用于選擇在功率半導(dǎo)體中的斷開過程的斷開速度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于選擇在功率半導(dǎo)體中的斷開過程的斷開速度的方法、一種計算單元和一種用于執(zhí)行該方法的驅(qū)控裝置、一種具有在其直流電壓中間電路上布置的功率半導(dǎo)體的變流器以及一種具有由該變流器驅(qū)動的電機(jī)的電動或者混動車輛。
【背景技術(shù)】
[0002]在例如適合應(yīng)用在電動或者混動車輛中用于運行電機(jī)的變流器中的電功率損失主要通過其功率半導(dǎo)體或者功率半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生或者確定。除了應(yīng)用的功率半導(dǎo)體類型之夕卜，經(jīng)常使用IGBTs (絕緣柵雙極型晶體管)，柵極驅(qū)控方法對電功率損失有決定性的影響，并且因此對變流器的效率有決定性的影響。對功率半導(dǎo)體的開關(guān)特性的進(jìn)一步觀察指出，在功率半導(dǎo)體的開關(guān)過程中，功率半導(dǎo)體中的相應(yīng)斷開過程的相對長的持續(xù)時間也常會產(chǎn)生電損失的不期望的高份額。
[0003]在斷開過程時，功率半導(dǎo)體的在導(dǎo)通狀態(tài)時穿過其流動的集電極電流取決于其通過集電極電流Ie對時間t的導(dǎo)數(shù)dle/dt獲得的電流斜率(Stromsteilheit)而變小，直至其占據(jù)近似為零的值。集電極電流的較小的漏電流也許可以進(jìn)一步流動。集電極電流的電流斜率，也就是集電極電流的前沿的斜率還作為用于斷開速度的虛擬參量存在，該斷開速度一同確定了用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開過程的持續(xù)時間。其能夠通過對功率半導(dǎo)體的柵極驅(qū)控來控制。視斷開速度而定，集電極-發(fā)射極電壓取決于存在于直流電壓回路上的電感L (也作為換向電路的電感所已知)上升超出在直流電壓中間電路上施加的直流電壓，其中，由此獲得的集電極-發(fā)射極斷開過壓AVce根據(jù)以下公式得出:
[0004]Δ Vce= L*dl c/dt。
[0005]對于功率半導(dǎo)體來說，尤其在此考慮的IGBT來說，相應(yīng)地由制造商給出最大的集電極-發(fā)射極截止電壓，在超過該電壓時會出現(xiàn)功率半導(dǎo)體的損毀。經(jīng)常也被稱為額定截止電壓的該最大集電極-發(fā)射極截止電壓通常在功率半導(dǎo)體的+25°C阻擋層溫度時在制造商的數(shù)據(jù)手冊中給出。此外，相關(guān)于功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度主要涉及的是功率半導(dǎo)體的溫度或者在多個功率半導(dǎo)體上的溫度。功率半導(dǎo)體必須因此這樣地使用和運行，即在直流電壓中間電路上出現(xiàn)的、在功率半導(dǎo)體的斷開過程期間還加載有集電極-發(fā)射極斷開過壓的直流電壓VDe不超過最大集電極-發(fā)射極截止電壓Vras，這通過以下公式來描述:
[0006]Vces〉Vdc+ A Vce ο
[0007]因此，也許尤其是集電極電流的電流斜率在功率半導(dǎo)體的運行期間根據(jù)在直流電壓中間電路上的直流電壓的相應(yīng)的值來進(jìn)行限制，從而保持用于斷開功率半導(dǎo)體的指出的條件。該條件因此具有對功率半導(dǎo)體的斷開過程的持續(xù)時間對于其許多應(yīng)用情況而言的不可忽視的影響。
[0008]至今而知，功率半導(dǎo)體開關(guān)的穩(wěn)固的布置這樣地實現(xiàn)，即在功率半導(dǎo)體上出現(xiàn)的最大集電極-發(fā)射極電壓對于在直流電壓中間電路上的最大直流電壓時和在最大電流時(也就是通過功率半導(dǎo)體的集電極電流)的斷開過程而言，必須保持由制造商給定的最大集電極-發(fā)射極截止電壓。
[0009]對于在直流電壓中間電路上以較高的電壓運行的IGBTs而言，最大集電極-發(fā)射極截止電壓例如為在+25°C的環(huán)境溫度時的650V。
[0010]如果現(xiàn)在計劃例如在用于驅(qū)動電動車輛或者混動車輛的變流器中使用這種類型的功率半導(dǎo)體，那么功率半導(dǎo)體多數(shù)情況下也必須設(shè)計用于負(fù)溫度。最大集電極-發(fā)射極截止電壓根據(jù)制造商的規(guī)定例如在-40°C的溫度時為605V。該現(xiàn)在對于功率半導(dǎo)體的截止能力減小的、首先在較低的溫度時適用在功率半導(dǎo)體的使用能力的邊界上的集電極-發(fā)射極電壓經(jīng)常由使用者在總體上在整個溫度范圍上確定。
[0011]由EP 2 733 849 Al公開了一種用于運行IGBT的方法，IGBT通過中間電路耦聯(lián)至能量源。IGBTs以相應(yīng)的斷開速度的斷開的特征在于檢測中間電路中的電壓被根據(jù)該電壓控制斷開速度。此外提出了控制裝置，其具有用于檢測中間電路中的電壓的檢測裝置，其中控制裝置設(shè)計用于根據(jù)該電壓控制斷開速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提出一種選擇在功率半導(dǎo)體中的斷開過程的斷開速度的方法以及一種適合于此的計算單元和驅(qū)控裝置，借助其降低斷開過程時的電開關(guān)損失，并且改善用于設(shè)定功率半導(dǎo)體的斷開過程的已知方法和裝置。
[0013]該目的通過一種方法實現(xiàn)。
[0014]該目的進(jìn)一步通過一種計算單元、通過一種計算機(jī)程序和一種計算機(jī)程序產(chǎn)品實現(xiàn)。
[0015]該目的進(jìn)一步通過一種驅(qū)控裝置實現(xiàn)。
[0016]該目的進(jìn)一步通過一種變流器以及具有變流器和一種電機(jī)的電動或者混動車輛實現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識，即功率半導(dǎo)體在運行情況中并且視應(yīng)用領(lǐng)域而定所暴露的環(huán)境溫度以不可忽視的形式對功率半導(dǎo)體上的溫度(阻擋層溫度)產(chǎn)生影響，這又能夠?qū)β拾雽?dǎo)體的斷開速度、對斷開過程的持續(xù)時間以及對由功率半導(dǎo)體產(chǎn)生的電損失造成影響。基于在較低溫度時根據(jù)功率半導(dǎo)體制造商減小的最大集電極-發(fā)射極截止電壓，至今為止為了安全地使用功率半導(dǎo)體而做出這樣的決定，即總體上僅僅使用用于設(shè)定斷開速度的集電極-發(fā)射極電壓作為最大集電極-發(fā)射極截止電壓，該電壓根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)手冊與相應(yīng)最低的溫度關(guān)聯(lián)。對此的實例已經(jīng)描述。
[0018]如果接受這樣的限制，那么在運行情況中實際在功率半導(dǎo)體上或者中出現(xiàn)的尤其是較低的溫度僅僅對用于功率半導(dǎo)體的斷開過程的斷開速度的確定有很小的影響。在至今為止已知的設(shè)計方案中也許僅僅考慮在功率半導(dǎo)體的運行期間檢測到的、用于驅(qū)控斷開過程的直流電壓中間電路上的直流電壓。
[0019]具有根據(jù)測定和確定斷開過程的斷開速度在功率半導(dǎo)體的運行期間變化的溫度的、特別是結(jié)合在直流電壓中間電路出的變化的直流電壓的電平不在或者僅僅受限地使用。這導(dǎo)致，即不能識別出功率半導(dǎo)體的特定的工作點是否也許允許可能比指出的至今為止的解決方案更快速的開關(guān)速度。用于功率半導(dǎo)體的特定工作點的較快速的斷開速度對降低斷開過程的持續(xù)時間有幫助，并且因此也能夠避免對功率半導(dǎo)體或者另外涉及的組件的費用昂貴的過尺寸設(shè)計。
[0020]現(xiàn)在，為了實現(xiàn)該目的提出了一種取決于溫度地選擇用于功率半導(dǎo)體中的斷開過程的斷開速度的方法，該功率半導(dǎo)體布置在變流器的直流電壓中間電路上，其中，直流電壓中間電路的直流電壓通過電壓檢測裝置檢測到，通過第一比較與基準(zhǔn)直流電壓進(jìn)行比較，并且提供直流電壓比較結(jié)果，至少一個功率半導(dǎo)體的溫度、尤其是阻擋層的溫度通過溫度檢測裝置檢測到，通過第二比較與基準(zhǔn)溫度比較并且提供溫度比較結(jié)果，并且取決于直流電壓比較結(jié)果與溫度比較結(jié)果的組合可能性，從多個斷開速度中找到斷開速度的選擇以及提供新測定的斷開速度。
[0021]利用該方法示出了這樣的可能性，即當(dāng)在運行情況中分別測定的在功率半導(dǎo)體中或者上的溫度被作為用于選擇斷開開關(guān)過程的斷開速度的條件一同獲得時，在斷開功率半導(dǎo)體時、尤其是在斷開IGBTs時出現(xiàn)的電損失能夠被進(jìn)一步地減小。設(shè)置用于所有運行點的、對集電極-發(fā)射極電壓的總體限制:該集電極-發(fā)射極電壓在較低溫度時規(guī)定為最大集電極-發(fā)射極截止電壓并且由功率半導(dǎo)體的制造商相應(yīng)地記載在數(shù)據(jù)手冊中，不再是強制性必需的。
[0022]尤其識別出，即利用由直流中間電路的檢測到的直流電壓與基準(zhǔn)直流電壓的第一比較和由功率半導(dǎo)體的檢測到的溫度與基準(zhǔn)溫度的第二比較的組合可能性，能夠精細(xì)地設(shè)計用于功率半導(dǎo)體的特定運行點的斷開速度的選擇，并因此能夠針對目的和針對應(yīng)用地降低在斷開過程時的電損失。
[0023]例如由此出發(fā)，即對于選擇新測定的斷開速度所需的那些斷開速度的數(shù)量能夠通過直流電壓比較結(jié)果與溫度比較結(jié)果的組合可能性的數(shù)量確定。然而條件是，僅僅各一個基準(zhǔn)直流電壓設(shè)置用于第一比較和僅僅各一個基準(zhǔn)溫度設(shè)置用于第二比較。如果另外的溫度基準(zhǔn)和/或直流電壓基準(zhǔn)被引入用于附加需要的比較，那么這提高了組合可能性的數(shù)量并進(jìn)而也提高了也許待提前的斷開速度的數(shù)量。其結(jié)果是能夠相應(yīng)精細(xì)地控制功率半導(dǎo)體的斷開特性。
[0024]當(dāng)在運行情況下從與使用相關(guān)的角度看能夠識別出多個組合可能性時，其中斷開速度可以是相同的并且其這樣確定時，能夠為新測定的斷開速度指定一個統(tǒng)一的值。
[0025]在方法的第一優(yōu)選設(shè)計方案中，通過第三比較對新測定的斷開速度與至今的斷開速度進(jìn)行比較并且提供斷開速度比較結(jié)果，通過斷開速度比較結(jié)果，在新測定的斷開速度與至今的斷開速度不同的情況中，觸發(fā)至新測定的斷開速度的轉(zhuǎn)換。
[0026]在方法的一個設(shè)計方案中允許合理化地切換斷開速度，因此將當(dāng)前的斷開速度切換到測定的斷開速度上被監(jiān)控地觸發(fā)。也可以使用在切換之前的比較，以定義用于切換的另外的條件。當(dāng)借助另外的條件識別出在連接至功率半導(dǎo)體的電機(jī)的熱或者電過載時，對于無干擾的運行來說，不僅僅是功率半導(dǎo)體需要例如觸發(fā)至合適的斷開速度的切換。
[0027]在方法的另外的優(yōu)選的設(shè)計方案中，借助選擇確定第一斷開速度為新測定的斷開速度，當(dāng)在溫度比較結(jié)果與直流電壓比較結(jié)果的組合可能性之一時由溫度檢測裝置檢測到的溫度小于基準(zhǔn)溫度并且由電壓檢測裝置檢測到直流電壓大于基準(zhǔn)直流電壓時，新測定的斷開速度尤其適用于非常緩慢的斷開速度。
[0028]當(dāng)功率半導(dǎo)體的檢測到的_40°C的溫度明顯小于定義的0°C基準(zhǔn)溫度，但是同時在直流電壓中間電路上檢測到的450V電壓明顯超過定義的400V基準(zhǔn)直流電壓時，相關(guān)于至少一個具體的、針對應(yīng)用的運行點的第一斷開速度例如設(shè)計為非常緩慢的斷開速度。因此在該實例中，僅僅為功率半導(dǎo)體上的集電極-發(fā)射極斷開過壓提供了很小的空間，以便不超過由制造商設(shè)定的最大集電極-發(fā)射極截止電壓。因此，該非常緩慢的斷開速度應(yīng)該為處于功率半導(dǎo)體的邊界區(qū)域中的運行點確保安全的斷開過程。
[0029]在方法的另一個優(yōu)選的設(shè)計方案中，通過如下措施形成第一柵極斷開信號:當(dāng)通過選擇將第一斷開速度確定為新測定的斷開速度時，第三柵極斷開串聯(lián)電阻借助于能通過脈沖的柵極驅(qū)控信號驅(qū)控的柵極半導(dǎo)體電連接在功率半導(dǎo)體的柵極的上游。
[0030]用于功率半導(dǎo)體的斷開過程的斷開速度基本上通過功率半導(dǎo)體的集電極電流的電流斜率來確定。通過將相應(yīng)地設(shè)計的柵極前置電連接取決于新測定的開關(guān)速度電激活或者去激活能控制集電極電流的該電流斜率，其中該柵極前置電連接尤其由一個或者多個柵極斷開串聯(lián)電阻構(gòu)成并且與功率半導(dǎo)體的柵極電連接。該描述如其進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的一樣適用于所有柵極前置電連接。
[0031]能利用本方法的該設(shè)計方案激活的第三柵極斷開串聯(lián)電阻必須由使用者相關(guān)于第一斷開速度這樣地設(shè)計，即能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置用于該組合可能性的斷開過程持續(xù)時間。
[003