DE-102017126584-B4 - SENSORLOSE TEMPERATURKOMPENSATION FÜR LEISTUNGSSCHALTGERÄTE

Abstract

Wechselrichter (15) für einen Elektrofahrzeugantrieb, umfassend: eine Brücke, die eine Mehrzahl an Leistungsschaltgeräten mit entsprechenden isolierten Gate-Terminals (61) und Emitter-Terminals (63) einschließt; eine PWM-Schaltung, die Schaltbefehle zum Steuern der Brücke bestimmt; eine Mehrzahl an Gate-Treibern (37), die Schaltbefehle empfängt und Gate-Antriebssignale für die entsprechenden Gate-Terminals bereitstellt; und eine Mehrzahl an Gate-Kondensatoren (65), die jeweils thermisch an ein entsprechendes Schaltgerät gekoppelt sind und elektrisch zwischen die entsprechenden Gate-Terminals (61) und Emitter-Terminals (63) geschaltet sind, wobei jeder Gate-Kondensator (65) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der geeignet ist, Änderungen einer Schaltgeschwindigkeit der Schaltgeräte über eine vorgegebene Temperaturspanne entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgeräte aus einer Mehrzahl an Leistungshalbleiterchips (70) bestehen und wobei jeder Gate-Kondensator (65) aus einem oberflächenmontierbaren Kondensator (75) mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht, das an einen entsprechenden Leistungshalbleiterchip (70) mit dem entsprechenden Schaltgerät angebracht ist.

Inventors

• Xi LU
• Chingchi Chen
• Michael W. Degner
• Zhuxian Xu
• Ke Zou

Assignees

• FORD GLOBAL TECHNOLOGIES, LLC

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20171113

Priority Date

20161114

Claims (10)

1. Wechselrichter (15) für einen Elektrofahrzeugantrieb, umfassend: eine Brücke, die eine Mehrzahl an Leistungsschaltgeräten mit entsprechenden isolierten Gate-Terminals (61) und Emitter-Terminals (63) einschließt; eine PWM-Schaltung, die Schaltbefehle zum Steuern der Brücke bestimmt; eine Mehrzahl an Gate-Treibern (37), die Schaltbefehle empfängt und Gate-Antriebssignale für die entsprechenden Gate-Terminals bereitstellt; und eine Mehrzahl an Gate-Kondensatoren (65), die jeweils thermisch an ein entsprechendes Schaltgerät gekoppelt sind und elektrisch zwischen die entsprechenden Gate-Terminals (61) und Emitter-Terminals (63) geschaltet sind, wobei jeder Gate-Kondensator (65) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der geeignet ist, Änderungen einer Schaltgeschwindigkeit der Schaltgeräte über eine vorgegebene Temperaturspanne entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltgeräte aus einer Mehrzahl an Leistungshalbleiterchips (70) bestehen und wobei jeder Gate-Kondensator (65) aus einem oberflächenmontierbaren Kondensator (75) mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht, das an einen entsprechenden Leistungshalbleiterchip (70) mit dem entsprechenden Schaltgerät angebracht ist.
2. Wechselrichter (15) nach Anspruch 1 , wobei die Leitungsschaltgeräte aus einer Mehrzahl an Leistungshalbleiterchips (70) besteht und wobei jeder Gate-Kondensator aus einer eigenständigen Komponente besteht, die mit einem entsprechenden Schaltgerät über Schaltdrähte (77, 78), die an einen entsprechenden Leistungshalbleiterchip (70) gelötet sind, verbunden ist.
3. Wechselrichter (15) nach Anspruch 1 , wobei die Gate-Kondensatoren aus Keramikkondensatoren bestehen.
4. Wechselrichter (15) nach Anspruch 3 , wobei die Keramikkondensatoren mehrschichtige Keramikkondensatoren sind.
5. Wechselrichter (15) nach Anspruch 1 , ferner umfassend eine Mehrzahl an Gate-Widerständen (66), die jeweils einen entsprechenden festen Widerstand in Reihe mit einem entsprechenden Gate-Terminal (61) bereitstellen, wobei der feste Widerstand zum Bereitstellen einer vorgegebenen Schaltzeit ausgelegt ist, wenn die Gate-Kondensatoren eine höchste Temperatur innerhalb der vorgegebenen Temperaturspanne aufweisen.
6. Leistungsschaltung für eine Wechselrichterbrücke (15), umfassend: einen isolierten Gate-Transistor (60) mit Gate- (61), Kollektor- (62) und Emitter-Terminals (63) und mit einer Schaltzeit, die über eine vorgegebene Temperaturspanne variiert; und einen Gate-Kondensator (65), der thermisch an den Transistor (60) gekoppelt ist und elektrisch zwischen die Gate-(61) und Emitter-Terminals (63) geschaltet ist, wobei der Gate-Kondensator (65) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der geeignet ist, den Änderungen der Schaltgeschwindigkeit des Transistors (60) über die vorgegebene Temperaturspanne entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet , dass der Transistor (60) aus einem Leistungshalbleiterchip (70) besteht und wobei der Gate-Kondensator (65) aus einem oberflächenmontierbaren Kondensator (75) besteht, der am Leistungshalbleiterchip (70) angebracht ist.
7. Schaltung nach Anspruch 6 , wobei der Transistor (60) aus einem Leistungshalbleiterchip (70) besteht und wobei der Gate-Kondensator (65) aus einer eigenständigen Komponente besteht, die mit dem Transistor (60) über Schaltdrähte (77, 78) verbunden ist, die an den Leistungshalbleiterchip (70) gelötet sind.
8. Schaltung nach Anspruch 6 , wobei der Gate-Kondensator (65) aus einem Keramikkondensator besteht.
9. Schaltung nach Anspruch 8 , wobei der Keramikkondensator ein mehrschichtiger Keramikkondensator ist.
10. Schaltung nach Anspruch 6 , ferner umfassend einen Gate-Widerstand (66, 91, 92), der einen festen Widerstand in Reihe mit dem Gate-Terminal bereitstellt, wobei der feste Widerstand zum Bereitstellen einer vorgegebenen Schaltzeit ausgelegt ist, wenn der Gate-Kondensator (65) eine höchste Temperatur innerhalb der vorgegebenen Temperaturspanne aufweist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Steuerung von Schaltübergängen für Leistungsschalttransistoren und im Besonderen Bereitstellen automatischer Temperaturkompensation zum Aufrechterhalten wünschenswerter Schaltgeschwindigkeiten für Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode für Leistungswandler eines Typs, der in elektrifizierten Fahrzeugen verwendet wird. Elektrifizierte Fahrzeuge, wie etwa Hybridelektrofahrzeuge (HEVs), Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) und Batterieelektrofahrzeuge (BEVs), verwenden Wechselrichterangetriebene elektrische Maschinen, um Traktionsmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Antriebssystem umfasst eine Gleichstromquelle (wie etwa einen Batteriesatz oder eine Brennstoffzelle), die durch Leistungsschütze an einen variablen Spannungswandler (VVC) gekoppelt ist, um eine Haupt-Busspannung über einen Haupt-Gleichstromzwischenkondensator zu regeln. Ein Wechselrichter ist zwischen die Hauptbusse und einen Fahrmotor geschaltet, um den Gleichstrom in einen Wechselstrom zu wandeln, der an die Windungen des Motors gekoppelt ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Wechselrichter schließt Transistorschaltgeräte (wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder IGBTs) ein, die in einer Brückenkonfiguration mit einer Mehrzahl von Phasenzweigen verbunden sind. Eine typische Konfiguration beinhaltet einen Drehstrommotor, der durch einen Wechselrichter mit drei Phasenzweigen angetrieben wird. Eine elektronische Steuerung schaltet die Schalter ein und aus, um eine DC-Spannung von dem Bus in eine AC-Spannung umzuwandeln, die an den Motor angelegt wird. Der Wechselrichter wird als Reaktion auf verschiedene gemessene Bedingungen gesteuert, darunter die Drehposition der elektrischen Maschine und der Stromfluss in jeder der Phasen. Der Wechselrichter für den Elektromotor kann vorzugsweise die Impulsbreite der Gleichstromanschlussspannung modulieren, um einen Näherungswert eines sinusförmigen Stromausgangs zum Antreiben des Elektromotors mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment bereitzustellen. Die Steuersignale der Pulsbreitenmodulation (PWM) werden angewandt, um die Gates der IGBTs anzutreiben, um sie je nach Bedarf an- und auszuschalten. In einer idealisierten Form sind die Gate-Antriebssteuersignale Rechteckwellensignale, die jedes Leistungsschaltgerät (z. B. IGBT) zwischen einem vollständig ausgeschalteten und einem vollständig eingeschalteten (gesättigten) Zustand wechseln. Während des Aus- und Anschalten benötigt das Gerät Zeit, um auf die Änderung des Gate-Antriebssignals zu reagieren. Beispielsweise geht, nachdem das Gate-Antriebssignal von einem abgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand übergeht, die Leitung durch die Gerätausgabe innerhalb weniger Mikrosekunden von Nullstromfluss in einen maximalen Stromfluss über. Die Schaltgeschwindigkeit oder -zeit hängt von der Steilheit der Stromänderung (di/dt) und der Spannungsänderung (dv/dt) ab, wie sie von den Eigenschaften des Schaltgeräts und der dazugehörigen Schaltung, einschließlich des Gate-Treibers, bestimmt wird. Die optimale Schaltgeschwindigkeit eines Leistungshalbleitertransistorgeräts ist ein Kompromiss zwischen hohen Belastungen, die die Zuverlässigkeit bei sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten verringern könnten, und verringerte Effizienz und erhöhte Leistungsverluste bei niedrigeren Schaltgeschwindigkeiten. Mit Variationen der Betriebstemperatur des Transistors ändert sich jedoch die Schaltgeschwindigkeit als Reaktion auf bestimmte temperaturempfindliche Parameter des Transistors, darunter der Gate-Innenwiderstand, Schwellenspannung und Transkonduktanz. Im Allgemeinen nimmt die Schaltgeschwindigkeit mit dem Anstieg der Temperatur ab, sodass Schaltverluste zunehmen; und nimmt die Spannungsbelastung mit Sinken der Temperatur zu, während die Ausfallspannung abnimmt, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigen könnte. Um einen zuverlässigen Betrieb über eine gesamte Spanne von Betriebstemperaturen zu gewährleisten, war ein konventioneller Ansatz, einen optimalen Gate-Steuersignalverlauf oder eine entsprechende Steilheit (z. B. wie es vom Gate-Widerstand oder ähnlichen Steuerparametern bestimmt wurde) auszuwählen und dann einen Gate-Treiber und die Hilfsschaltung des Transistorgeräts zu konfigurieren, um die optimale Steilheit bei der niedrigsten Betriebstemperatur zu erreichen. Beispielsweise kann die Spannung der Gate-Antriebssignale und/oder des Widerstands eines Gate-Widerstands, der einen Gate-Treiber an das Gate-Terminal des Transistorgeräts koppelt, zum Bestimmen einer Zielschaltleitung ausgelegt sein, wodurch die niedrigste akzeptable Schaltzeit derart eingestellt ist, dass sie bei der Worstcase-Temperatur eintritt. Obwohl Leistungsverlust zunehmen, wenn die Temperatur über die niedrigste Temperatur steigt, wird übermäßige Belastung bei allen Temperaturen vermieden. In der Druckschrift DE 10 2015 201 227 A1 wird ein Wechselrichter für