Totzeitregelung mit aktiver Rückkopplung durch Lumineszenz

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer induktiven Last.

Stand der Technik

Induktive Lasten, beispielsweise elektrische Motoren oder Schaltwandler, werden oft mithilfe von Brückenschaltungen angesteuert. Eine Brückenschaltung umfasst gemeinhin einen High-Side- und einem Low-Side-Schalter. Die Induktive Last wird zwischen den beiden Schaltern und einem Bezugspotential angeschlossen. Die Kombination von zwei Halbbrücken ist gemeinhin als Vollbrücke bekannt.

Dabei sind zwei High-Side- und Low-Side-Schalter auf parallelen Pfaden

angeordnet. Zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter sind die beiden Pfade über die induktive Last verbunden.

Sinngemäß sind mehrphasige Ausführungen bekannt. Insbesondere für drei

Phasen ist die Kombination von drei Halbbrücken gemeinhin als B6-Brücke bekannt.

Aufgrund dieser Struktur würde das gleichzeitige Einschalten von High-Side- Schalter und Low-Side-Schalter auf demselben Pfad zu einem Kurzschluss führen. Beeinträchtigungen der Funktionalität oder Zerstörung wäre die Folge

Entsprechend darf auf jedem der Pfade höchstens einer der Schalter

eingeschaltet sein. Bei Umschaltvorgängen, bei denen einer der beiden Schalter auf einem Pfad aus- und der andere Schalter auf demselben Pfad angeschaltet wird, wird das Anschalten des anderen Schalter gegenüber dem Ausschalten des einen Schalter verzögert ausgeführt.

Die Dauer zwischen den Schaltvorgängen wird auch als Totzeit bezeichnet.

Die Totzeit kann eine vorgegebene konstante Dauer haben oder adaptiv mithilfe von Strom- oder Spannungsmessungen geregelt werden.

Als Schalter in Brückenschaltungen können beispielsweise Metalloxidhalbleiter- Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) mit antiparalleler Freilaufdiode eingesetzt werden.

Die betreffenden Schalter- bzw. Freilaufbauteile können Silizium (Si),

Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) basiert ausgeführt sein.

MOSFETs beinhalten funktionsbedingt einen p-n-Übergang, gemeinhin bekannt als Bodydiode, welcher antiparallel zum Kanal angeordnet ist. Diese Body-Diode kann als Freilaufpfad genutzt werden. Ausführungen bei denen der internen Body-Diode eine externe Schottky-Diode parallel geschaltet wird, sind ebenfalls bekannt (zum Zweck der Verlustleistungsreduzierung).

Verfügt der eingesetzte Schalter nicht über einen inhärenten Freilaufpfad (insbesondere relevant für IGBT), wird dieser üblicherweise mithilfe einer antiparallelen (meist externen) Diode realisiert.

Werden p-n-Übergänge in Halbleiter-Bauelementen in Flussrichtung betrieben und von einem Strom durchflössen, so können Photonen emittiert werden (Lumineszenz). Abhängig vom verwendeten Halbleiter und der Beschaffenheit des pn-Übergangs (Dotierkonzentration) wird Licht in verschiedener Intensität und Wellenlänge emittiert. Die Intensität des emittierten Lichts ist abhängig vom Stromfluss durch den p-n-Übergang und der Temperatur des Bauelements. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Ansteuerung einer induktiven Last vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Schalter-Paar in Brückenschaltung (High-Side / Low-Side), das mit der induktiven

Last verbunden ist. Mindestens einer der Schalter umfasst einen Freilaufpfad mit einer optisch aktiven Halbleiterstruktur, welche bei einem Stromfluss in

Flussrichtung des Freilaufpfads Licht mit einer vom Stromfluss abhängigen Helligkeit erzeugt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen

Helligkeitssensor zur Erfassung der Helligkeit des von dem mindestens einen

Schalter erzeugten Lichts. Die Vorrichtung ist ausgebildet, eine Ansteuerung des mindestens einen der Schalter so lange zu verzögern, bis der Helligkeitssensor eine Helligkeit erfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 8 dient zur Ansteuerung einer induktiven Last mittels einer Brückenschaltung mit mindestens einem Schalter-Paar (High-Side / Low-Side). Mindestens einer der Schalter umfasst eine optisch aktive Halbleiterstruktur, über die ein hinsichtlich des Schalters in Sperrrichtung gepolter Freilaufpfad führt und welche Licht mit einer von einem Strom über den Freilaufpfad abhängigen Helligkeit erzeugt.

Das Verfahren umfasst Ansteuern des mindestens einen Schalters. Das

Verfahren umfasst weiterhin Erfassen der Helligkeit des von dem mindestens einen Schalter erzeugten Lichts. Das Verfahren ist ausgebildet, die Ansteuerung so lange zu verzögern, bis die Helligkeit erfasst wurde.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Bestimmung einer zeitlichen Verzögerung der Ansteuerungen inhärent galvanisch getrennt ist, wodurch Signalauswertung auf niedrigem

Spannungsniveau ermöglicht wird. Weiterhin hat die erfindungsgemäße

Vorrichtung ein geringes Bauvolumen und geringe Gestehungskosten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren haben zudem den Vorteil störsicher zu sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, die Ansteuerung auszuführen, sobald die erfasste Helligkeit die vorgegebene Schwelle erreicht und/oder überschreitet. Die zur Vermeidung von Kurzschluss und/oder für Erreichung der geringsten Verlustleistung notwendige Verzögerung wird so eingestellt, dass die Totzeit zwischen den Schaltvorgängen der jeweiligen

Schalter minimal wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, die

Ansteuerung auszuführen, sobald eine bei vorherigen Ansteuerungen bestimmte Verzögerung erreicht ist. Die Vorrichtung ist ausgebildet, die Verzögerung in der

Art und Weise anzupassen, dass die über mehrere Schaltvorgänge hinweg erfasste Helligkeit minimiert wird.

Der Helligkeitssensor kann eine Fotodiode umfassen, sodass auf eine günstige Weise die Helligkeitsmessung ermöglicht wird. Die nachfolgende Ansteuerung kann dann so lange verzögert sein, bis ein von der Fotodiode erzeugter

Fotodiodenstrom eine vorgegebene Stromstärke aufweist und/oder überschreitet.

Mit dem Vorteil einer gesteigerten Lichtausbeute ist in einer weiteren

Ausführungsform vorgesehen, dass jeder der Schalter mit Freilaufpfad zumindest ein Halbleiterbauteil enthält, welches zumindest teilweise transparent ausgeführt ist. Dabei kann die funktionsbedinge Metallisierung (z.B. Drain- oder Source- Elektrode) teilweise geöffnet und/oder die Verkapselung transparent ausgeführt werden, so dass das Licht aus dem Halbleiter und/oder seiner Verkapselung austreten kann.

Vorzugsweise wird die inhärent transparente Kante des Halbleiterbauteils (Chip- Kante) dafür genutzt, wodurch weitere separate Maßnahmen zur Erreichung der Transparenz des Halbleiterbauteils ggf. entfallen können.

Bei den betreffenden Halbleiterbauteilen handelt es sich vorzugsweise um Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) mit antiparalleler Freilaufdiode.

Zur Lichterzeugung wird die Freilaufdiode genutzt. Die Vorrichtung kann weiterhin einen Verstärker zur Verstärkung der erfassten Helligkeit, einen Komparator zum Vergleich der verstärkten Helligkeit mit einem Schwellwert und ein UND-Gatter zur UND- Verknüpfung eines Steuersignals für die nachfolgende Ansteuerung mit einem Ausgangssignal des Komparators umfassen. So wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die nachfolgende

Ansteuerung ausgeführt wird, sobald die erfasste Helligkeit die vorgegebene Schwelle erreicht und/oder überschreitet.

Die Vorrichtung kann weiterhin in der Art und Weise ausgeführt sein, dass Steuersingale für die nachfolgende Ansteuerung mit einer Verzögerung folgen, wobei die Verzögerung über mehrere Schaltvorgänge so verändert wird, beispielsweise nacheilend verändert wird, dass die Helligkeit minimiert wird.

Die Vorrichtung kann ein Lichtleitelement umfassen, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf den Helligkeitssensor leitet. So lässt sich ebenfalls die Lichtausbeute steigern und die Helligkeitsbestimmung verbessern.

Das Lichtleitelement kann so ausgeführt sein, dass das erzeugte Licht von den

Schaltern des Schalter-Paars auf den Helligkeitssensor geleitet wird, der die

Helligkeit für beide Schalter erfasst. Das Lichtleitelement kann auch so ausgeführt sein, dass das von den Schaltern erzeugte Licht auf unterschiedliche

Helligkeitssensoren geleitet wird, so dass unterscheidbar wird, ob beide oder nur einer, und wenn ja, welcher, der Schalter Licht ausstrahlt.

Die Vorrichtung kann eine Leistungssteuerungseinheit oder ein Inverter für ein Elektrofahrzeug sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine beispielhafte Weiterbildung der Erfindung und

Figur 3 eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der

Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Brückenschaltung mit induktiver Last gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur zeigt zwei High-Side / Low-Side Schalter-Paare auf Parallelen, zwischen denen eine induktive Last 200 in Brückenschaltung angeordnet ist, die mittels der Schalter 100 an eine Spannungsquelle 150 anschließbar ist.

Die Schalter 100 umfassen je eine optisch aktiven Halbleiterstruktur, über die ein Freilaufpfad führt, wenn dieser in Sperrrichtung betrieben wird, wobei dann über den Freilaufpfad fließender Strom Lumineszenz mit einer von einem Strom über den Freilaufpfad abhängigen Helligkeit bewirkt. Die Helligkeit wird mittels

Helligkeitssensoren 310 erfasst und eine Ansteuerung zum Einschalten eines Schalter 100 wird so lange verzögert, bis der Helligkeitssensor 310 des jeweiligen Schalter 100 eine Helligkeit erfasst hat, die eine vorgegebene

Schwelle erreicht und/oder überschreitet.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird eine Ansteuerung zum Einschalten eines Schalters so lange verzögert, bis der Helligkeitssensor des jeweilig anderen Schalters des Schalter-Paars eine Helligkeit erfasst hat, die eine vorgegebene Schwelle erreicht und/oder überschreitet.

Die Vorrichtung ist beispielhaft in einer Ausführungsform so weitergebildet, dass Steuersingale für die nachfolgende Ansteuerung mit einer Verzögerung folgen, wobei die Verzögerung über mehrere Schaltvorgänge so nacheilend verändert wird, dass die Helligkeit minimiert wird.

Im dargestellten Beispiel umfassen die Schalter 100 je einen Metalloxidhalbleiter- Feldeffekttransistor (MOSFET), beispielsweise ein Si-MOSFET, ein GaN- MOSFET oder ein SiC-MOSFET, wobei eine Diode oder eine Bodydiode 1 10 des MOSFET zur Lichterzeugung verwendet wird. Andere Schalter können jedoch alternativ verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine

Brückenschaltung, bei der Source-Elektrode und/oder Verkapselung teilweise transparent ist, sodass das erzeugte Licht aus dem Schalter austreten und von einem Helligkeitssensor erfasst werden kann.

In einer beispielhaften Weiterbildung ist ein Lichtleitelement so angeordnet, dass das erzeugte Licht auf eine Fotodiode geleitet wird. Das Lichtleitelement kann so ausgeführt sein, dass das von mehreren oder von allen Schaltern erzeugte Licht auf einen einzigen Helligkeitssensor geleitet wird. Das Lichtleitelement kann auch so ausgeführt sein, dass das von einem jeweiligen der Schalter erzeugte Licht auf einen jeweilig zugehörigen Helligkeitssensor geleitet wird.

Anhand eines Fotodiodenstroms lässt sich bestimmen, ob Strom über den Freilaufpfad fließt.

Ein üblicher Schaltvorgang der induktiven Last mit einer Spannungsquelle ist, dass zuerst der High-Side Schalter des einen Paars und der Low-Side Schalter des anderen Paars eingeschaltet sind und der Low-Side Schalter des einen Paars und der High-Side Schalter des anderen Paars ausgeschaltet sind, wobei dann nach dem Wechsel der Low-Side Schalter des einen Paars und der High- Side Schalter des anderen Paars eingeschaltet sind, während der High-Side Schalter des einen Paars und der Low-Side Schalter des anderen Paars ausgeschaltet sind.

Dieser Wechsel kann nicht ohne eine Verzögerung erfolgen, da es sonst zu einem Kurzschluss und/oder elektromagnetischer Unverträglichkeit kommen kann. Ein Stromfluss bleibt nämlich nach Abschalten eines Schalters aufgrund der induktiven Last zunächst bestehen und kommutiert auf einen Freilaufpfad, welcher jeweils durch den Betriebszustand bedingt ist. Da dieser Freilaufpfad einen p-n-Übergang enthält, welcher durch den kommutierten Stromfluss der induktiven Last in Flussrichtung betrieben wird, kommt es zur Emission von Photonen (Lumineszenz). Die Lumineszenz tritt dabei nur auf, wenn der Strom durch den Freilaufpfad fließt. Dadurch ergibt sich ein aktives Signal, welches zur Regelung oder Steuerung der Totzeit genutzt werden kann.

Wird in einem Wechsel der Schaltzustände der High-Side Schalter

ausgeschaltet, bewirkt die induktive Last einen Strom über den Freilaufpfad des (noch ausgeschalteten) zugehörigen Low-Side Schalters und damit

Lumineszenz. Die Lumineszenz tritt dabei nur dann auf, wenn der besagte High- Side Treiber ausgeschaltet ist.

Und wird nun dieser Low-Side Treiber eingeschaltet und der Low-Side Treiber des jeweilig anderen Paares abgeschaltet, so bewirkt die induktive Last einen Strom über den Freilaufpfad des (noch ausgeschalteten) High-Side Treibers des besagten jeweilig anderen Paars und damit Lumineszenz. Die Lumineszenz tritt dabei nur dann auf, wenn der Low-Side Treiber des jeweilig anderen Paares ausgeschaltet ist.

In anderen Worten: Kommutiert der Stromfluss eines abgeschalteten Schalters auf einen Freilaufpfad (Diode in Flussrichtung), so wird Licht emittiert. Dieses Lumineszenzsignal zeigt an, wann der betreffende Schalter vom passiven in den aktiven Betrieb des 3. Quadranten überführt werden kann.

Die Lumineszenz bildet also den Stromfluss durch den Freilaufpfad eines Transistors qualitativ oder quantitativ ab.

In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Lumineszenz eines noch ausgeschalteten Schalters mit einer Fotodiode, einem CCD Sensor oder einem anderen Helligkeitssensor 310 detektiert und als Indikator dafür verwendet, dass der Stromfluss nach dem Abschalten des betreffenden

Schalters von diesem Schalter auf einen Freilaufpfad kommutiert ist, so dass der betreffende Schalter keinen Strom mehr führt und der andere Schalter des Schalter-Paars gefahrlos eingeschaltet werden kann, ohne einen Kurzschluss zu verursachen. Dies ermöglicht eine besonders sichere adaptive Totzeitregelung.

Beispielsweise wird ein Ansteuersignal zum Einschalten des noch

ausgeschalteten Schalters mit einem Signal des Helligkeitssensors 310 mittels eines UND-Gatters 340 UND-verknüpft. Das Signal des Helligkeitssensors ist dabei vorteilhafter- aber nicht

notwendigerweise zuvor von einem Verstärker 320 verstärkt worden. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit wird in einer beispielhaften Weiterbildung der Erfindung das gegebenenfalls verstärkte Signal des Helligkeitssensors mit einer Schwellhelligkeit in einem Komparator 330 verglichen. Erst wenn die Helligkeit der Lumineszenz die Schwellhelligkeit erreicht oder überschritten hat, wird der noch ausgeschaltete Schalter eingeschaltet. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 gezeigt.

In einer beispielhaften Weiterbildung dieser Ausführungsformen der Erfindung sind zumindest Helligkeitssensor und UND-Gatter auf Chip- beziehungsweise Modul-Ebene integriert und so mit sehr geringem Platzbedarf realisiert. Eine andere Weiterbildung umfasst zudem den Komparator auf Chipbeziehungsweise Modul-Ebene integriert.

Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung.

In Antwort auf Empfang, in Schritt S1 , eines Ansteuersignais zum Ausschalten eines Schalters auf einem Pfad und zum Einschalten des jeweiligen anderen Schalters auf demselben Pfad wird in Schritt S2 der Schalter ausgeschaltet. Anschließend wird in einem Schritt S2 Helligkeit erfasst und überprüft, ob

Lumineszenz festgestellt wurde. Ist dies nicht der Fall, wiederholt sich der Schritt

S2. Wurde hingegen Lumineszenz festgestellt, so geht das Verfahren zu Schritt S4 über, in dem der jeweilig andere Schalter auf demselben Pfad angeschaltet wird. Die Erfindung stellt also in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen eine

Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung, mit dem die Totzeit adaptiv auf ein Minimum geregelt oder eingestellt werden kann. Dabei wird die Lumineszenz des eingesetzten Halbleiters genutzt, welcher als aktives Feedback zur Regelung oder Steuerung der Totzeit genutzt wird. Dadurch kann unabhängig von

Störungen oder äußeren Einflüssen während des Betriebs gleichzeitiges

Schalten von High- und Low-Side sicher vermieden werden. Zudem kann das Verfahren galvanisch getrennt vom Leistungshalbleiter eingesetzt werden, wodurch Hochspannungsanwendungen begünstigt werden.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer induktiven Last ein High-Side / Low-Side Schalter-Paar, wobei auf einem zu dem Low-Side Schalter parallelen Pfad die induktive Last und ein Kondensator angeordnet sind. Zumindest der Low-Side Schalter umfasst eine optisch aktive Halbleiterstruktur, über die ein Freilaufpfad führt, wenn dieser in Sperrrichtung betrieben wird, wobei dann über den Freilaufpfad fließender Strom Lumineszenz mit einer von einem Strom über den Freilaufpfad abhängigen Helligkeit bewirkt. Die Helligkeit wird mittels eines Helligkeitssensors erfasst und eine Ansteuerung zum Einschalten des Low-Side Schalters wird so lange verzögert, bis der Helligkeitssensor des Low-Side Schalters eine Helligkeit erfasst hat, die eine vorgegebene Schwelle erreicht und/oder überschreitet.

Zusätzlich oder alternativ umfass der High-Side umfasst eine optisch aktive Halbleiterstruktur, über die ein Freilaufpfad führt, wenn dieser in Sperrrichtung betrieben wird, wobei dann über den Freilaufpfad fließender Strom Lumineszenz mit einer von einem Strom über den Freilaufpfad abhängigen Helligkeit bewirkt. Die Helligkeit wird mittels eines Helligkeitssensors erfasst und eine Ansteuerung zum Einschalten des High-Side Schalters wird so lange verzögert, bis der Helligkeitssensor des High-Side Schalters eine Helligkeit erfasst hat, die eine vorgegebene Schwelle erreicht und/oder überschreitet.