, dass die Totzeit größer als der Minimalwert o- der diesem gleich ist.

Außerdem wird dadurch, dass die Totzeit an die vorbestimmte Kommutierungszeit gekoppelt ist, das so genannte "Double Switching" vermieden. Bei Leistungshalblei tern steigen die Kommutierungszeiten mit sinkendem Laststrom stark an, weil der am Stromausgang als Kondensator fungierende Schalter mit einer Ausgangskapazität vergleichsweise langsam umgeladen wird. Wenn die Totzeit kürzer als die Kommu tierungszeit ist, ist der Ausgangskondensator des jeweiligen Leistungsschalters zum Zeitpunkt des Einschaltens noch nicht vollständig entladen. Hierbei kommt es zum Double Switching bzw. zu einer hart-schaltenden Transiente, bei der die am Schalter anliegende Spannung und der am Schalter anliegende Strom zeitgleich ungleich Null sind. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten, die verhindert werden können, wenn die Totzeit größer als oder gleich der Kommutierungszeit gewählt wird. Unter einer Kopp lung der Totzeit an die Kommutierungszeit der Brückenschaltung wird verstanden, dass die Totzeit der Kommutierungszeit gleichgesetzt oder über eine festgelegte rechnerische Beziehung (z.B. mit einer festen Differenz und/oder einem festen Multi plikationsfaktor) mit der Kommutierungszeit in Relation gesetzt wird.

Ferner wird hierdurch eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verbesserte Ansteuerung der Brückenschaltung realisiert, bei der die Brü ckenschaltung nicht zwangsläufig im Betrieb auf ihr Schaltverhalten untersucht und beim Auftreten eines Fehlverhaltens (z.B. Leitverlust bzw. Double Switching) korri giert zu werden braucht. Im Gegensatz hierzu können (z.B. mittels Charakterisierung eines Prototyps) vorbestimmte Kommutierungszeiten und Minimalwerte der Totzeit als bestehende Daten verwendet werden, um die Totzeit, die der Brückenschaltung in Form eines Steuersignals einzuprägen ist, in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu bestimmen. Dies ermöglicht die einfache Ansteuerung der Brückenschaltung mittels der optimierten, adaptiven Totzeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform hängt der vorbestimmte Minimalwert von ei ner Einschaltverzögerungszeit der Brückenschaltung beim Einschalten, einer Ein- schaltansteuerverzögerungszeit einer Gate-Ansteuerung der Brückenschaltung beim Einschalten, einer Ausschaltverzögerungszeit der Brückenschaltung beim Ausschal ten, und/oder einer Ausschaltansteuerverzögerungszeit einer Gate-Ansteuerung der Brückenschaltung beim Ausschalten ab.

Durch die Begrenzung der Totzeit auf diesen Minimalwert kann die Querleitung wirk sam vermieden werden. Insbesondere können zusätzlich zu den Verzögerungszeiten betreffend die Reaktion der Drain-Source-Spannung auf die Gate-Spannung auch Verzögerungszeiten der Gate-Ansteuerung selbst beim Ein- bzw. Ausschalten be rücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der so-bestimmte Minimalwert der Totzeit um einen Reservewert erhöht werden, um die Querleitung unter möglichst allen Betriebsbedingungen (z.B. thermische Einflüsse, die das Schaltverhalten der Leistungshalbleiter stark verändern können) zu verhindern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, um die adaptive Totzeit dem Minimalwert für einen ersten Bereich des Ausgangs stroms oberhalb eines vordefinierten Schwellenwerts und/oder der vorbestimmten Kommutierungszeit für einen zweiten Bereich des Ausgangsstroms unterhalb des Schwellenwerts gleichzusetzen.

Der Schwellenwert kann anhand der vorbestimmten Kommutierungszeit und/oder des vorbestimmten Minimalwertes der Totzeit festgelegt werden. Beispielsweise ist der Schwellenwert der Stromwert im Schnittpunkt zwischen dem Verlauf der Kommu tierungszeit in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom (Laststrom) der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp) und der Geraden des konstanten Minimalwertes der Totzeit in einem Diagramm, in dem die Zeit (Kommutierungszeit bzw. Totzeit) gegen den Laststrom aufgetragen ist. Dies ist bei Leistungshalbleitern, deren Kommutie rungszeit mit steigendem Laststrom abfällt, besonders vorteilhaft.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die vorbestimmte Kommutierungszeit und/oder den vorbestimmten Minimalwert aus ei ner Tabelle oder einem Variablenfeld in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom zu selek tieren.

Die Tabelle (etwa eine Look-up-Tabelle) bzw. das Variablenfeld (z.B. ein Array) sind vorzugsweise mittels der oben erwähnten Charakterisierung der Brückenschaltung bzw. des Prototyps gewonnen. In einer ersten Spalte der Tabelle oder des Variablen felds sind mehrere Werte des Ausgangsstroms der Brückenschaltung hinterlegt. In einer zweiten Spalte der Tabelle oder des Variablenfelds sind Werte der Totzeit hin terlegt, die zu den mehreren Werten des Ausgangsstroms ermittelt und zudem an die vorbestimmte Kommutierungszeit gekoppelt und auf den vorbestimmten Minimalwert begrenzt ist. Somit kann die Auswerteeinheit auf einfache Weise auf mittels einer Prototyp-Charakterisierung im Vorfeld gewonnene Daten der optimierten, adaptiven Totzeit zugreifen, um die Brückenschaltung hierauf basierend anzusteuern.

Anstatt der Tabelle bzw. des Variablenfelds kann die Auswerteeinheit auf eine Nähe rungsformel zugreifen, die beispielsweise basierend auf den oben erwähnten, mittels der Prototyp-Charakterisierung im Vorfeld gewonnenen Daten der optimierten, adap tiven Totzeit erhalten ist. Die Näherungsformel beschreibt somit die mathematische Abhängigkeit der durch das Kombinieren der vorbestimmten Kommutierungszeit und des vorbestimmten Minimalwerts erhaltenen adaptiven Totzeit vom Last- bzw. Aus gangsstrom der charakterisierten Brückenschaltung (Prototyp). Dies ermöglicht eine verbesserte Ansteuerung, da die adaptive Totzeit über einen vergleichsweise erwei terten und kontinuierlichen Bereich anstatt lediglich diskreter Werte des Laststroms der Brückenschaltung festlegbar ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist ausgeführt, in einen Speicher eines Computers geladen zu werden und umfasst Softwarecodeabschnitte, mit de nen die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft.

Ein Programm gehört zur Software eines Daten verarbeitenden Systems, zum Bei spiel einer Auswerteeinrichtung oder einem Computer. Software ist ein Sammelbe griff für Programme und zugehörigen Daten. Das Komplement zu Software ist Hard ware. Hardware bezeichnet die mechanische und elektronische Ausrichtung eines Daten verarbeitenden Systems. Ein Computer ist eine Auswerteeinrichtung.

Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfah ren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogramm produkt den oben beschriebenen erfinderischen technischen Effekt hervor.

Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist Plattform unabhängig. Das heißt, es kann auf jeder beliebigen Rechenplattform ausgeführt werden. Bevorzugt wird das Computerprogrammprodukt auf einer erfindungsgemäßen Auswertevorrich tung zum Erfassen des Umfelds des Fahrzeugs ausgeführt.

Die Softwarecodeabschnitte sind in einer beliebigen Programmiersprache geschrie ben, zum Beispiel in Python, Java, JavaScript, C, C++, C#, Matlab, LabView, Objec- tive C. Alternativ oder zusätzlich kann eine Hardware-Beschreibungssprache (z.B. VHDL) verwendet werden.

Das computerlesbare Speichermedium ist beispielsweise ein elektronisches, magne tisches, optisches oder magneto-optisches Speichermedium.

Das Datenträgersignal ist ein Signal, welches das Computer-Programm-Produkt von einem Speichermedium, auf dem das Computer-Programm-Produkt gespeichert ist, auf eine andere Entität, beispielsweise ein anderes Speichermedium, einen Server, ein Cloud-System, ein drahtloses Kommunikationssystem der 4G/5G oder eine Da ten verarbeitende Einrichtung, überträgt.

Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beige fügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer Aus führungsform;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung, die durch das

Steuergerät angesteuert wird; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Optimierung einer

Totzeit für die Brückenschaltung

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnli che Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile ge kennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 10 gemäß einer Aus führungsform. Das Steuergerät 10 umfasst eine Eingangsschnittstelle 12, eine Aus werteeinheit 14 und eine Signaleinheit 16. Über die Eingangsschnittstelle 12 wird ein Ausgangsstrom, der an einem Ausgang einer Brückenschaltung 30, beispielsweise mittels eines Amperemeters 40 (Fig. 2), gemessen ist, erhalten. Die Auswerteeinheit 14 wertet den Ausgangsstrom aus und bestimmt in Abhängigkeit hiervon eine adap tive Totzeit. Dabei verwendet die Auswerteeinheit 14, wie in Fig. 2 beispielhaft ge zeigt, eine Tabelle 142, in der Daten der adaptiven Totzeit tü in Abhängigkeit vom Laststrom I hinterlegt sind. Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren zur Ermittlung der adaptiven Totzeit, mittels dessen die Daten der Tabelle 142 gewonnen werden: in einem Schritt S1 wird die mi nimale Totzeit (Minimalwert) an einem Brückenschaltungsprototyp gemessen. In ei nem weiteren Schritt S2 wird die Kommutierungszeit tc am gleichen oder einem an deren Brückenschaltungsprototyp in Abhängigkeit vom Laststrom I gemessen. In ei nem weiteren Schritt werden die Messergebnisse der Schritte S1 und S2 kombiniert, um die adaptive Totzeit tü in Abhängigkeit vom Laststrom I zu erhalten. Die adaptive Totzeit kann, wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt, zusammen mit den zugehörigen Last stromwerten in einer Tabelle gespeichert sein. Alternativ oder zusätzlich kann basie rend auf den Wertepaaren, bei denen jedes Wertepaar zum einen die adaptive Tot zeit und zum anderen den zugehörigen Laststrom umfasst, eine Näherungsformel (in Fig. 3 als Kurve im Diagramm dargestellt) ermittelt werden: t _D = al ^~b . Hierbei sind a und b Näherungsparameter.

Die Auswerteeinheit 14 bestimmt anhand der Tabelle 142 die adaptive Totzeit tü. Ba sierend auf dieser erzeugt die Signaleinheit 16 ein Steuersignal, welches der Brü ckenschaltung 30 eingeprägt wird. In Fig. 2 ist zusätzlich die Ansteuerung der Brü ckenschaltung 30 mittels des Steuergeräts 10 aus Fig. 1 schematisch gezeigt. Ein erstes Steuersignal 144 zur Ansteuerung der Gate des HS-Schalters 32 ist schema tisch als rechteckiges PWM-Signal gezeigt. Ein zweites Steuersignal 146 zur Ansteu erung der Gate des LS-Schalters 34 ist ebenfalls schematisch als rechteckiges PWM-Signal gezeigt, wobei die von der Auswerteeinheit 14 bestimmte adaptive Tot zeit tü berücksichtigt ist. Wie in Fig. 2 beispielhaft gezeigt, werden die beiden Ansteu ersignale invertiert zueinander erzeugt, wobei es eine Phase für die Dauer der Tot zeit gibt, während derer keiner der beiden Schalter angesteuert wird. Im zweiten PWM-Signal für den LS-Schalter 34 ist die Signalflanke zeitlich um tü gegenüber der Signalflanke im ersten PWM-Signal für den HS-Schalter verschoben. Zugleich ist im ersten PWM-Signal für den HS-Schalter 32 die Signalflanke ebenfalls um tü gegen über der Signalflanke im zweiten PWM-Signal für den LS-Schalter 34 verschoben. Bezuaszeichen

10 Steuergerät

12 Eingangsschnittstelle

14 Auswerteeinheit

142 Tabelle

144 erstes Steuersignal

146 zweites Steuersignal

16 Signaleinheit

30 Brückenschaltung

32 Highside-Schalter

34 Lowside-Schalter

36 erste Gate-Ansteuerung

38 zweite Gate-Ansteuerung

40 Strommesseinrichtung

S1 -S3 Verfahrensschritte