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DE102020124387A1 - Power electronic device, method for its operation and motor vehicle - Google Patents

Power electronic device, method for its operation and motor vehicle Download PDF

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DE102020124387A1
DE102020124387A1 DE102020124387.1A DE102020124387A DE102020124387A1 DE 102020124387 A1 DE102020124387 A1 DE 102020124387A1 DE 102020124387 A DE102020124387 A DE 102020124387A DE 102020124387 A1 DE102020124387 A1 DE 102020124387A1
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DE
Germany
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power
power transistors
voltage
drain
battery
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DE102020124387.1A
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German (de)
Inventor
Said El-Barbari
Oliver Senftleben
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, insbesondere eines Umrichters, eine derartige leistungselektronische Einrichtung und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren werden die in Reihe geschalteten Leistungstransistoren der leistungselektronischen Einrichtung angesteuert, wobei Drain-Source-Kapazitäten der beiden Leistungstransistoren durch Umladen der Drain Source-Kapazität wenigstens eines der Leistungstransistoren in Abhängigkeit von jeweiligen Drain-Source-Spannungen als Spannungsteiler betrieben werden. Dadurch kann eine Maximalspannung, der die beiden Leistungstransistoren ausgesetzt sind, reduziert werden.

Figure DE102020124387A1_0000
The invention relates to a method for operating a power electronic device with at least two series-connected power transistors, in particular a converter, such a power electronic device and a motor vehicle equipped with it. In the method, the series-connected power transistors of the power electronic device are controlled, the drain-source capacitances of the two power transistors being operated as a voltage divider by recharging the drain-source capacitance of at least one of the power transistors depending on the respective drain-source voltages. As a result, a maximum voltage to which the two power transistors are exposed can be reduced.
Figure DE102020124387A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung, eine solche leistungselektronische Einrichtung und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.The present invention relates to a method for operating a power electronic device, such a power electronic device and a motor vehicle equipped therewith.

Leistungselektronische Komponenten und Anwendungen finden heutzutage in vielerlei technischen Bereichen zunehmende Verbreitung. Ein Beispiel hierfür ist der Bereich der Fahrzeugtechnik, in dem eine zunehmende Elektrifizierung angestrebt wird. Mit zunehmender Verbreitung auch in sicherheitsrelevanten Gebieten und Anwendungen ist die Zuverlässigkeit neben stets angestrebten geringeren Kosten und geringerem Bauraumbedarf und Gewicht von besonderer Bedeutung. Sowohl durch die Verbreitung in neue Anwendungsgebiete als auch im Zuge der technischen Weiterentwicklung zum Erfüllen immer weiter steigender Anforderungen können dabei Einflussfaktoren auftreten oder an Bedeutung gewinnen, die in der Vergangenheit gegebenenfalls weniger relevant waren.Power electronic components and applications are becoming increasingly widespread in many technical areas. An example of this is the field of vehicle technology, in which increasing electrification is being sought. With increasing spread in safety-relevant areas and applications, reliability is of particular importance, in addition to the always sought-after lower costs and lower installation space requirements and weight. Influencing factors that may have been less relevant in the past can arise or gain in importance, both as a result of the spread in new areas of application and in the course of technical further development to meet ever-increasing requirements.

So ist beispielsweise in der DE 10 2018 221 022 A1 das Phänomen der sogenannten Reichweitenangst thematisiert, das im Zusammenhang mit elektrischen Kraftfahrzeugen zu beobachten ist. Um diesem Problem zu begegnen, wird dort eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie und ein Verfahren zu deren Steuerung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst neben der Batterie einen Motor zum Empfangen einer Batterieleistungsquelle von der Batterie. Weiter umfasst die Vorrichtung einen Leistungs-Controller zum Steuern des Motors, um die Batterieleistungsquelle in Ladeleistung zu ändern und einen Lade-Controller zum selektiven Durchführen einer Ladeleistungsversorgungssteuerung zum Liefern der Ladeleistung nach außen und einer Ladeleistungsempfangssteuerung zum Empfangen externer Leistung. Damit soll auf effiziente Weise ein Gleichstrom-Ladedienst zum Aufteilen von Batterieenergie zwischen Elektrofahrzeugen realisiert werden.For example, in the DE 10 2018 221 022 A1 the phenomenon of so-called range anxiety, which can be observed in connection with electric vehicles, is addressed. In order to cope with this problem, there is proposed a power conversion device for charging a vehicle battery and a method of controlling the same. The device includes, in addition to the battery, a motor for receiving a battery power source from the battery. Further, the device includes a power controller for controlling the motor to change the battery power source to charging power, and a charging controller for selectively performing charging power supply control for supplying the charging power to the outside and charging power receiving control for receiving external power. This aims to efficiently implement a DC charging service for sharing battery power between electric vehicles.

Es gibt jedoch auch Effekte, die innerhalb leistungselektronischer Komponenten auftreten und deren Zuverlässigkeit beeinflussen können. Dazu zählen beispielsweise Überspannungen oder Single Event Upsets, die durch Einwirkung kosmischer Strahlung auftreten können, und dergleichen mehr. Ein Lösungsansatz dafür kann beispielsweise in der Verwendung von leistungselektronischen Bauteilen oder Komponenten mit höherer Spannungsblockierfähigkeit, also höherer Durchschlagspannung, bestehen. Dies kann jedoch nachteilig höhere Verluste im Betrieb aufgrund eines erhöhten Durchgangswiderstands bzw. höhere Kosten und einen höheren Bauraumbedarf mit sich bringen.However, there are also effects that occur within power electronic components and can affect their reliability. These include, for example, overvoltages or single event upsets that can occur as a result of the effects of cosmic radiation, and the like. A solution for this can consist, for example, in the use of power electronic components or components with a higher voltage blocking capability, ie a higher breakdown voltage. However, this can have the disadvantage of higher losses during operation due to an increased contact resistance or higher costs and a higher installation space requirement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders zuverlässigen Betrieb einer Leistungselektronik zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable particularly reliable operation of power electronics.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Possible refinements and developments of the present invention are specified in the dependent patent claims, in the description and in the drawing.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung, also eines Geräts oder Bauteils, das sich mit der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelemente beschäftigt, insbesondere zur Leistungsversorgung eines angeschlossenen Verbrauchers. Die leistungselektronische Einrichtung umfasst dabei wenigstens eine Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren. An einem Verbindungs- oder Knotenpunkt zwischen diesen beiden Leistungstransistoren kann beispielsweise jeweils eine elektrische Phase, also eine Versorgungsleitung für den angeschlossenen Verbraucher, also zur Versorgung einer elektrischen Last angeschlossen oder angebunden sein. In einem Ladebetrieb zum Aufladen einer Batterie können die Leistungstransistoren zumindest teilweise einer Batteriespannung der zu ladenden Batterie ausgesetzt sein. Die Leistungstransistoren können also zumindest zeitweise und/oder zumindest einem Teil der Batteriespannung ausgesetzt sein. Dies kann problematisch sein, da bei heutzutage verfügbaren Leistungstransistoren deren Ausfallrate mit zunehmender anliegender Spannung exponentiell ansteigen kann. Die Ausfallrate, auch als FIT (englisch: Failures in Time) bezeichnet, kann beispielsweise die Anzahl von Ausfällen pro 1.000.000.000 Stunden Betriebs- oder Belastungszeit angeben.A method according to the invention is used to operate a power electronic device, ie a device or component that deals with the conversion of electrical energy using switching electronic components, in particular for supplying power to a connected load. The electronic power device includes at least one half-bridge with two series-connected power transistors. An electrical phase, ie a supply line for the connected consumer, ie for supplying an electrical load, can for example be connected to a connecting point or node between these two power transistors. In a charging mode for charging a battery, the power transistors can be at least partially exposed to a battery voltage of the battery to be charged. The power transistors can therefore be exposed to the battery voltage at least temporarily and/or at least partially. This can be problematic since the failure rate of the power transistors available today can increase exponentially as the applied voltage increases. The failure rate, also known as FIT (Failures in Time), can indicate, for example, the number of failures per 1,000,000,000 hours of operating or load time.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Leistungstransistoren in dem Ladebetrieb angesteuert, also betrieben oder geschaltet. Dabei wird eine jeweilige Drain-Source-Spannung der beiden Leistungstransistoren überwacht, also die jeweilige an den Leistungstransistoren anliegende oder über diese abfallende Drain-Source-Spannung gemessen.According to the method according to the invention, the power transistors are controlled in the charging mode, ie operated or switched. In this case, a respective drain-source voltage of the two power transistors is monitored, that is to say the respective drain-source voltage which is present at the power transistors or which drops across them is measured.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Drain-Source-Kapazitäten der Leistungstransistoren durch Umladen der Drain Source-Kapazität wenigstens eines der Leistungstransistoren in Abhängigkeit von den gemessenen Drain-Source-Spannungen als Spannungsteiler für die an der leistungselektronischen Einrichtung anliegenden Spannung, also etwa der Batteriespannung betrieben, sodass die beiden Leistungstransistoren jeweils höchstens einem vorgegebenen Anteil der Batteriespannung ausgesetzt sind oder werden.In the method according to the invention, the drain-source capacitances of the power transistors are operated by recharging the drain-source capacitance of at least one of the power transistors as a function of the measured drain-source voltages as a voltage divider for the voltage present at the electronic power device, i.e. approximately the battery voltage , so that the two power transistors are or will be exposed to at most a predetermined proportion of the battery voltage.

Mit anderen Worten werden also die Drain Source-Kapazitäten durch das Umladen derart angepasst, dass keiner der beiden Leistungstransistoren zumindest nahezu der vollen Batteriespannung ausgesetzt ist. Dabei kann beispielsweise ein Spannungsteiler Verhältnis von ungefähr 50 % oder beispielsweise im Bereich von 25 % bis 75 %, angestrebt oder eingestellt werden. Damit kann also erreicht werden, dass während des Ladebetriebs die an den beiden Leistungstransistoren anliegenden Spannungen nicht zu verschieden sind bzw. in einem vorgegebenen Bereich oder Verhältnis bleiben, insbesondere nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert werden. Das Umladen der wenigstens einen Drain-Source-Kapazität bzw. ein Grad dieses Umladens, also Auf- und Entladens, wenigstens einer der Drain-Source-Kapazitäten kann dabei automatisch durch eine entsprechende Schaltung oder Steuerung durchgeführt bzw. eingestellt werden.In other words, the drain-source capacitances are adjusted by the charge reversal in such a way that neither of the two power transistors is exposed to at least almost the full battery voltage. In this case, for example, a voltage divider ratio of approximately 50% or, for example, in the range from 25% to 75% can be sought or set. It can thus be achieved that during the charging operation the voltages applied to the two power transistors are not too different or remain in a predetermined range or ratio, in particular do not become greater than a predetermined threshold value. The charge reversal of the at least one drain-source capacitance or a degree of this charge reversal, ie charging and discharging, of at least one of the drain-source capacitances can be carried out or adjusted automatically by a corresponding circuit or controller.

Auch bei nominell gleichen, also gleich spezifizierten Leistungstransistoren können diese sich in ihren elektrischen bzw. elektronischen Eigenschaften dennoch unterscheiden. So können die Leistungstransistoren vorgegebene Toleranzen beispielsweise in unterschiedlichem Maße ausnutzen und/oder im Betrieb unterschiedliche Temperaturen aufweisen und somit beispielsweise unterschiedliche Widerstände bzw. unterschiedliche Leckströme aufweisen. Dies kann dazu führen, dass bereits bei geringfügig unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Leckströmen, der beiden Leistungstransistoren der Halbbrücke nur einer dieser beiden Leistungstransistoren zumindest nahezu der vollen Batteriespannung ausgesetzt würde. Gerade bei den heutzutage angestrebten höheren Batterie- bzw. Ladespannungen kann dies wie erwähnt zu einem problematischen Anstieg der Ausfallrate beispielsweise durch Einwirkung kosmischer Strahlung während des Ladebetriebs führen.Even with power transistors that are nominally the same, i.e. with the same specifications, they can still differ in their electrical or electronic properties. For example, the power transistors can utilize predetermined tolerances to different extents and/or have different temperatures during operation and thus have different resistances or different leakage currents, for example. This can mean that even with slightly different properties, in particular leakage currents, of the two power transistors of the half-bridge, only one of these two power transistors would be exposed to at least almost the full battery voltage. As already mentioned, this can lead to a problematic increase in the failure rate, for example due to the effects of cosmic radiation during charging, especially with the higher battery or charging voltages that are aimed for nowadays.

Diese Problematik tritt auf, da während des Ladebetriebs die leistungselektronische Einrichtung, beispielsweise ein Umrichter, oftmals mit der aufzuladenden Batterie elektrisch verbunden bleibt und somit eine entsprechende Spannungsbelastung und erfährt. Prinzipiell könnte zur Vermeidung dieses Problems ein mechanischer Schalter zwischen die aufzuladende Batterie und die leistungselektronische Einrichtung gesetzt und während des Ladebetriebs geöffnet bzw. getrennt werden. Damit sind jedoch nachteilig zusätzliche Kosten sowie ein an anderer Stelle erhöhtes Sicherheitsrisiko verbunden, beispielsweise da sich ein solcher mechanischer Schalter während eines Leistungsbetriebs, bei dem ein Verbraucher oder eine elektrische Last durch die Batterie über die leistungselektronische Einrichtung mit Leistung versorgt wird, öffnen könnte.This problem arises because during the charging operation the electronic power device, for example a converter, often remains electrically connected to the battery to be charged and is therefore subjected to a corresponding voltage load. In principle, to avoid this problem, a mechanical switch could be placed between the battery to be charged and the electronic power device and opened or disconnected during the charging operation. However, this disadvantageously involves additional costs and an increased safety risk elsewhere, for example since such a mechanical switch could open during power operation in which a consumer or an electrical load is supplied with power by the battery via the electronic power device.

Durch die vorliegende Erfindung kann die Ausfallrate hinter der Leistungstransistoren und somit der leistungselektronischen Einrichtung reduziert werden, ohne ein zusätzliches Sicherheitsrisiko einzuführen.The failure rate behind the power transistors and thus the electronic power device can be reduced by the present invention without introducing an additional safety risk.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird wenigstens einer der Leistungstransistoren, insbesondere beide Leistungstransistoren, während des Ladebetriebs im aktiven Bereich - auch als linearer Bereich oder Normalbetrieb bezeichnet - betrieben, also angesteuert. Dabei wird eine variable Gate-Spannung verwendet, die durch eine Rückkopplungsschleife (englisch: feedback loop) automatisch variiert wird, um die Leistungstransistoren wie beschrieben als Spannungsteiler zu betreiben bzw. die auf einen einzelnen Spannungsteiler wirkende Spannung zu begrenzen. Hier werden die Gates der Leistungstransistoren also so geschaltet, dass die Leistungstransistoren im linearen Bereich oder Verstärkungsbereich (englisch forwardactive region) sind bzw. bleiben. Bei einem Bipolartransistor bedeutet dies beispielsweise, dass die Source- oder Emitterdiode in Flussrichtung und die Drain- oder Kollektordiode in Sperrrichtung betrieben werden. Im aktiven Bereich, also im Normalbetrieb ist der Kollektorstrom zumindest näherungsweise durch den Basisstrom multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor gegeben. Entsprechendes gilt beispielsweise auch für MOSFETs. Im aktiven Bereich, also im Normalbetrieb wird der jeweilige Leistungstransistor üblicherweise nur in dem Bereich betrieben, in dem die Verstärkung näherungsweise linear verläuft. Im aktiven Bereich, also im Normal- oder Verstärkungsbetrieb kann besonders schnell geschaltet werden, um Verzögerungen durch Sättigungseffekte zu vermeiden. Dadurch kann besonders schnell auf Unterschiede oder Veränderungen reagiert werden und durch entsprechend schnelles Schalten kann auch ein effektiver Betrieb, also beispielsweise eine Bewegung, einer an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossenen Last vermieden werden. Die Gate-Spannung kann in einem vorgegebenen Bereich variiert, also gesteuert oder geregelt werden, insbesondere kontinuierlich. Dadurch können Schwankungen oder veränderte Bedingungen dynamisch ausgeglichen und so die Belastung der Leistungstransistoren besonders flexibel und zuverlässig begrenzt werden. Als Spannungsbereich für die Gate-Spannung kann beispielsweise 0 V bis 2 V vorgegeben sein. Je nach Anwendungsfalls oder Auslegung können aber ebenso andere Gate-Spannungen möglich sein bzw. verwendet werden. Für die Variation oder Regelung der Gate-Spannung kann beispielsweise eine Analogverstärkerschaltung eingesetzt werden, die dann Teil der leistungselektronischen Einrichtung sein kann.In one possible embodiment of the present invention, at least one of the power transistors, in particular both power transistors, is operated during the charging operation in the active range--also referred to as the linear range or normal operation--that is to say it is driven. A variable gate voltage is used, which is automatically varied by a feedback loop in order to operate the power transistors as a voltage divider, as described, or to limit the voltage acting on an individual voltage divider. Here the gates of the power transistors are switched in such a way that the power transistors are or remain in the linear range or amplification range (forwardactive region). In the case of a bipolar transistor, for example, this means that the source or emitter diode is operated in the forward direction and the drain or collector diode is operated in the reverse direction. In the active range, ie in normal operation, the collector current is at least approximately given by the base current multiplied by the current amplification factor. The same applies to MOSFETs, for example. In the active range, that is to say in normal operation, the respective power transistor is usually only operated in the range in which the amplification is approximately linear. In the active range, i.e. in normal or boost mode, switching can be carried out particularly quickly in order to avoid delays caused by saturation effects. As a result, it is possible to react particularly quickly to differences or changes, and effective operation, that is to say for example a movement, of a load connected to the electronic power device can also be avoided by correspondingly rapid switching. The gate voltage can vary within a predetermined range, ie it can be controlled or regulated, in particular continuously. As a result, fluctuations or changed conditions can be compensated for dynamically and the load on the power transistors can be limited in a particularly flexible and reliable manner. For example, 0 V to 2 V can be specified as the voltage range for the gate voltage. Depending on the application or design, however, other gate voltages can also be possible or used. For example, an analog amplifier circuit can be used to vary or regulate the gate voltage, which can then be part of the electronic power device.

In einer anderen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird wenigstens einer der Leistungstransistoren, insbesondere beide Leistungstransistoren bzw. die leistungselektronische Einrichtung mit einer vorgegebenen Gate-Spannung und mit vorgegebener Puls- oder Schaltfrequenz gepulst betrieben. Dabei kann die Schaltfrequenz insbesondere so groß vorgegeben sein, dass in jeweils einer einzelnen Halbperiode die umgeladene Drain-Source-Kapazität nur teilweise, also nicht vollständig aufgeladen wird. Hier können im Betrieb der Leistungstransistoren bzw. für oder in jedem Schaltvorgang die gleichen fest vorgegebenen Gate-Spannungen verwendet werden. Beispielsweise kann jeweils ein Einschalten bei +15 V und ein Ausschalten bei -5 V Gate-Spannung erfolgen bzw. die Leistungstransistoren bei diesen Spannungswerten eingeschaltet bzw. ausgeschaltet gehalten werden. Die Leistungstransistoren können mit einer zeitlich durchschnittlichen Ausgangsleistung von zumindest nahezu null betrieben werden, insbesondere mit einem symmetrisch um null variierenden Rechteckpulssignal. Hier können die Leistungstransistoren also derart ein- und ausgeschaltet werden, dass ein Durchschnitt oder Integral eines Ausgangssignals der Leistungstransistoren minimal ist, insbesondere zumindest nahezu null beträgt. Damit können die Leistungstransistoren also geschaltet werden, ohne dass eine ausgangsseitig angeschlossene Last im zeitlichen Durchschnitt mit einer Nettoleistung versorgt wird. Ist an die leistungselektronische Einrichtung als Last beispielsweise eine elektrische Maschine angeschlossen, so wird dann in dieser oder von dieser kein Drehmoment erzeugt. Mit anderen Worten werden die Leistungstransistoren hier also mit einem Modulationsindex von null geschaltet. Auf diese Weise kann auf eine Trennung, also einen zusätzlichen Schalter zwischen der leistungselektronischen Einrichtung und der Last verzichtet und das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Stillstand oder in einem Ruhezustand der jeweils angeschlossenen Last angewendet werden. Ebenso können, beispielsweise je nach Anwendungsfall oder Auslegung, andere Spannungswerte und/oder Signalformen verwendet werden.In another possible embodiment of the present invention, at least one of the power transistors, in particular both power transistors or the electronic power device, is operated in a pulsed manner with a predetermined gate voltage and with a predetermined pulse or switching frequency. In this case, the switching frequency can in particular be specified so large that in each individual half period the charge-reversed drain-source capacitance is only partially, ie not fully, charged. Here, the same fixed predetermined gate voltages can be used during operation of the power transistors or for or in each switching operation. For example, the gate voltage can be switched on at +15 V and switched off at -5 V, or the power transistors can be switched on or kept switched off at these voltage values. The power transistors can be operated with a time-average output power of at least almost zero, in particular with a square-wave pulse signal that varies symmetrically around zero. The power transistors can thus be switched on and off here in such a way that an average or integral of an output signal from the power transistors is minimal, in particular at least almost zero. The power transistors can thus be switched without a load connected on the output side being supplied with a net power on average over time. If, for example, an electrical machine is connected as a load to the electronic power device, then no torque is generated in or by this machine. In other words, the power transistors are switched here with a modulation index of zero. In this way, a separation, ie an additional switch, between the electronic power device and the load can be dispensed with and the method according to the invention can also be used when the respectively connected load is at a standstill or in an idle state. Likewise, other voltage values and/or signal forms can be used, for example depending on the application or design.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden eine zum Ansteuern der Leistungstransistoren verwendete Pulsdauer und/oder Puls- bzw. Schaltfrequenz abhängig von einer an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossenen Last so gewählt, dass eine Anlaufträgheit der Last nicht überwunden wird. Mit anderen Worten werden die für den gepulsten Betrieb der Leistungstransistoren auf diese gegebenen Impulse so kurz bzw. die entsprechende Pulsfrequenz so hoch eingestellt, dass die angeschlossene Last zumindest im Wesentlichen in ihrem aktuellen Zustand verbleibt. Ist als Last beispielsweise eine elektrische Maschine an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossenen, kommt es dann also zu keiner Bewegung oder zu keinem Drehmoment der elektrischen Maschine. Die Puls- oder Schaltfrequenz kann zudem zum Minimieren einer Stromwelligkeit angepasst werden oder sein. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders einfache Weise, also mit minimalem zusätzlichem Aufwand angewendet werden, ohne dass letztlich unerwünschte Effekte auftreten.In one possible development of the present invention, a pulse duration and/or pulse or switching frequency used to drive the power transistors are selected as a function of a load connected to the electronic power device such that a starting inertia of the load is not overcome. In other words, the pulses given to the power transistors for pulsed operation are set so short or the corresponding pulse frequency is set so high that the connected load remains at least essentially in its current state. If, for example, an electrical machine is connected to the electronic power device as a load, then there is no movement or no torque of the electrical machine. The pulse or switching frequency can also be adjusted to minimize current ripple. In this way, the method according to the invention can be used in a particularly simple manner, that is to say with minimal additional effort, without undesirable effects ultimately occurring.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Umladen der wenigstens einen Drain-Source-Kapazität erst dann gestartet, also erst dann automatisch aktiviert, wenn die Batteriespannung oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Mit anderen Worten kann also bei einer unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes liegenden Batteriespannung auf das Umladen der wenigstens einen Drain Source-Kapazität verzichtet werden. Dadurch können insgesamt Energie eingespart und eine Schaltungsbelastung der leistungselektronischen Einrichtung reduziert werden. Der Schwellenwert kann hier insbesondere abhängig von einer Durchschlagspannung der Leistungstransistoren vorgegeben sein. Weisen die Leistungstransistoren eine höhere Durchschlagspannung, also eine höhere Spannungsfestigkeit oder Spannungsblockierfähigkeit auf, so kann ein entsprechend höherer Schwellenwert vorgegeben werden. Dadurch kann entsprechender Schaltungsaufwand in einem Spannungsbereich - also bei einer Batteriespannung - wo letztlich die Ausfallrate nicht signifikant durch kosmische Strahlung oder ähnliche Effekte erhöht oder beeinflusst wird, eingespart werden.In one possible embodiment of the present invention, the recharging of the at least one drain-source capacitance is only started, that is to say only automatically activated, when the battery voltage is above a predetermined threshold value. In other words, when the battery voltage is below the predefined threshold value, the charge reversal of the at least one drain-source capacitance can be dispensed with. As a result, energy can be saved overall and a circuit load on the electronic power device can be reduced. The threshold value can be specified here, in particular as a function of a breakdown voltage of the power transistors. If the power transistors have a higher breakdown voltage, that is to say a higher dielectric strength or voltage blocking capability, a correspondingly higher threshold value can be specified. As a result, the corresponding outlay on circuitry can be saved in a voltage range—that is to say at a battery voltage—where ultimately the failure rate is not significantly increased or influenced by cosmic radiation or similar effects.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung beträgt der Schwellenwert mehr als 50 % und weniger als 95 % der Durchschlagspannung der Leistungstransistoren, bevorzugt wenigstens 65 %, besonders bevorzugt wenigstens 80 %. Eine derzeit verwendete Richt- oder Systemspannung im Fahrzeugbereich ist beispielsweise 800 V. In entsprechenden 800 V-Systemen beträgt die Batteriespannung jedoch nicht immer exakt 800 V, sondern kann beispielsweise je nach Ausgestaltung, Ladezustand, Alter der Batterie und dergleichen mehr schwanken, beispielsweise zwischen 450 V und 850 V oder etwa 900 V betragen. Werden dann beispielsweise Leistungstransistoren mit einer Durchschlagspannung von etwa 1200 V verwendet, kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren, also das Umladen der Drain-Source-Kapazitäten erst bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes der Batteriespannung von beispielsweise 750 V oder 780 V angewendet wird.In a possible development of the present invention, the threshold value is more than 50% and less than 95% of the breakdown voltage of the power transistors, preferably at least 65%, particularly preferably at least 80%. A standard or system voltage currently used in the vehicle sector is, for example, 800 V. In corresponding 800 V systems, however, the battery voltage is not always exactly 800 V, but can vary more depending on the design, state of charge, age of the battery and the like, for example between 450 V and 850 V or about 900 V. If, for example, power transistors with a breakdown voltage of about 1200 V are then used, the method according to the invention, i.e. the charge reversal of the drain-source capacitances, is only used when the battery voltage reaches a predetermined threshold value of, for example, 750 V or 780 V.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine leistungselektronische Einrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens eine Halbbrücke aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren und eine Steuerschaltung zum Messen der Drain-Source-Spannung der Leistungstransistoren und zum Umladen wenigstens einer Drain-Source-Kapazität der Leistungstransistoren auf. Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung ist dabei für einen automatischen Betrieb gemäß wenigstens einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Beispielsweise kann die Steuerschaltung entsprechend programmiert sein. Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte leistungselektronische Einrichtung sein und dementsprechend einige oder alle der in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.A further aspect of the present invention is a power electronic device, in particular for a motor vehicle. The power electronic device according to the invention has at least one half-bridge of two power transistors connected in series and a control circuit for measuring the drain-source voltage of the power transistors and for recharging at least one drain-source capacitance of the power transistors. The power electronic device according to the invention is set up for automatic operation according to at least one embodiment of the method according to the invention. For example, the control circuit can be programmed accordingly. The power electronic device according to the invention can in particular be the power electronic device mentioned in connection with the method according to the invention and accordingly have some or all of the properties and/or features mentioned in this connection.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Steuerschaltung in einen Gate-Treiber der leistungselektronischen Einrichtung bzw. in einen jeweiligen Gate-Treiber der Leistungstransistoren integriert. Es kann also eine gemeinsame Steuerschaltung für die beiden oder alle Leistungstransistoren vorgesehen sein. Ebenso kann für jeden Leistungstransistor, dessen Drain-Source-Kapazität mittels der Steuerschaltung umgeladen werden soll, eine individuelle Steuerschaltung vorgesehen sein. Die Integration der Steuerschaltung in den oder die Gate-Treiber stellt eine besonders effektive und bauraumsparende Realisierungsmöglichkeit dar.In one possible embodiment of the present invention, the control circuit is integrated in a gate driver of the electronic power device or in a respective gate driver of the power transistors. A common control circuit can therefore be provided for the two or all of the power transistors. Likewise, an individual control circuit can be provided for each power transistor whose drain-source capacitance is to be recharged by means of the control circuit. The integration of the control circuit in the gate driver or drivers represents a particularly effective and space-saving implementation option.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die leistungselektronische Einrichtung einen Umrichter mit wenigstens drei Halbbrücken mit oder aus jeweils zwei seriell geschalteten oder angeordneten Leistungstransistoren. Die Steuerschaltung oder Steuerschaltungen ist bzw. sind dabei zum Umladen der Drain-Source-Kapazitäten der Leistungstransistoren oder zumindest jeweils eines Leistungstransistors aller drei Halbbrücken eingerichtet. Vorliegend kann also eine Anwendung oder ein Einsatz der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung bzw. der vorliegenden Erfindung insgesamt beispielsweise in einem Maschinen- oder Antriebsstrang vorgesehen bzw. möglich sein. Insbesondere kann der Umrichter zwischen eine Batterie eines elektrischen Kraftfahrzeugs und dessen elektrische Antriebs- oder Traktionsmaschine geschaltet sein. Durch die vorliegende Erfindung kann dann die Ausfallrate der Leistungstransistoren reduziert werden, ohne dass eine mechanische Trennung des Umrichters von der Batterie während des Ladebetriebs notwendig wäre. Der Umrichter bzw. dessen Leistungstransistoren können also während des Ladebetriebs der Batteriespannung ausgesetzt sein, wodurch entsprechender Hardware- oder Schaltungsaufwand vermieden werden kann. Da während des Ladens der Batterie in diesem Fall der Umrichter bzw. dessen Leistungstransistoren deutlich länger der Batteriespannung ausgesetzt sein können als außerhalb des Ladebetriebs - zumindest über die Lebensdauer des jeweiligen Kraftfahrzeugs hinweg betrachtet - kann hier durch die vorliegende Erfindung eine besonders große und effektive Reduzierung der Ausfallrate erreicht werden.In one possible embodiment of the present invention, the electronic power device comprises a converter with at least three half-bridges with or consisting of two power transistors each connected or arranged in series. The control circuit or control circuits is or are set up for charge reversal of the drain-source capacitances of the power transistors or at least one power transistor of all three half-bridges. In the present case, therefore, an application or use of the power electronic device according to the invention or of the present invention as a whole can be provided or possible, for example in a machine or drive train. In particular, the converter can be connected between a battery of an electric motor vehicle and its electric drive or traction machine. The failure rate of the power transistors can then be reduced by the present invention without a mechanical separation of the converter from the battery being necessary during the charging operation. The converter or its power transistors can therefore be exposed to the battery voltage during the charging operation, as a result of which the corresponding outlay on hardware or circuitry can be avoided. Since in this case the converter or its power transistors can be exposed to the battery voltage during charging of the battery for significantly longer than when it is not charging - at least considered over the service life of the respective motor vehicle - the present invention can achieve a particularly large and effective reduction in the failure rate can be achieved.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung, eine damit verbundene Batterie - insbesondere als Traktionsbatterie - und eine von der leistungselektronischen Einrichtung versorgbare elektrische Maschine - insbesondere als Traktionsmotor oder Traktionsantrieb - aufweist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist dementsprechend also ebenfalls zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung genannte Kraftfahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der dort genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.Another aspect of the present invention is a motor vehicle that has a power electronic device according to the invention, a battery connected thereto—in particular as a traction battery—and an electric machine that can be supplied by the power electronic device—in particular as a traction motor or traction drive. Accordingly, the motor vehicle according to the invention is also set up to carry out the method according to the invention. The motor vehicle according to the invention can in particular be the motor vehicle mentioned in connection with the method according to the invention and/or in connection with the electronic power device according to the invention. Accordingly, the motor vehicle according to the invention can have some or all of the properties and/or features mentioned there.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, der Zeichnung und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can result from the claims, the drawing and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description and the features and feature combinations shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the invention to leave.

Die Zeichnung zeigt in 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Kraftfahrzeugs mit einer besonders zuverlässigen leistungselektronischen Einrichtung.The drawing shows in 1 a schematic representation of an electric motor vehicle with a particularly reliable electronic power device.

Beispielsweise im Bereich der Fahrzeugtechnik wird derzeit der Einsatz von 800 V-Systemen, also elektrischen Einrichtungen, die für eine Lade-, Batterie- und/oder Betriebsspannung von ungefähr 800 V eingerichtet oder ausgelegt sind, angestrebt. Dabei kann eine tatsächliche Batteriespannung jedoch variieren, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Anzahl jeweils tatsächlich in Serie geschalteter Batteriezellen, einem aktuellen Ladezustand und dergleichen mehr. In 1 ist dazu beispielhaft schematisch und ausschnitt- oder teilweise ein elektrisches Kraftfahrzeug 10 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist hier eine Batterie 12, einen damit elektrisch verbundenen Umrichter 14 und eine über diesen mit elektrischer Leistung versorgbare elektrische Maschine 16 auf. Die Batterie 12 kann hier eine Traktionsbatterie und die elektrische Maschine 16 eine Traktions- oder Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs 10 sein. Durch die elektrische Maschine 16 können letztlich also - wie hier schematisch angedeutet - Räder 18 des Kraftfahrzeugs 10 angetrieben werden.For example, in the field of vehicle technology, the use of 800 V systems, ie electrical devices that are set up or designed for a charging, battery and/or operating voltage of approximately 800 V, is currently being sought. However, an actual battery voltage can vary, for example as a function of a number of battery cells actually connected in series, a current state of charge and the like. In 1 an example of an electric motor vehicle 10 is shown schematically and in part or as a detail. The motor vehicle 10 here has a battery 12, a converter 14 which is electrically connected thereto and an electric one which can be supplied with electric power via this converter machine 16 on. The battery 12 can be a traction battery and the electric machine 16 can be a traction or drive machine of the motor vehicle 10 here. Ultimately, wheels 18 of motor vehicle 10 can be driven by electric machine 16--as indicated schematically here.

Der Umrichter 14 ist eine leistungselektronische Einrichtung oder Teil einer leistungselektronischen Einrichtung des Kraftfahrzeugs 10 und umfasst hier schematisch angedeutet drei Halbbrücken 20 aus jeweils zwei in Serie geschalteten Leistungstransistoren 22. Die Leistungstransistoren 22 können beispielsweise als SiC-MOSFETs oder IGBTs, bevorzugt mit einer Durchschlagspannung von etwa 1200 V ausgebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Leistungstransistoren 22 sowie Komponenten eines der Leistungstransistoren 22 bzw. einem der Leistungstransistoren 22 zugeordnete Komponenten gekennzeichnet. Grundsätzlich können jedoch alle Leistungstransistoren 22 des Umrichters 14 bzw. der Halbbrücken 20 in gleicher Weise aufgebaut sein.The converter 14 is a power electronic device or part of a power electronic device of the motor vehicle 10 and comprises, indicated here schematically, three half-bridges 20 each consisting of two power transistors 22 connected in series. The power transistors 22 can, for example, be SiC MOSFETs or IGBTs, preferably with a breakdown voltage of about 1200 V be trained. For the sake of clarity, only some of the power transistors 22 and components of one of the power transistors 22 or components assigned to one of the power transistors 22 are identified here. In principle, however, all the power transistors 22 of the converter 14 or of the half-bridges 20 can be constructed in the same way.

Die Leistungstransistoren 22 weisen hier einen Drain 24, ein Gate 26 und eine Source 28 auf. Zwischen dem Drain 24 und der Source 28 ist dabei jeweils eine Drain-Source-Kapazität 30 gegeben oder angeordnet. Die Leistungstransistoren 22 werden durch einen jeweiligen Gate-Treiber 32 versorgt.The power transistors 22 have a drain 24, a gate 26 and a source 28 here. In this case, a drain-source capacitance 30 is provided or arranged between the drain 24 and the source 28 in each case. The power transistors 22 are powered by a respective gate driver 32 .

Die Batterie 12, der Umrichter 14 und die elektrische Maschine 16 können hier beispielhaft als 800 V-System ausgelegt sein. Die Batterie 12 kann also beispielsweise eine nominale Batteriespannung von 800 V oder beispielsweise 850 V aufweisen. Trotz der mit 1200 V nominal deutlich oberhalb dieser Batteriespannung liegenden Durchschlagspannung der Leistungstransistoren 22 kann es einen großen Einfluss auf die Ausfallrate der Leistungstransistoren 22 haben, diese der vollen Batteriespannung auszusetzen. Zum einen kann ein Schalten der Leistungstransistoren 22 bei der vollen anliegenden Batteriespannung, insbesondere mit relativ großen Stromanstiegen dl/dt zu einer relativ hohen Spannungsstressbelastung der Leistungstransistoren 22 führen. Diese Belastung kann durch Überspannungsspitzen verursacht werden, die ein Ergebnis einer relativ hohen Induktivität einer Kommentierungsschleife und eines - hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten - Zwischenkreiskondensators sein. Zum anderen steigt die Anfälligkeit der Leistungstransistoren 22 für durch kosmische Strahlung ausgelöste Fehler, wie beispielsweise Single Event Upsets (SEU), exponentiell mit der anliegenden Spannung, beispielsweise der Batterie- oder Zwischenkreisspannung, an. Damit kann bei der vollen an den Leistungstransistoren 22 anliegenden Batteriespannung die Ausfallrate aufgrund kosmischer Strahlung ein kritisches Niveau erreichen.The battery 12, the converter 14 and the electric machine 16 can be designed here as an 800 V system, for example. The battery 12 can therefore have a nominal battery voltage of 800 V, for example, or 850 V, for example. Despite the breakdown voltage of the power transistors 22, which is nominally well above this battery voltage at 1200 V, exposing them to the full battery voltage can have a major influence on the failure rate of the power transistors 22. On the one hand, switching the power transistors 22 when the full battery voltage is present, in particular with relatively large current increases dl/dt, can lead to a relatively high voltage stress load on the power transistors 22 . This stress can be caused by overvoltage peaks, which are a result of a relatively high inductance of a comment loop and an intermediate circuit capacitor—not shown here for the sake of clarity. On the other hand, the susceptibility of the power transistors 22 to errors caused by cosmic radiation, such as single event upsets (SEU), increases exponentially with the applied voltage, for example the battery or intermediate circuit voltage. Thus, with the full battery voltage applied to the power transistors 22, the failure rate due to cosmic rays can reach a critical level.

Im Allgemeinen kann der Umrichter 14 im Ladebetrieb, in dem die Batterie 12 aufgeladen wird, der jeweils aktuellen Batteriespannung ausgesetzt sein, auch wenn dabei die Leistungstransistoren 22 nicht schalten bzw. geschaltet werden. Im Idealfall kann dies unproblematisch sein, wenn jeweils innerhalb einer Halbbrücke 20 die beiden Leistungstransistoren 22 elektrisch identisch wären. In diesem Fall wäre die Spannungsverteilung über die beiden Leistungstransistoren 22 innerhalb jeweils einer Halbbrücke 20 gleich, sodass jeder der Leistungstransistoren 22 effektiv nur der halben Batterie- oder Zwischenkreisspannung ausgesetzt wäre. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. Realistisch werden die Leistungstransistoren 22 sich unterscheiden, beispielsweise unterschiedliche Leckströme haben, unterschiedliche Temperaturen aufweisen und dergleichen mehr. Dies kann dazu führen, dass innerhalb einer Halbbrücke 20 einer der beiden Leistungstransistoren 22 zumindest nahezu der vollen Batterie- oder Zwischenkreisspannung ausgesetzt ist. Dies kann wie beschrieben zu einer entsprechend hohen Ausfallrate führen.In general, the converter 14 can be exposed to the current battery voltage in the charging operation, in which the battery 12 is charged, even if the power transistors 22 do not switch or are not switched. In the ideal case, this can be unproblematic if the two power transistors 22 in each case within a half-bridge 20 were electrically identical. In this case, the voltage distribution across the two power transistors 22 would be the same within each half-bridge 20, so that each of the power transistors 22 would effectively only be exposed to half the battery or intermediate circuit voltage. In practice, however, this is not the case. Realistically, the power transistors 22 will differ, for example have different leakage currents, have different temperatures and the like. This can lead to one of the two power transistors 22 being exposed at least almost to the full battery or intermediate circuit voltage within a half-bridge 20 . As described, this can lead to a correspondingly high failure rate.

Um diesem Problem zu begegnen, ist in die Gate-Treiber 32 vorliegend eine jeweilige Steuerschaltung integriert. Damit werden die an den Leistungstransistoren 22 anliegenden Spannungen gemessen und die Drain Source-Kapazitäten 30 derart aufgeladen bzw. umgeladen, dass Unterschiede zwischen den beiden Leistungstransistoren 22 innerhalb einer Halbbrücke 20 kompensiert werden. Die Drain Source-Kapazitäten 30 fungieren dann also als Spannungsteiler. Diese Spannungsteilung dabei nicht exakt sein, um eine signifikante Reduktion der maximal an den Leistungstransistoren 22 anliegenden Spannung und somit der Ausfallrate zu erzielen, sodass diese Effekte mit besonders geringem Aufwand erzielt werden können.In order to counteract this problem, a respective control circuit is integrated into the gate driver 32 in the present case. The voltages present at the power transistors 22 are thus measured and the drain-source capacitances 30 are charged or recharged in such a way that differences between the two power transistors 22 within a half-bridge 20 are compensated for. The drain-source capacitances 30 then function as a voltage divider. This voltage division does not have to be exact in order to achieve a significant reduction in the maximum voltage applied to the power transistors 22 and thus in the failure rate, so that these effects can be achieved with particularly little effort.

Die derart erzielte Reduktion der Spannung, der die Leistungstransistoren 22 tatsächlich ausgesetzt sind, während des Ladebetriebs kann besonders nützlich sein, da über eine gesamte Lebenszeit des Umrichters 14 betrachtet der Ladebetrieb den größten zeitlichen Anteil einer Gesamtbelastungszeit, während derer die Leistungstransistoren 22 hohen Spannungen ausgesetzt sind, ausmachen kann. So kann es beispielsweise relativ lange Zeiträume geben, während derer die Batterie 12 zumindest nahezu vollständig geladen ist und permanent durch eine Erhaltungsladung (englisch: trickle charge) auf ihrem maximalen Spannungsniveau gehalten wird.The reduction in the voltage achieved in this way, to which the power transistors 22 are actually exposed, during charging operation can be particularly useful because over the entire lifetime of the converter 14, the charging operation accounts for the largest portion of a total load time during which the power transistors 22 are exposed to high voltages , can make out. For example, there can be relatively long periods of time during which the battery 12 is at least almost fully charged and is permanently kept at its maximum voltage level by a trickle charge.

Ebenso können während des Ladebetriebs die Leistungstransistoren 22 mit einem Modulationsindex von 0 und einem Tastgrad von 0,5 bzw. 50 % geschaltet werden, beispielsweise unter Verwendung eines symmetrisch um 0 variierenden Rechteckpulssignal. Da dabei ausgangsseitig des Umrichters 14 die Leistung bzw. der Strom im zeitlichen Durchschnitt 0 beträgt, wird in der elektrischen Maschine 16 kein Drehmoment generiert. Dieses Schaltverfahren kann also auch im Stillstand des Kraftfahrzeugs 10 während des Ladens der Batterie 12 angewendet werden. Ein solcher Schaltbetrieb der Leistungstransistoren 22 kann beispielsweise durch ein entsprechendes Steuergerät, beispielsweise ebenfalls die in die Gate-Treiber 32 integrierte Steuerschaltung, realisiert werden, die dazu ein PWM-Signal zum Schalten der Leistungstransistoren 22 bzw. des Umrichter 14 mit Modulationsindex 0 erzeugen kann. Eine dabei verwendete Schaltfrequenz, also etwa eine Frequenz einer entsprechenden Pulsweitenmodulation, kann so hoch sein, dass aufgrund der zeitlichen Kürze eines jeweiligen Stromflusses in einer Richtung ein vollständiges Aufladen der Drain-Source-Kapazitäten vermieden wird. Es kann eine Rückkopplungs- oder Feedbackschaltung implementiert werden, um dieses Schalten der Leistungstransistoren 22 bzw. des Umrichter 14 erst oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes der Batterie- oder Zwischenkreisspannung zu starten oder zu aktivieren, beispielsweise erst oberhalb von 780 V. Zur Minimierung von Verlusten und einer Strom- oder Ausgangssignalwelligkeit kann dabei eine Schaltfrequenz automatisch angepasst werden. Ebenso können die Leistungstransistoren 22 im aktiven Bereich - also kontinuierlich statt gepulst - betrieben werden, wobei eine Gate-Spannung dann über eine Rückkopplungsschleife in einem vorgegebenen Spannungsbereich geregelt werden kann.Likewise, during the charging operation, the power transistors 22 can be switched with a modulation index of 0 and a duty cycle of 0.5 or 50%, for example using a rectangular pulse signal that varies symmetrically around 0. Since the power or the current on the output side of the converter 14 is 0 on average over time, no torque is generated in the electric machine 16 . This switching method can therefore also be used when the motor vehicle 10 is stationary while the battery 12 is being charged. Such a switching operation of the power transistors 22 can be implemented, for example, by a corresponding control device, for example also the control circuit integrated in the gate driver 32, which can generate a PWM signal for switching the power transistors 22 or the converter 14 with modulation index 0. A switching frequency used in this case, ie, for example, a frequency of a corresponding pulse width modulation, can be so high that, due to the short duration of a respective current flow in one direction, complete charging of the drain-source capacitances is avoided. A feedback circuit can be implemented in order to only start or activate this switching of the power transistors 22 or the converter 14 above a predetermined threshold value of the battery or intermediate circuit voltage, for example only above 780 V. To minimize losses and a Current or output signal ripple, a switching frequency can be adjusted automatically. Likewise, the power transistors 22 can be operated in the active range—that is to say continuously instead of in a pulsed manner—in which case a gate voltage can then be regulated in a predetermined voltage range via a feedback loop.

Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Fehlerrate oder Ausfallrate aufgrund kosmischer Strahlung während eines Ladebetriebs in einer leistungselektronischen Einrichtung reduziert werden kann.Overall, the examples described show how an error rate or failure rate due to cosmic radiation can be reduced during charging operation in a power electronic device.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Kraftfahrzeugmotor vehicle
1212
Batteriebattery
1414
Umrichterconverter
1616
elektrische Maschineelectric machine
1818
Räderwheels
2020
Halbbrückenhalf bridges
2222
Leistungstransistorenpower transistors
2424
Draindrainage
2626
GateGate
2828
SourceSource
3030
Drain-Source-Kapazitätdrain-source capacitance
3232
Gate-Treibergate driver

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018221022 A1 [0003]DE 102018221022 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung (14), die wenigstens eine Halbbrücke (20) mit zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (22) umfasst, wobei in einem Ladebetrieb zum Aufladen einer Batterie (12), in dem die Leistungstransistoren (22) zumindest teilweise einer Batteriespannung der zu ladenden Batterie (12) ausgesetzt sind, eine jeweilige Drain-Source-Spannung der beiden Leistungstransistoren (22) überwacht wird und die Drain-Source-Kapazitäten (30) der beiden Leistungstransistoren (22) durch Umladen der Drain-Source-Kapazität (30) wenigstens eines der Leistungstransistoren (22) in Abhängigkeit von den Drain-Source-Spannungen als Spannungsteiler für die Batteriespannung betrieben werden, sodass die beiden Leistungstransistoren (22) jeweils höchstens einem vorgegebenen Anteil der Batteriespannung ausgesetzt werden.Method for operating a power electronic device (14), which comprises at least one half-bridge (20) with two series-connected power transistors (22), wherein in a charging operation for charging a battery (12) in which the power transistors (22) at least partially one Battery voltage of the battery to be charged (12) are exposed, a respective drain-source voltage of the two power transistors (22) is monitored and the drain-source capacitance (30) of the two power transistors (22) by recharging the drain-source capacitance (30) at least one of the power transistors (22) is operated as a voltage divider for the battery voltage depending on the drain-source voltages, so that the two power transistors (22) are each exposed to at most a predetermined portion of the battery voltage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Leistungstransistoren (22) während des Ladebetriebs im aktiven Bereich mit variabler Gate-Spannung betrieben wird, wobei die Gate-Spannung durch eine Rückkopplungsschleife in einem vorgegebenen Spannungsbereich variiert wird, um die Leistungstransistoren (22) als Spannungsteiler zu betreiben.procedure after claim 1 , characterized in that at least one of the power transistors (22) is operated during charging in the active region with a variable gate voltage, the gate voltage being varied by a feedback loop in a predetermined voltage range in order to use the power transistors (22) as a voltage divider operate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Leistungstransistoren (22) mit vorgegebener Gate-Spannung und vorgegebener, insbesondere für ein jeweils vollständiges Aufladen der umgeladenen Drain-Source-Kapazität in jeder Periode zu großer, Schaltfrequenz gepulst betrieben wird, insbesondere mit einer zeitlich durchschnittlichen Ausgangsleistung von zumindest nahezu null.procedure after claim 1 , characterized in that at least one of the power transistors (22) is operated in a pulsed manner with a predetermined gate voltage and a predetermined switching frequency, in particular for a complete charging of the recharged drain-source capacitance in each period which is too high, in particular with a time-averaged output power of at least close to zero. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Ansteuern der Leistungstransistoren (22) verwendete Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz abhängig von einer an die leistungselektronische Einrichtung (14) angeschlossenen Last so gewählt werden, dass eine Anlaufträgheit der Last nicht überwunden wird.procedure after claim 3 , characterized in that a pulse duration and/or pulse frequency used to drive the power transistors (22) are selected as a function of a load connected to the electronic power device (14) in such a way that a starting inertia of the load is not overcome. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umladen der wenigstens einen Drain-Source-Kapazität (30) erst dann gestartet wird, wenn die Batteriespannung oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charge reversal of the at least one drain-source capacitance (30) is only started when the battery voltage is above a predetermined threshold value. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert mehr als 50 % und weniger als 95 % der Durchschlagspannung der Leistungstransistoren (22) beträgt.procedure after claim 5 , characterized in that the threshold is more than 50% and less than 95% of the breakdown voltage of the power transistors (22). Leistungselektronische Einrichtung (14), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (10), aufweisend wenigstens eine Halbbrücke (20) aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (22) und eine Steuerschaltung (32) zum Messen der Drain-Source-Spannung der Leistungstransistoren (22) und zum Umladen wenigstens einer Drain-Source-Kapazität (30) der Leistungstransistoren (22), wobei die leistungselektronische Einrichtung (14) für einen Betrieb gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.Electronic power device (14), in particular for a motor vehicle (10), having at least one half-bridge (20) made up of two series-connected power transistors (22) and a control circuit (32) for measuring the drain-source voltage of the power transistors (22) and for recharging at least one drain-source capacitance (30) of the power transistors (22), the electronic power device (14) being set up for operation in accordance with a method according to one of the preceding claims. Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (32) in einen Gate-Treiber (32) der leistungselektronischen Einrichtung (14) integriert ist.Power electronic device (14) after claim 7 , characterized in that the control circuit (32) is integrated in a gate driver (32) of the electronic power device (14). Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (14) einen Umrichter (14) mit wenigstens drei Halbbrücken (20) mit jeweils zwei seriell geschalteten Leistungstransistoren (22) umfasst und die Steuerschaltung (32) zum Umladen der Drain-Source-Kapazitäten (30) der Leistungstransistoren (22) aller drei Halbbrücken (20) eingerichtet ist.Power electronic device (14) after claim 7 or 8th , characterized in that the electronic power device (14) comprises a converter (14) with at least three half-bridges (20) each with two series-connected power transistors (22) and the control circuit (32) for recharging the drain-source capacitances (30) the power transistors (22) of all three half-bridges (20) are set up. Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, eine damit verbundene Batterie (12) und eine von der leistungselektronischen Einrichtung (14) versorgbare elektrische Maschine (16).Motor vehicle (10), having a power electronic device (14) according to one of Claims 7 until 9 , a battery (12) connected thereto and an electrical machine (16) that can be supplied by the electronic power device (14).
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