11.10.2023 02585-23 He/FeN Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 91054 Erlangen ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Verfahren zur Ermittlung des Stroms beim Nullspannungsschalten ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Stroms beim Nullspannungsschalten mit den Schritten: - Nullspannungsschalten einer elektrischen Komponente durch einen Nullspan- nungsschaltvorgang, wobei die elektrische Komponente mindestens ein erstes und ein zweites Schaltbauelement aufweist, wobei der Nullspannungsschaltvor- gang durch Schalten des ersten und/oder des zweiten Schaltbauelements erfolgt; - Umladen einer Ladung beim Nullspannungsschaltvorgang; - Ermitteln des Betrags der umgeladenen Ladung; - Ermitteln der Kommutierungsdauer; - Ermitteln des Stromes beim Nullspannungsschalten. Zur Reduzierung von Schaltverlusten bzw. zur Erhöhung der Effizienz von Leistungs- elektroniken wird nach dem Stand der Technik das Nullspannungsschalten bzw. Zero Voltage Switching (ZVS) für Schaltvorgänge verwendet. Dabei wird beispielsweise eine Sperrschichtkapazität von Schaltbauelementen wäh- rend der Schaltvorgänge durch einen in der geeigneten Richtung fließenden Last- strom umgeladen. Dadurch wird ermöglicht, dass die Kanäle der Schaltbauelemente bei einer quasi null transienten Spannung ein oder ausgeschalten werden können. Dadurch kann der entstehende Schaltverlust sehr gering halten. In den konkreten Topologien soll der Laststrom bzw. Spulenstrom anhand der Maß- nahme beobachtet werden, damit der im gesteuerten Betrieb erzeugte Laststrom diese Schaltart kontinuierlich in Schaltbauelementen realisieren kann. Ein typisches Beispiel ist ein Buck/Boost-Wandler. Darin wird diese Schaltart durch einen vorzeichenwechselnden Spulenstrom in Schaltbauelementen realisiert. Dieses entsprechende Steuerverfahren wird als Triangular Current Mode (TCM) bezeichnet, wie dies aus „J. B. a. J. W. K. C. Marxgut, „Interleaved Triangular Current Mode (TCM) resonant transition, single phase PFC rectifier with high efficiency and high power density,“ in The 2010 International Power Electronics Conference - ECCE ASIA -, 2010“ bekannt ist. Als technische Erweiterung kann der Laststrom bzw. Spulenstrom in anderen Topo- logien, z.B. in verschiedenen Umrichtern, isolierenden oder nicht isolierenden DC/DC-Wandlern noch in anderen Formen erweitert werden, wodurch ebenfalls das Nullspannungsschalten in Schaltbauelementen realisiert werden kann. Insbesondere die Steuerung von Schaltvorgängen in Umrichtern ist wegen der peri- odisch variierten Ausgangsgrößen herausfordernd. Deshalb ist es notwendig, dass die Steuerung den Spulenstrom in Echtzeit misst, um die erforderliche Schaltdauer jedes Schaltbauelements zu bestimmen. Es ist auch denkbar, dass die Steuerung die erforderliche Schaltdauer durch einen Algorithmus planmäßig abschätzt und der geplante Spulenstromverlauf und Betriebszustand regemäßig durch eine Strommes- sung zum realen Betriebszustand aktualisiert wird. In Stand der Technik wird diese Strommessung oft durch einen Shunt-Widerstand, einen Hall-Stromsensor oder durch eine sensitive Stromnulldurchgangserkennung realisiert, wie dies aus „J. B. a. J. W. K. C. Marxgut, „Interleaved Triangular Current Mode (TCM) resonant transition, single phase PFC rectifier with high efficiency and high power density,“ in The 2010 International Power Electronics Conference - ECCE ASIA -, 2010“ oder „D. H. J. M. a. J. W. K. J. Biela, „Optimal design of a 5kW/dm3 / 98.3% efficient TCM resonant transition single-phase PFC rectifier,“ in The 2010 In- ternational Power Electronics Conference - ECCE ASIA -, 2010“ bekannt ist. Da das Messsignal in diesen Fällen direkt aus dem Strom umgesetzt wird, erzeugt ein solches Messverfahren einen Energieverlust. Bei höherer Schaltfrequenz bzw. Stromfrequenz sind die Messung oder die Detektion wegen der geringeren verfüg- baren Bandbreite des Sensors besonders bei Hall-Sensoren nur unter Schwierigkei- ten umzusetzen. Auf Grund elektromagnetischer Störungen aus der schnell takten- den Leistungsschaltung ist eine derartige sensitive Strommessung oder eine derar- tige Stromnulldurchgangserkennung auch störanfällig. Das aus der US 2017/0040894 A1 bekannte Verfahren zur Strommessung ist beson- ders störanfällig, weil der Kondensator in der Messschaltung wegen der Stromvertei- lung zur Sperrschichtkapazität angepasst werden muss. Diese Sperrschichtkapazität ist in realen Schaltbauelementen sehr gering und liegt meistens in der Größenord- nung von nF. Zusätzlich wird die Information für die Stromgröße in der Messchaltung aufwändig in eine analoge Spannung gewandelt und abgetastet. Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Stroms beim Nullspannungsschalten bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen An- spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Strom aus dem Betrag der um- geladenen Ladung und der Kommutierungsdauer ermittelt wird. Unter Ermittlung des Stroms kann vorzugsweise eine Messung, Erfassung oder Be- rechnung des Stroms verstanden werden. Die Kommutierungsdauer ist die Dauer des Umladens der Ladung während des Nullspannungsschaltvorgangs und ebenso die Dauer des Nullspannungsschaltvor- gangs. Die Kommutierungsdauer kann auch gemessen, berechnet oder erfasst wer- den. Die Ladung wird vorzugsweise von einem Schaltbauelement zum anderen umgela- den. Das Umladen der Ladung kann von dem ersten auf das zweite oder von dem zweiten auf das erste Schaltbauelement erfolgen oder auch auf ein anderes Element. Die Schaltbauelemente können vorzugsweise ein- und ausgeschaltet werden. Ein Schalten eines Schaltbauelements ändert vorzugsweise den Zustand des Schaltbau- elements von „eine elektrische Verbindung herstellend“ zu „eine elektrische Verbin- dung trennend“ und umgekehrt. Elektrisch bildet im Sinne dieser Erfindung den Oberbegriff für elektrisch und/oder elektronisch. Das Verfahren ist vorzugsweise für Strommessung in der Leistungselektronik vorge- sehen. In diesem technischen Bereich wird das Nullspannungsschalten zur Reduzie- rung der Schaltverluste oft verwendet. Dabei wird die Sperrschichtkapazität der Schaltbauelemente vor ihrem Einschalten durch den Laststrom bzw. den Spulen- strom entladen, damit die Schaltbauelemente ohne Spannung eingeschaltet werden können. Um diese Schaltbedingung während des Betriebs zu gewährleisten, ist es vorzugs- weise notwendig den Laststrom zu messen oder zu detektieren. Das Verfahren kann vorzugsweise für die Strommessung in viele Topologien z.B. für isolierende und nicht isolierende DC / DC Wandler, Wechselrichter, Umrichter, Active Front End (AFE) usw., die das Nullspannungsschalten verwenden können, eingesetzt werden. Beson- ders vorteilhaft kann das Verfahren für das Modulationsverfahren „Triangular Current Mode“ (TCM) für den nicht isolierenden DC / DC Wandler oder den Umrichter einge- setzt werden. Das Verfahren dient vorzugsweise zur Strommessung beim Schaltvorgang von Nullspannungsschalten ohne speziellen Stromsensor. In dem Verfahren werden vor- zugsweise die Schaltbauelemente, die ihre Sperrschichtkapazität während des Nullspannungsschaltvorgangs (bzw. ZVS-Schaltvorgang) durch den Laststrom um- laden, als Stromsensor verwendet. Vorzugsweise kann der Mittelwert des Laststroms während des Nullspannungsschaltvorgangs mit der bekannten Sperrschichtladung der Schaltbauelemente bei einer gewissen Betriebsspannung durch die gemessene Kommutierungsdauer bestimmt werden. Vorzugsweise kann ein Steuerwerk zwischen dem letzten und nächsten Schaltzu- stand der Topologie mit der Betriebsspannung und der Eigenschaft der ausgelegten Schaltbauelemente, die Ladung ^^^^ _ZVS , die während des Nullspannungsschaltvor- gangs vom Laststrom umgeladen wird, ermitteln. Vorzugsweise weist der Gate-Treiber eine Schaltung für die Nullspannungserken- nung bzw. Zero Voltage Detection (ZVD) auf, um das Nullspannungsschalten (ZVS) zu gewährleisten. Vorzugsweise überwacht die Schaltung die Spannung über das entsprechende Schaltbauelement und verriegelt die Gate-Ansteuerung für das Nullspannungsschalten. Vorzugsweise sperrt die ZVD-Schaltung das Steuersignal vom Steuerwerk zur Ansteuerung für das Einschalten während des Ladevorgangs des Nullspannungsschaltens, solange die Spannung über dieses Schaltbauelement oberhalb eines eingestellten Schwellenwerts ist. Wenn diese Spannung unterhalb des eingestellten Schwellenwerts abfällt, wird das Steuersignal vorzugsweise ent- sperrt. Vorzugsweise kann das Steuersignal das Schaltbauelement jetzt ansteuern und vorzugsweise sendet der Gate-Treiber gleichzeitig das Signal der Nullspan- nungserkennung zum Steuerwerk. Der eingestellte Schwellenwert der Nullspannungserkennung ist vorzugsweise klein. Vorzugsweis ist der Schwellenwert so klein, dass er im Vergleich mit der Betriebs- spannung des Schaltbauelements äquivalent als gleich null erkannt werden kann. Vorzugsweise kann die Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS vom Steuerwerk mit dem Zeit- punkt von der Signalflanke des Nullspannungserkennungssignals (ZVD-Signal) für das Schaltbauelement, das vom letzten Schaltzustand zum nächsten Schaltzustand ausgeschaltet wird, als Anfang erfasst werden. Das Ende der Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS kann vorzugsweise anhand der Signalflanke des ZVD-Signals für das Schalt- bauelement, das in nächsten Schaltzustand eingeschaltet werden soll, erfasst wer- den. Vorzugsweise ändert sich der Zustand des Spannungserkennungssignals (ZVD- Signal) fast gleich nach dem Ausschalten des Schaltbauelementes. Dazwischen ist die Verzögerung sehr gering und konstant. Deshalb kann das Gate-Signal für das Ausschalten eines Schaltbauelementes praktisch auch als der Anfangszeitpunkt zur Erfassung der Kommutierungsdauer, anstatt des ZVD-Signals dieses Schaltbauele- mentes verwendet werden. Vorzugsweise kann nach dem Nullspannungsschaltvorgang der Betrag des Mittel- werts des Laststroms während des Nullspannungsschaltvorgangs ^| ^^^^ _Z̅VS ^| mit der ge- messenen Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS wie folgt berechnet werden: Vorzugsweise ist also vorgesehen, dass der Strom aus dem Quotienten des Betrags der Ladung und der Kommutierungsdauer ermittelt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass kein spezieller, separa- ter Stromsensor zur Strommessung verwendet wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Betrag der umgeladenen Ladung aus einer Betriebsspannung der elektrischen Komponente und aus der oder den Kapazitäten, vorzugsweise Sperrschichtkapazitäten des oder der Schaltbauelemente und/oder ei- nes oder mehrerer Kondensatoren ermittelt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kommutierungs- dauer, durch die Dauer zwischen dem Schalten des ersten Schaltbauelements und dem Schalten des zweiten Schaltbauelements ermittelt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Mittelwert des Stroms während des Nullspannungsschaltvorgangs ermittelt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Kompo- nente ein Steuerwerk, vorzugsweise einen Mikrocontroller umfasst, wobei das Steu- erwerk die Schaltbauelemente schaltet und den Betrag der umgeladenen Ladung beim Schalten des oder der Schaltbauelemente, die Kommutierungsdauer und/oder den Strom beim Nullspannungsschalten ermittelt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Nullspannungsschalten Teil eines Modulati- onsverfahren, insbesondere Teil eines Triangular Current Mode-Verfahrens, ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das oder die Schaltbau- elemente Halbleiter, vorzugsweise Transistoren sind oder umfassen und/oder von einem Gate-Treiber angesteuert werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass vor dem Nullspannungsschalten einer elektri- schen Komponente eine Nullspannungserkennung erfolgt, wobei der Nullspan- nungsschaltvorgang nur erfolgt, wenn die Spannungen über das erste und/oder das zweite Schaltbauelement unter einem definierten Schwellenwert liegen. Der definierte Schwellenwert ist im Verhältnis zur Betriebsspannung des Schaltbau- elementes technisch gesehen gering, vorzugsweise liegt der definierte Schwellen- wert unter 10 V, insbesondere unter 5 V oder 1 V. Vorzugsweise gewährleistet die Nullspannungserkennung das Nullspannungsschal- ten, wobei anhand des Nullspannungserkennungssignals die Kommutierungsdauer gemessen oder erfasst wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die elektrische Komponente eine Leistungselekt- ronik, ein isolierender oder nicht isolierender DC/DC-Wandler, ein Wechselrichter, ein Umrichter oder ein Active Front End (AFE) ist oder umfasst und/oder eine Halb- brücke umfasst und/oder Bestandteil eines Elektrofahrzeugs, einer Ladeanlage oder einer Anlage zur elektrischen Energieerzeugung, insbesondere einer Solaranlage ist. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Komponente mit mindestens einem ers- ten und einem zweiten Schaltbauelement, wobei die Komponente dazu ausgebildet ist, dass mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Strom beim Nullspannungs- schalten der Komponente ermittelt werden kann. Die hierin beschriebenen Merkmale sind mutatis mutandis vorzugsweise Merkmale des Verfahrens als auch des Erzeugnisses. Die Erfindung weist vorzugsweise folgende Vorteile auf. Die Schaltbauelemente werden vorzugsweise als Stromsensor verwendet. Vorzugs- weise wird der Laststrom beim Nullspannungsschalten durch die Sperrschichtladung der Schaltbauelemente und die Kommutierungsdauer gemessen. In der Schaltung des Strompfads ist vorzugsweise keine zusätzliche Komponente für Strommessung vorhanden, deshalb wird der zusätzliche Energieverlust durch die Strommessung be- seitigt. Die Schaltung weist damit einen geringen Aufwand auf. Durch das Verfahren kann vorzugsweise auch bei hohen Schaltfrequenzen der Strom während des Nullspannungsschaltvorgangs zeitlich genau ermittelt werden, wobei die Schaltbauelemente mit der Frequenz des Nullspannungsschaltens ge- schaltet werden können. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft bei hohen Schalt- frequenzen, da eine Messung mittels eines normalen Stromsensors bei hohen Schaltfrequenzen bei der Messung des Stroms oft Messfehler bzw. eine verzerrte Amplitude und Phasenverzögerung aufweist. Vorzugsweise bestimmt nur die ZVD-Schaltung den Spannungszustand. Im Ver- gleich zu analogem Ablesen ist daher eine Zustandsbestimmung leicht und robust zu realisieren. Die Signalbearbeitung kann durch Mikrokontroller leicht digitalisiert werden. Dadurch ist das Verfahren gegen eine elektromagnetische Störung weniger anfällig. Durch das Verfahren kann vorzugsweise eine höhere Messgenauigkeit bei einem geringeren Laststrom während des Nullspannungsschaltvorgangs gewährleistet wer- den, weil ein schwächerer Laststrom den Nullspannungsschaltvorgang verzögert und eine längere Kommutierungsdauer leicht genauer zu messen ist. Vorzugsweise wird durch das Verfahren automatisch der Mittelwert des Laststroms während des Nullspannungsschaltvorgangs ermittelt. Die Schwingung des Last- stroms wegen der von der Sperrschicht gespeisten Energie wird bei der Ermittlung automatisch berücksichtigt. Nach dem Stand der Technik muss diese Schwingung als eine wichtige Information durch einen komplizierten Algorithmus abgeschätzt werden. Vorzugsweise auf Grund der implantierten Dotierung in den Schaltbauelementen ist die Sperrschichtladung vorzugsweise ein stabiler Parameter. Dadurch wird vorzugs- weise ein geringer Messdrift gewährleistet. Es wird vorzugsweise automatisch ein Nullspannungsschalten in Schaltbauelemen- ten durch die ZVD-Schaltung ermöglicht. Eine präzise Einstellung der Totzeit gegen einen höheren Durchlassverlust im passiven Freilaufpfad, der im Schaltbauelement bei einem deaktivierten Kanal oft als eine Bodydiode dargestellt wird, ist vorzugs- weise nicht erforderlich. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Er- findung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht wer- den. Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug- nahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen: Fig.1: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen elektrischen Systems. Fig.2: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.3: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.4: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.5: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.6: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen elektrischen Systems. Fig.7: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen elektrischen Systems. Fig.8: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen elektrischen Systems. Fig.9: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.10: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.11: ein Diagramm von Werten und Zuständen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig.12: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines Teils ei- nes erfindungsgemäßen elektrischen Systems. Fig.13: einen schematischen Schaltplan für eine Ausführungsform eines Teils ei- nes erfindungsgemäßen elektrischen Systems. Beispielsweise ist es möglich, die Schaltbauelemente während des Nullspannungs- schaltvorgangs über die gesamte Zwischenkreisspannung umzuladen. Als ein Beispiel wird eine Halbbrücke für DC / DC-Wandler auch für den isolierenden Wandler bzw. LLC, DAB usw. oder eine Phase eines Umrichters vorgestellt. Fig.1 zeigt den schematischen Schaltplan für eine solche Ausführungsform. Die Spannung ^^^^ ₁ ist die Zwischenkreisspannung, der Laststrom der Schaltung wird als Spulenstrom ^^^^ _L bezeichnet. Die Schaltung aus Fig. 1 weist ein Steuerwerk 1 und zwei Gate-Treiber 2 für die Schaltbauelemente S ₁ und S ₂ auf. In diesem Beispiel generiert das Steuerwerk 1 die Steuersignale Gate-S1 und Gate- S2 für die Schaltbauelemente S ₁ und S ₂ . Der Gate-Treiber 2 weist eine Schaltung für die Nullspannungserkennung (ZVD), die die Gate-Ansteuerung beim Nullspannungs- schalten sperrt, solange eine der Spannungen ^^^^ _S1 und ^^^^ _S2 über einem Schaltbauele- ment oberhalb eines eingestellten Schwellenwerts ist. Wenn eine oder alle Spannun- gen unterhalb diesen eingestellten Schwellenwert abfällt, wird die Logiksperrung ge- löst. Die Schaltbauelemente werden mit dem jeweiligen Steuersignal Gate-S1 oder Gate-S2 direkt gesteuert. Dadurch gewährleistet die ZVD-Schaltung ein Nullspan- nungsschalten in den Schaltbauelementen S ₁ und S ₂ . Gleichzeitig sendet der Gate- Treiber 2 die Nullspannungserkennungssignale ZVD-S1 und ZVD-S2 zum Steuer- werk 1 für die Strommessung zurück. Für Strommessung kann die Ladung ^^^^ _ZVS , die während des Nullspannungsschalt- vorgangs umgeladen wird, mit der Zwischenkreisspannung ^^^^ ₁ , also der Betriebs- spannung der Schaltbauelemente und der Eigenschaft der ausgelegten Schaltbau- elemente bestimmt werden. Die Kapazitäten in den Schaltbauelementen ^^^^ _S1 und ^^^^ _S2 umfassen die oder bestehen aus der Sperrschichtkapazität und/oder der Kapazität eines zusätzlichen Kondensators, dessen Eigenschaften bei der Auslegung und Di- mensionierung als eine bekannte Information festgelegt ist. Deshalb kann die Ladung ^^^^ _ZVS aus der Betriebsspannung ermittelt werden. In diesem Beispiel ist die Betriebs- spannung der Schaltbauelemente gleich der Zwischenkreisspannung ^^^^ ₁ . Für die La- dung ^^^^ _ZVS gilt daher: In einer Halbbrücke gibt es zwei zulässige Schaltzustände im Betrieb. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt, wobei 0 sperrend und 1 leitend bedeutet. Die Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS zwischen den Schaltzuständen kann mit den Lo- giksignalen gemessen werden, wie dies in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist. Für den Schaltvorgang vom Schaltzustand 2 zum Schaltzustand 1 zeigt Fig.2 bei- spielsweise ein Diagramm für eine Ausführung der Strommessung. Für die Realisie- rung des ZVS ist der transiente Laststrom hier negativ. In dem Diagramm aus Fig.2 sind der Laststrom und die Schaltzustände auf der Or- dinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. In dem Diagramm aus Fig.3 sind die Spannungen und die Schaltzustände auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. Fig.3 zeigt den Spannungsverlauf über den Schaltbauelementen im Schaltvorgang. ^{Die Kapazität ^^^^S1, die über dem Schaltbauelement S1 entsteht, wird im Zeitintervall} _{[ ^^^^0, ^^^^1] durch den negativen Laststrom ^^^^L entladen. Darüber wird die Spannung ^^^^S1} abgebaut. Umgekehrt, wird die Kapazität ^^^^ _S2 , die über dem Schaltbauelement S ₂ ent- steht, aufgeladen und die Spannung ^^^^ _S2 steigt bis zur Zwischenkreisspannung ^^^^ ₁ , also der Betriebsspannung der Schaltbauelemente an. Die Zeitpunkte ^^^^ ₀ und werden wie folgt festgelegt. Die Steuerung ist ähnlich einem Regelkreis aufgebaut, weil das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise nur den Strom beim Nullspannungsschalten (ZVS) bzw. beim Nullspannungsschaltvorgang messen kann. Am Zeitpunkt ^^^^ ₀ wird das Schaltbauelement für den letzten Schaltzu- stand ausgeschaltet. Dieser Zeitpunkt ist durch das Steuerwerk für eine vorherige Schaltperiode anhand des damaligen gemessenen Betriebszustand ausgerechnet und ausgeübt. Es besteht die Voraussetzung, dass sich die Richtung und die Größe des Laststroms ^^^^ _L am Zeitpunkt ^^^^ ₀ für ZVS eignen müssen. Am Zeitpunkt ^^^^ ₀ schaltet das Steuerwerk 1 das Schaltbauelement S ₂ mit dem Steu- ersignal Gate-S2 aus und gleichzeitig ändert sich der Zustand des entsprechenden Nullspannungserkennungssignals. Nun fängt der Nullspannungsschaltvorgang an und das Steuerwerk 1 kann anhand des Nullspannungserkennungssignals ZVD-S2 oder Steuersignals Gate-S2 die Anfangszeit ^^^^ ₀ erfassen. Während des Schaltvor- gangs sind die beiden Schaltbauelemente S ₁ und S ₂ ausgeschaltet, die ZVD- Schaltung sperrt das Steuersignal Gate-S1 zum Einschalten für das Schaltbauele- ment S ₁ . Sobald die Spannung ^^^^ _S1 quasi auf null abgebaut ist, löst die ZVD- Schaltung die Logiksperrung. Jetzt wird das Schaltbauelement S ₁ durch das Steuer- signal Gate-S1 angesteuert. Mit dem entsprechenden aktivierenden Nullspannungs- erkennungssignal ZVD-S1 erfasst das Steuerwerk 1 den Zeitpunkt ^^^^ ₁ als Endzeit des Nullspannungsschaltvorgangs. Die Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS ist im Steuerwerk 1 erfasst und wird wie folgt berech- net: Mit den vorhandenen Informationen kann der Mittelwert des Laststroms während des Nullspannungsschaltvorgangs mit der berücksichtigten Stromrichtung wie folgt be- rechnet werden. − _^^^^ ^{^^^^ZVS} Z _{̅VS = − ^^^^ZVS} Der Nullspannungsschaltvorgang mit transientem Laststrom ^^^^ _L < 0 kann wie folgt zu- sammengefasst werden: Der letzte Schaltzustand: Schaltzustand 2 vor ^^^^ ₀ . Der nächste Schaltzustand: Schaltzustand 1 nach ^^^^ ₁ . Für den Schaltvorgang von Schaltzustand 1 zu Schaltzustand 2 zeigt Fig.4 beispiels- weise eine Ausführung der Strommessung. Für die Realisierung des ZVS ist der tran- siente Laststrom positiv. In dem Diagramm aus Fig.5 sind die Spannungen und die Schaltzustände auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. Fig. 5 zeigt den Spannungsverlauf über die Schaltbauelemente. Während des Schaltvorgangs wird die Kapazität ^^^^ _S2 , die über das Schaltbauelement S ₂ entsteht, durch dem positiven Laststroms ^^^^ _L entladen und die entsprechende Spannung ^^^^ _S2 fällt ab. Umgekehrt wird die Kapazität ^^^^ _S1 , die über das Schaltbauelement S ₁ ent- steht, aufgeladen und die Spannung ^^^^ _S1 steigt bis zur Zwischenkreisspannung ^^^^ ₁ (Betriebsspannung) an. Am Zeitpunkt ^^^^ ₀ schaltet das Steuerwerk 1 das Schaltbauelement S ₁ mit Steuersig- nal Gate-S1 aus. Anhand des Nullspannungserkennungssignals ZVD-S1 oder des Steuersignals Gate-S1 erfasst das Steuerwerk 1 diesen Zeitpunkt ^^^^ ₀ als Anfangszeit des Nullspannungsschaltvorgangs. Während des Nullspannungsschaltvorgangs sind die beiden Schaltbauelemente S ₁ und S ₂ ausgeschaltet, die ZVD-Schaltung sperrt das Steuersignal Gate-S2 zum Einschalten für das Schaltbauelement S ₂ . So- bald die Spannung ^^^^ _S2 quasi null abgebaut ist, löst diese ZVD-Schaltung die Logik- sperrung. Jetzt wird das Schaltbauelement S ₂ durch das Steuersignal Gate-S2 an- gesteuert. Mit dem entsprechenden aktivierenden Nullspannungserkennungssignal ZVD-S2 erfasst das Steuerwerk 1 den Zeitpunkt als Endzeit des Nullspannungs- schaltvorgangs. Die Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS ist im Steuerwerk 1 erfasst und wird wie folgt berech- net: Der Mittelwert des Laststroms während des Nullspannungsschaltvorgangs ist mit der Berücksichtigung des Stromvorzeichens wie folgt zu berechnen: ^ _{^^^ =} ^{^^^^ZVS} Z _{̅VS ^^^^ZVS} Der Nullspannungsschaltvorgang mit transientem Laststrom ^^^^ _L > 0 kann wie folgt zu- sammengefasst werden: Der letzte Schaltzustand: Schaltzustand 1 vor ^^^^ ₀ . Der nächste Schaltzustand: Schaltzustand 2 nach ^^^^ ₁ . In dem erfindungsgemäßen Verfahren beeinflusst diese Totzeit, die in diesem Aus- führungsbeispiel zwischen den Steuersignalen Gate-S1 und Gate-S2 zum Verbinden des Brückenkurzschlusses eingestellt wird, die Strommessung nicht. Die ZVD- Schaltung gewährleistet es, dass die Kapazitäten über den Schaltbauelementen nur anhand des geeigneten Laststroms ^^^^ _L beim Nullspannungsschaltvorgang umgela- den werden. Als eine typische Erweiterungsanwendung der Halbbrücke kann eine H-Brücke über mehrere Steuerzustände verfügen und ermöglicht es die Ein- / Ausgangsspannung flexibel einzustellen. Fig.6 zeigt den Schaltplan einer solchen Halbbrücke. In Fig.6 steuert ein Steuerwerk 1 die Schaltbauelemente S1 bis S4 über jeweilige Gate-Treiber 2 an. Beispielsweise werden die Schaltbauelemente im Nullspannungsschaltvorgang über einen Teil der Zwischenkreisspannung umgeladen. Ein Beispiel betrifft einen drei Level Flying Capacitor Inverter. Fig.7 zeigt einen sche- matischen Schaltplan eines Flying Capacitor Inverters, wobei Schaltelemente aus Fig.6 in der in Fig.7 gezeigten Anordnung angeordnet sind. In dieser Topologie sind die zulässigen Schaltzustände mit der Berücksichtigung der Spannungsverteilung in folgender Tabelle dargestellt, wobei 0 sperrend und 1 leitend bedeutet. Zwischen den verschiedenen Schaltzuständen können die Schaltbauelemente mit der geeigneten Richtung des Laststroms in Nullspannungsschalten umgeschaltet werden und die Kommutierungsdauer ^^^^ _ZVS kann mit den Logiksignalen gemessen werden. Die folgende Tabelle zeigt die Anordnung, wobei eine Und-Logikver- knüpfung darstellt. Die entsprechende Ladung zwischen den verschiedenen Schaltzuständen ist mit Be- rücksichtigung der Topologie wie folgt zu berechnen. ^ ^{^^^FC ^^^^FC} ^^^^ _ZVS1 =� ^^^^ _S2 ( ^^^^) d ^^^^ +� ^^^^ _S3 ( ^^^^) d ^^^^ 0 0 Mit dieser ermittelten Ladung kann der Betrag des Mittelwerts des Laststroms beim Nullspannungsschalten berechnet werden. Weiterhin kann der Mittelwert des Laststroms ^^^^ _L̅ während des Nullspannungsschalt- vorgangs mit der vorgestellten geeigneten Richtung des Laststroms fürs Nullspan- nungsschalten angeordnet werden. Insbesondere, in der Anwendung der isolierenden DC / DC-Wandlern kann ein Transformator als die Last der Leistungsschaltungen angeordnet werden. Durch die Messergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Transformatorstrom während des Betriebs überprüft oder überwacht werden, bspw. ob der Strom durch die Wicklung des Transformators symmetrisch ist, sowie ob der Anteil des Gleich- stroms gering beibehalten wird. Dadurch kann es anhand einer passenden Steue- rung gewährleistet werden, dass das Material des Transformators nicht in die mag- netische Sättigung läuft. Das folgende Beispiel für ein Berechnungsverfahren für den Laststrom beim Nullspannungsschalten in einem Wandler ist grundsätzlich Stand der Technik. Aller- dings wird im Stand der Technik der Strom durch anderes Verfahren bzw. einen Stromsensor gemessen oder erfasst. Fig.8 zeigt eine Schaltung einer Halbbrücke für einen DC/DC-Wandler oder Umrich- ter mit einem Steuerwerk 1 und zwei Schaltbauelementen, die über Gate-Teiber 2 angesteuert werden. In den Diagrammen aus den Fig.9 bis 11 ist der Laststrom auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. Fig.9 zeigt einen Verlauf des Spulenstroms ^^^^ _L bzw. des Laststroms der Halbbrücke in einer Schalterperiode. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Ermittlung bzw. Messung des Stroms bei jedem Nullspannungsschaltvorgang erfolgen. In diesem Beispiel wird der Spulenstrom durch das Verfahren beim Anfang jeder Schaltperiode gemessen. Am Anfang einer Schaltperiode kann die Steuerung mit dem durch das erfindungs- gemäße Verfahren gemessenen Strom − ^^^^ _ZVS als Anfangswert und mit dem Betriebs- zustand, repräsentiert durch ^^^^ ₁ , ^^^^ ₂ , Induktivität ^^^^ und den benötigten Spitzenwert des Spulenstroms ^^^^ _L,S die Einschaltdauern für jedes Schaltbauelement, also für jeden Transistor berechnen. Nach dem Zeitpunkt ^^^^ ₁ (vgl. Fig.2 bis Fig.5) können die Ein- schaltdauern in der neuen Schaltperiode ausgeübt werden. Die Einschaltdauer für das Schaltbauelement S ₁ kann durch folgende Formel berech- net werden: Die Einschaltdauer für das Schaltbauelement S ₂ kann durch folgende Formel berech- net werden: Am Ende der Schaltperiode wird der Spulenstrom wieder gemessen. Dieses Mess- ergebnis − ^^^^ _Z ^∗ V _S wird als Anfangswert für nächste Schaltperiode zur Berechnung ver- wendet. Für eine genauere Erklärung der Berechnung der Einschaltdauer zeigen Fig.10 und Fig.11 einen schematischen Stromverlauf in einer Schaltung nach dem Schaltplan von Fig. 7, wobei ^^^^ ₂ > ^^^^ _FC gilt. Dadurch kann der trapezförmige Stromverlauf das Nullspannungsschalten in jedem Schaltvorgang gewährleisten. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Strommessung bei jedem Schaltvorgang durchgeführt wird. In diesem Beispiel wird der Spulenstrom am Anfang jeder Schaltperiode gemessen. Die Steuerung berechnet die entsprechenden Einschaltdauer jedes Schaltbauele- ments anhand des Messergebnisses ^^^^ _ZVS (bzw. − ^^^^ _ZVS ) mit dem Betriebszustand, re- präsentiert durch die Spannungen ^^^^ ₁ , ^^^^ _FC , ^^^^ ₂ , die Induktivität ^^^^ und dem benötigten Spitzenwert und Zwischenwert des Spulenstroms ^^^^ _L,S und ^^^^ _L,Z . In Fig.10 entspricht die Einschaltdauer ^^^^ _S1,2,on dem Schaltzustand 1, die Einschalt- dauer ^^^^ _S1,3,on entspricht dem Schaltzustand 2, die Einschaltdauer ^^^^ _S3,4,on entspricht dem Schaltzustand 4. Die Einschaltdauer können wie folgt berechnet werden: In Fig.11 entspricht die Einschaltdauer ^^^^ _S1,2,on dem Schaltzustand 1, die Einschalt- dauer ^^^^ _S2,4,on entspricht dem Schaltzustand 3, die Einschaltdauer ^^^^ _S3,4,on entspricht dem Schaltzustand 4. Die Einschaltdauer können wie folgt berechnet: Am Ende einer Schaltperiode wird der aktuelle Spulenstrom noch durch das erfin- dungsgemäße Verfahren gemessen. Das Ergebnis ^^^^ _Z ^∗ V _S (bzw. − ^^^^ _Z ^∗ V _S ) wird als An- fangswert für Berechnung der nächsten Schaltperiode verwendet. In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann der Gate-Treiber 2 mit der Nullspan- nungserkennung, wie dies aus Fig.12 hervorgeht aufgebaut sein. In einem Nullspannungsschaltvorgang vergleicht die ZVD-Schaltung 3 die Spannung über das Schaltbauelement ^^^^ _S mit dem eingestellten Schwellenwert ^^^^ _Ref für die Nullspannungserkennung. In der realen Schaltung weist die Spannung über das Schaltbauelement ^^^^ _S nach dem Nullspannungsschaltvorgang wegen des durch den Freilaufpfad bzw. die Diode fließenden Stroms in einer kurzen Zeit transient negativ auf, deshalb kann dieser Schwellenwert ^^^^ _Ref für die Nullspannungserkennung prinz- pell quasi gleich null eingestellt werden. Bei Fall ^^^^ _S > ^^^^ _Ref liefert die ZVD-Schaltung 3 einen niedrigen Spannungspegel für die Logik „0“ und das Signal ZVD-S wird deaktiviert. Bei Fall ^^^^ _S < ^^^^ _Ref liefert die ZVD-Schaltung 3 einen hohen Spannungspegel für die Logik „1“ und das Signal ZVD-S wird aktiviert. Dieses Nullspannungserkennungssignal ZVD-S wird in das Gate-Ansteuern 4 und das Steuerwerk 1 gesendet. Dadurch kann das Gate-Ansteuern 4 das Schaltbauele- ment mit dem Steuersignal Gate-S einschalten, wenn das Nullspannungserken- nungssignal ZVD-S eine Logik „1“ aufwiest. Für ein genaueres Verständnis des Funktionsprinzips zeigt Fig.13 einen möglichen Aufbau eines Gate-Treibers 2. In der ZVD-Schaltung 3 sperrt die Diode D, wenn die Spannung ^^^^ _S größer als die fliegende Versorgungsspannung ^^^^ _FV ist. Weil die Span- nung ^^^^ _FV höher als der Schwellenwert ^^^^ _Ref dimensioniert wird, gibt der Komparator eine Logik „0“ ab. Wenn die Spannung ^^^^ _S geringer als die Spannung ^^^^ _FV ist, leitet die Diode D. Jetzt vergleicht der Komparator die Spannung ^^^^ _S mit dem eingestellten Schwellenwert ^^^^ _Ref , sobald die Spannung ^^^^ _S geringer als der Schwellenwert ^^^^ _Ref , gibt die ZVD-Schaltung eine Logik „1“ ab. Wenn das Schaltbauelement nicht durch Nullspannungsschalten geschaltet werden soll, gibt das Steuerwerk 1 das Direktsteuerung-Signal DS-S als Logik „1“ ab. Jetzt wird das Nullspannungserkennungssignal ZVD-S überschrieben, dadurch kann das Schaltbauelement unmittelbar vom Steuersignal Gate-S angesteuert werden. Das Direktsteuerung-Signal DS-S wird im Betrieb nur verwendet, wenn der Schalt- vorgang nicht im Nullspannungsschalten angeordnet wird. In dem erfindungsgemä- ßen Verfahren ist das Direktsteuerung-Signal DS-S mit Logik „0“ dauerhaft zu deak- tivieren.