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    Die Erfindung betrifft eine Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschalters (3) in einem instabilen Betriebsbereich, in dem ein durch den Halbleiterschalter (3) fließender elektrischer Strom zumindest Teile des Halbleiterschalters (3) erwärmt und in dem eine Erwärmung des Halbleiterschalters (3) zu einer Zunahme des elektrischen Stroms führt. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, für einen Betrieb in dem instabilen Betriebsbereich eine Zeitintervalllänge eines Zeitintervalls, währenddem der Halblleiterschalter (3) eingeschaltet ist und/oder währenddem ein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters (3) und zum Halten des Halbleiterschalters (3) in eingeschaltetem Zustand an einem Steuereingang (G) des Halbleiterschalters anliegt, auf einen Maximalwert zu begrenzen. Dabei wird der Maximalwert abhängig von zumindest einer einen Betriebszustand des Halbleiterschalters (3) charakterisierenden Zustandsgröße ermittelt.The invention relates to a control of an operation of a semiconductor switch (3) in an unstable operating range in which an electrical current flowing through the semiconductor switch (3) heats at least parts of the semiconductor switch (3) and in which the semiconductor switch (3) heats up of the electric current. DOLLAR A It is proposed for operation in the unstable operating range, a time interval length of a time interval during which the semiconductor switch (3) is turned on and / or during a control signal for turning on the semiconductor switch (3) and holding the semiconductor switch (3) in the on state is applied to a control input (G) of the semiconductor switch, to limit to a maximum value. In this case, the maximum value is determined as a function of at least one state variable characterizing an operating state of the semiconductor switch (3).
    公开号:DE102004020273A1
    申请号:DE200410020273
    申请日:2004-04-26
    公开日:2005-11-17
    发明作者:Stephan Bolz；Alberto Castellazzi；Rainer Knorr；Norbert Seliger
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:H03K17-08
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerungeines Betriebes eines Halbleiterschalters. Die Erfindung betrifftinsbesondere den so genannten sicheren (zerstörungsfreien und/oder zuverlässigen)Betrieb von Halbleiterschaltern, der auch mit dem Begriff „Safe OperationArea" (SOA) bezeichnetwird.TheThe invention relates to a method and an arrangement for the controlan operation of a semiconductor switch. The invention relatesespecially the so-called safe (non-destructive and / or reliable)Operation of semiconductor switches, also with the term "Safe OperationArea "(SOA)becomes.
    [0002] Einbevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist dieSteuerung eines Halbleiterschalters in einem elektrischen Bordnetzeines Straßen-Kraftfahrzeuges,wobei der Halbleiterschalter dazu verwendet wird, elektrische Ströme zwischenverschiedenen Energiespeichern des Bordnetzes zu steuern. Beispielsweiseweisen zumindest Teile von zukünftigenBordnetzen eine Nennspannung von 42 Volt auf. Solche Bordnetze können mehrereEnergiespeicher (z. B. konventionelle Bleiakkumulatoren, Doppelschichtkondensatorenund/oder weitere Energiespeicher aufweisen. Weiterhin kann ein integrierterStartergenerator (ISG) vorgesehen sein, der mit einem Umrichterverbunden ist. Zwischen den genannten Komponenten des Bordnetzes können eineoder mehrere der Halbleiterschalter angeordnet sein, um die Energieströme in demBordnetz steuern zu können.Insbesondere kann bei der Rückgewinnungvon Bremsenergie elektrische Leistung erzeugt und die entsprechendeelektrische Energie in einem Doppelschichtkondensator oder in mehrerenDoppelschichtkondensatoren gespeichert werden, um sie z. B. kurzeZeit späterwieder in mechanische Energie umwandeln zu können. Auch kann die erzeugteelektrische Energie dauerhaft z. B. in einem Bleiakkumulator gespeichertwerden.Onepreferred field of application of the present invention is theControl of a semiconductor switch in an electrical systema road vehicle,wherein the semiconductor switch is used to provide electrical currents betweento control different energy storage of the electrical system. For exampleshow at least parts of future onesOn-board networks a nominal voltage of 42 volts. Such electrical systems can severalEnergy storage (eg conventional lead-acid batteries, double-layer capacitorsand / or have further energy storage. Furthermore, an integratedStarter generator (ISG) be provided with an inverterconnected is. Between the components of the electrical system can be aor more of the semiconductor switches may be arranged to control the energy flows in theTo control electrical system.In particular, in the recoverygenerated by braking energy electric power and the correspondingelectrical energy in a double-layer capacitor or in severalDouble layer capacitors are stored to z. ShortTime laterto convert again into mechanical energy. Also, the generatedelectrical energy permanently z. B. stored in a lead-acid batterybecome.
    [0003] DerHalbleiterschalter wird konventionell z. B. derart gesteuert, dassdie überden Schalter übertrageneelektrische Leistung zeitlich konstant gehalten wird.Of theSemiconductor switch is conventionally z. B. controlled such thatthe abovetransmitted the switchelectrical power is kept constant over time.
    [0004] Insbesondereist bereits vorgeschlagen worden, Halbleiterschalter-Chips zu verwenden,die eine Vielzahl von parallel geschalteten Zellen aufweisen. Somitsind großeStrömeschaltbar. Die Zellen haben jedoch unterschiedliche physikalischeEigenschaften, z. B. auf Grund von leichten Produktionsschwankungen,und/oder es existieren fürdie einzelnen Zellen unterschiedliche Randbedingungen. Beispielsweiseist eine am Rand des Chips angeordnete Zelle in anderer Weise thermischan die Umgebung des Chips und an ein Gehäuse des Chips angekoppelt alseine in der Mitte des Chips angeordnete Zelle. Aus diesen Gründen kannes zu einer inhomogenen Stromverteilung über die Zellen kommen. Auchkann dies dazu führen,dass einzelne der Zellen sich stärkererwärmenals andere. U. U. kommt es zum Ausfall einer Zelle. Dies wiederumgefährdetdie Integrität desgesamten Halbleiterschalters, da insbesondere bei der genanntenRegelung mit konstanter Leistung nun der Stromfluss in den anderenZellen zunimmt. Im Extremfall kann deshalb der gesamte Halbleiterschalterausfallen.Especiallyhas already been proposed to use semiconductor switch chips,having a plurality of cells connected in parallel. Consequentlyare bigstreamsswitchable. However, the cells have different physicalProperties, e.g. B. due to slight production fluctuations,and / or exist forthe individual cells have different boundary conditions. For exampleFor example, a cell located at the edge of the chip is thermally thermally otherwiseto the environment of the chip and to a housing of the chip coupled asa cell located in the middle of the chip. For these reasons canthere is an inhomogeneous current distribution over the cells. Alsocan this causethat individual of the cells become strongerheatthan others. U. U. it comes to the failure of a cell. this in turnendangeredthe integrity of theentire semiconductor switch, since in particular in the aforementionedConstant power control now the current flow in the otherCells is increasing. In extreme cases, therefore, the entire semiconductor switchfail.
    [0005] Insbesonderebei der oben genannten Verwendung des Halbleiterschalters in einemelektrischen Bordnetz treten sehr unterschiedliche, teilweise schwervorhersehbare Betriebzuständeauf. Es ist daher gerade bei dieser Verwendung häufig zu Ausfällen vonHalbleiterschaltern gekommen.Especiallyin the above-mentioned use of the semiconductor switch in oneelectrical wiring system occur very different, sometimes heavyforeseeable operating conditionson. It is therefore precisely in this use often failures ofSemiconductor switches come.
    [0006] Esist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eineVorrichtung zur Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschaltersanzugeben, die einen sicheren Betrieb des Halbleiterschalters ermöglichen,insbesondere wenn der Halbleiterschalter in einem instabilen Betriebsbereichbetrieben wird. In einem solchen instabilen Betriebsbereich erwärmt eindurch den Halbleiterschalter fließender elektrischer Strom zumindestTeile des Halbleiterschalters und führt eine Erwärmung desHalbleiterschalters zu einer Zunahme des elektrischen Stroms (Betriebsbereichmit positivem Temperaturkoeffizienten).Itis an object of the present invention, a method and aDevice for controlling an operation of a semiconductor switchindicate that enable safe operation of the semiconductor switch,especially when the semiconductor switch in an unstable operating rangeis operated. In such an unstable operating range warmed upat least through the semiconductor switch flowing electrical currentParts of the semiconductor switch and leads to a heating of theSemiconductor switch to an increase in electrical current (operating rangewith a positive temperature coefficient).
    [0007] Eswird vorgeschlagen, füreinen Betrieb in dem instabilen Betriebsbereich eine Zeitintervalllänge einesZeitintervalls, währenddem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist und/oder während demein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters und zumHalten des Halbleiterschalters in eingeschaltetem Zustand an einemSteuereingang des Halbleiterschalters anliegt, auf einen Maximalwertzu begrenzen. Der Maximalwert wird abhängig von zumindest einer, einenBetriebszustand des Halbleiterschalters charakterisierenden Zustandsgröße ermittelt.Itis proposed foran operation in the unstable operating region, a time interval length ofTime interval whilethe semiconductor switch is turned on and / or during thea control signal for turning on the semiconductor switch and theHolding the semiconductor switch in the on state at oneControl input of the semiconductor switch is applied to a maximum valueto limit. The maximum value depends on at least one, oneOperating state of the semiconductor switch characterizing state variable determined.
    [0008] Dervorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass insbesondereneuartige Halbleiterschalter, wie sie beispielsweise für die genannte Verwendungin Kraftfahrzeug-Bordnetzen hergestellt werden, häufig indem instabilen Betriebsbereich betrieben werden. Dies ist ein wesentlicherGrund für diehäufigenaufgetretenen Ausfälle.Of theThe present invention is based on the idea that in particularnovel semiconductor switches, such as those mentioned for the useare produced in motor vehicle electrical systems, often inbe operated in the unstable operating range. This is an essential oneReason for thefrequentoccurred failures.
    [0009] Durchdie Begrenzung des Zeitintervalls kann der Gefahr des Ausfalls wirksambegegnet werden. Somit steht dem konventionellen Verfahren ein neues,sicheres Verfahren gegenüber,gemäß dem Halbleiterschalterbei konstanter überden Halbleiterschalter übertragenerelektrischer Leistung betrieben wer den. Allerdings können beideVerfahren miteinander kombiniert werden. Beispielsweise ist es möglich, imstabilen Betriebsbereich wie bei dem konventionellen Verfahren vorzugehenund im instabilen Betriebsbereich das Zeitintervall erfindungsgemäß zu begrenzen.Z. B. kann unter Berücksichtigungeines Sollwertes der zumindest einen Zustandsgröße ermittelt werden, ob einentsprechender Betrieb des Halbleiterschalters in dem instabilenBetriebsbereich liegt.By limiting the time interval, the risk of failure can be effectively countered. Thus, the conventional method is compared to a new, safe method, operated in accordance with the semiconductor switch with constant transmitted via the semiconductor switch electrical power who the. However, both methods can be combined. For example, it is possible in the stable operating range as in the konventio procedure and to limit the time interval according to the invention in the unstable operating range. For example, taking into account a setpoint value of the at least one state variable, it can be determined whether a corresponding operation of the semiconductor switch lies in the unstable operating range.
    [0010] ImAllgemeinen hängtdie maximal mögliche Zeitintervalllänge vonverschiedenen Zustandsgrößen ab,die den Betriebszustand des Halbleiterschalters charakterisieren.Insbesondere sind diese Zustandsgrößen eine über den Halbleiterschalterabfallende elektrische Spannung (z. B. die zwischen Drain und Sourceeines MOSFET abfallende Schaltspannung), ein durch den Halbleiterschalterfließender elektrischerStrom (Schaltstrom, z. B. der Drain-Strom eines MOSFET) und eineUmgebungstemperatur des Halbleiterschalters. Es ist jedoch denkbar,die maximal möglicheZeitintervalllänge nichtoder nicht in jedem Betriebszustand voll auszunutzen. Vielmehr istes möglich,einen sicherheitshalber kleineren Maximalwert zu verwenden, deru. U. fürden gesamten instabilen Betriebsbereich oder zumindest für einenTeil des instabilen Betriebsbereichs gültig ist. Vorzugsweise jedochwird die maximal möglicheZeitintervalllängegleich dem Maximalwert gesetzt. Dabei kann diese maximal mögliche Zeitintervalllänge, wienoch beschrieben wird, näherungsweiseermittelt werden oder ermittelt worden sein, beispielsweise unterVerwendung eines physikalischen Rechenmodells.in theGenerally dependsthe maximum possible time interval length ofdifferent state variables,which characterize the operating state of the semiconductor switch.In particular, these state variables are via the semiconductor switchfalling voltage (eg between drain and sourcea MOSFET dropping switching voltage), through the semiconductor switchflowing electricalCurrent (switching current, eg the drain current of a MOSFET) and aAmbient temperature of the semiconductor switch. However, it is conceivablethe maximum possibleTime interval length notor not fully exploit in any operating condition. Rather, it isit is possiblefor safety's sake use a smaller maximum value, theu. U. forthe entire unstable operating area or at least for onePart of the unstable operating range is valid. Preferably, howeverwill be the maximum possibleTime interval lengthset equal to the maximum value. In this case, this maximum possible time interval length, such aswill be described, approximatelybe determined or determined, for example, underUse of a physical calculation model.
    [0011] BeimBetrieb des Halbleiterschalters wird (oder ist) beispielsweise jeweilsein Sollwert fürdie elektrische Spannung und den elektrischen Strom vorgegeben.Der Maximalwert wird dann abhängig vonden Sollwerten ermittelt und der Betrieb des Halbleiterschalterswird unter Berücksichtigungdes Maximalwerts derart gesteuert oder geregelt, dass bei eingeschaltetemHalbleiterschalter die Sollwerte erreicht werden.At theOperation of the semiconductor switch is (or is), for example, respectivelya setpoint forthe electrical voltage and the electric current specified.The maximum value then becomes dependent ondetermines the setpoints and the operation of the semiconductor switchis under considerationof the maximum value controlled or regulated so that when turned onSemiconductor switch the setpoints are achieved.
    [0012] Vorzugsweisewird der Maximalwert individuell für jeden zu steuernden Halbleiterschalterermittelt, insbesondere durch Messung. Es ist jedoch auch möglich, denMaximalwert füreine Vielzahl von Exemplaren des Halbleiterschalters gemeinsam zuermitteln. Die Entscheidung hierüberhängt insbesonderedavon ab, mit welchen Fertigungstoleranzen zu rechnen ist und welcheAnforderungen an die Genauigkeit, Sicherheit und/oder Leistungsfähigkeitdes Halbleiterschalters der Anwender stellt.Preferablythe maximum value becomes individual for each semiconductor switch to be controlleddetermined, in particular by measurement. However, it is also possible theMaximum value fora plurality of copies of the semiconductor switch togetherdetermine. The decision on thisdepends in particularof which manufacturing tolerances can be expected and which onesRequirements for accuracy, safety and / or performanceof the semiconductor switch of the user.
    [0013] Aufein Verfahren zum Ermitteln der Maximalwerte für verschiedene Betriebszustände wirdin der Figurenbeschreibung noch näher eingegangen. Dabei kannz. B. ein dreidimensionales thermisches Modell des Halbleiterschaltersund u. U. weiterer, mit dem Halbleiterschalter verbundener Materialien(z. B. Package) verwendet werden, um eine Beziehung zwischen denZustandsgrößen undder maximal möglichenZeitintervalllängeherzustellen. Der Maximalwert kann insbesondere in Abhängigkeitvon einem Temperaturkoeffizienten, der eine Erwärmung des Halbleiterschaltersoder eines Teils des Halbleiterschalters beim Betrieb im instabilenBetriebsbereich charakterisiert, ermittelt werden.Ona method for determining the maximum values for different operating statesin the description of the figures discussed in more detail. It canz. B. a three-dimensional thermal model of the semiconductor switchand u. U. further, connected to the semiconductor switch materials(for example, Package) used to establish a relationship between theState variables andthe maximum possibleTime interval lengthmanufacture. The maximum value can be dependent in particularfrom a temperature coefficient, the heating of the semiconductor switchor part of the semiconductor switch when operating in unstableOperating range characterized, are determined.
    [0014] U.U. erlaubt es dieses Verfahren fürzumindest einen Teil des instabilen Betriebsbereichs statt der Mehrzahlvon Zustandsgrößen nureine Zustandsgröße zu verwenden.Auch hierüberentscheiden Faktoren wie Fertigungstoleranzen und Anforderungendes Anwenders.U.U. allows this method forat least part of the unstable operating range instead of the majorityof state variables onlyto use a state variable.Also over heredecide factors such as manufacturing tolerances and requirementsof the user.
    [0015] Allgemeinformuliert kann der Maximalwert für zumindest einen Teil desinstabilen Betriebsbereichs in Abhängigkeit von der zumindesteinen Zustandsgröße ermitteltwerden und/oder es können Datengespeichert werden, aus denen der Maximalwert in Abhängigkeitvon den Zustandsgrößen ermittelbarist.Generallyformulated, the maximum value for at least a part ofunstable operating range depending on the at leastdetermines a state variableand / or it can be dataare stored, from which the maximum value in dependencecan be determined from the state variablesis.
    [0016] Insbesondereentspricht der Maximalwert einem sicheren Betriebsbereich (SOA)in dem instabilen Betriebsbereich, wobei in dem sicheren Betriebsbereichein zerstörungsfreierund zuverlässigerBetrieb des Halbleiterschalters möglich ist.Especiallythe maximum value corresponds to a safe operating range (SOA)in the unstable operating range, being in the safe operating rangea non-destructiveand more reliableOperation of the semiconductor switch is possible.
    [0017] DieErfindung ist insbesondere fürdie Steuerung einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern geeignet, dieparallel zueinander geschaltet sind. Dabei sind die parallel geschaltetenHalbleiterschalter z. B. auf verschiedenen Chips angeordnet. Eswird bevorzugt, fürjeden der einzelnen Chips die entsprechend erforderlichen Zustandsgrößen undEigenschaften (z. B. den Temperaturkoeffizienten) zu messen, zu ermittelnund/oder auf sonstige Weise zu berücksichtigen, um jeweils einzelnfür jedenChip den Maximalwert der Zeitintervalllänge ermitteln zu können. Insbesonderewird fürden Fall von zwei oder mehreren parallel geschalteten Halbleiterschalternvorgeschlagen, dass festgestellt wird oder bekannt ist, welcher oderwelche der Halbleiterschalter währendeines Betriebes in dem instabilen Betriebsbereich einen größeren oderkleineren maximalen Strom führen kannbzw. könnenals zumindest ein anderer der parallel geschalteten Halbleiterschalter,wobei der maximale Strom unter Berücksichtigung des Maximalwertesder Zeitintervalllängeeinen sicheren Betrieb des jeweiligen Halbleiterschalters ermöglicht.Auf diese Weise kann währenddes Betriebes in dem instabilen Betriebszustand lediglich einerder Halbleiterschalter füreinen Betrieb ausgewähltwerden. Falls eine Mehrzahl der Halbleiterschalter in dem insta bilenBetriebsbereich einen gleich großen maximalen Strom führen kann,kann lediglich diese Mehrzahl der Halbleiterschalter für einenBetrieb ausgewähltwerden. Der Maximalwert der Zeitintervalllänge wird dann unter Berücksichtigungdes oder der für denBetrieb ausgewähltenHalbleiterschalter ermittelt wird. Ein Vorteil dieser Ausgestaltungbesteht darin, dass ein definierter, und daher sicherer und zuverlässig steuerbarerBetrieb möglichist. In der Regel ist nämlichdie Verteilung des Stroms überdie parallel geschalteten Halbleiterschalter nicht bekannt, sodassdurch eine Begrenzung des Stroms oder des Zeitintervalls auf diefür denempfindlichsten Halbleiterschalter ein definierter Betriebszustanderreicht wird.The invention is particularly suitable for the control of a plurality of semiconductor switches, which are connected in parallel with each other. In this case, the parallel-connected semiconductor switch z. B. arranged on different chips. It is preferred to measure, determine and / or otherwise account for the respective required state variables and properties (eg the temperature coefficient) for each of the individual chips in order to be able to individually determine the maximum value of the time interval length for each chip , In particular, in the case of two or more semiconductor switches connected in parallel, it is proposed to determine or know which one or more of the semiconductor switches can carry a larger or smaller maximum current during operation in the unstable operating region than at least one other of them switched semiconductor switch, wherein the maximum current allows for safe operation of the respective semiconductor switch taking into account the maximum value of the time interval length. In this way, during operation in the unstable operating state, only one of the semiconductor switches can be selected for operation. If a plurality of the semiconductor switches in the insta bile operating range can lead an equal maximum current, only this plurality of semiconductor switches can be selected for operation. The maximum value of the time interval length is then determined taking into account the one or more semiconductor switches selected for operation. An advantage of this embodiment is that a defined, and therefore safe and reliable controllable operation is possible. As a rule, the distribution of the current across the parallel-connected semiconductor switches is not known, so that a defined operating state is achieved by limiting the current or the time interval to that for the most sensitive semiconductor switch.
    [0018] Vorzugsweisewird berücksichtigt,dass der Halbleiterschalter u. U. periodisch oder auf andere Weisewiederholt eingeschaltet wird. Insbesondere kann der Maximalwertgegenüberdem Fall verkürzt werden,dass der Halbleiterschalter nur einmal eingeschaltet wird. Einemeinmaligen Einschalten steht gleich, dass das vorangegangene letzteAusschalten des Halbleiterschalters ausreichend lange her ist, um diedabei entstandene Wärmean die Umgebung abzuführen.Insbesondere wird bei dem wiederholten oder periodischen Betriebberücksichtigt,dass sich der Halbleiterschalter im Mittel um einen bestimmten Betragerwärmt.Beispielsweise wird als zusätzliche Zustandsgröße, vonder die Größe des Maximalwertesabhängt,der sogenannte "DutyCycle" verwendet,also das Verhältnisder Dauer des eingeschalteten Zustands des Halbleiterschalters zuder Periodendauer. Bei höherenFrequenzen könnenzusätzlichnoch die Schaltverluste berücksichtigtwerden, d. h. die durch das Ein- und Ausschalten erzeugte Wärmeleistungoder Wärme.Preferablyis taken into account,that the semiconductor switch u. U. periodically or otherwiseis switched on repeatedly. In particular, the maximum valueacross frombe shortened in the case,that the semiconductor switch is turned on only once. aswitching on once is equal to the previous oneTurning off the semiconductor switch is sufficiently long ago to theresulting heatdissipate to the environment.In particular, in the repeated or periodic operationconsidered,that the semiconductor switch on average by a certain amountheated.For example, as an additional state quantity, ofthe size of the maximum valuedependsthe so-called "DutyCycle "usesso the relationshipthe duration of the on state of the semiconductor switch tothe period duration. At higherFrequencies canadditionallystill considered the switching lossesbe, d. H. the heat output generated by switching on and offor heat.
    [0019] Wiebereits erwähntwird das Verfahren in einer oder mehrerer seiner Ausgestaltungenvorzugsweise dann ausgeführt,wenn der Halbleiterschalter in einem elektrischen Bordnetz einesKraftfahrzeuges verwendet wird, um einen elektrischen Strom zwischenverschiedenen Energiespeichern zu steuern.Asalready mentionedThe method is in one or more of its embodimentspreferably then executedif the semiconductor switch in an electrical system of aMotor vehicle is used to generate an electric current betweento control different energy stores.
    [0020] Fernerwird eine Anordnung zur Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschaltersin einem instabilen Betriebsbereich vorgeschlagen, in dem ein durchden Halbleiterschalter fließenderelektrischer Strom zumindest Teile des Halbleiterschalters erwärmt undin dem eine Erwärmungdes Halbleiterschalters zu einer Zunahme des elektrischen Stroms führt. DieAnordnung weist eine Steuereinrichtung zur Erzeugung von Steuersignalenfür einenBetrieb des Halbleiterschalters und eine Ermittlungseinrichtungzur Ermittlung eines Maximalwerts auf. Der Maximalwert in dem instabilenBetriebsbereich begrenzt eine Zeitintervalllänge eines Zeitintervalls, während demder Halbleiterschalter eingeschaltet ist und/oder während demein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters und zumHalten des Halbleiterschalters in eingeschaltetem Zustand an einemSteuereingang des Halbleiterschalters anliegt. Die Steuereinrichtungist ausgestaltet, den Betrieb des Halbleiterschalters über dieSteuersignale so zu steuern, dass der Maximalwert in dem instabilenBetriebsbereich nicht überschrittenwird. Die Anordnung kann insbesondere an den zu steuernden Halbleiterschalterangeschlossen sein oder auch separat vertrieben werden.Furtheris an arrangement for controlling an operation of a semiconductor switchproposed in an unstable operating range in which a throughthe semiconductor switch more fluentelectrical current heated at least parts of the semiconductor switch andin which a warmingof the semiconductor switch leads to an increase of the electric current. TheArrangement has a control device for generating control signalsfor oneOperation of the semiconductor switch and a detection deviceto determine a maximum value. The maximum value in the unstableOperating range limits a time interval length of a time interval during whichthe semiconductor switch is turned on and / or during thea control signal for turning on the semiconductor switch and theHolding the semiconductor switch in the on state at oneControl input of the semiconductor switch is applied. The control deviceis configured, the operation of the semiconductor switch over theControl signals so that the maximum value in the unstableOperating range not exceededbecomes. In particular, the arrangement can be connected to the semiconductor switch to be controlledbe connected or sold separately.
    [0021] Vorzugsweisesind die Steuereinrichtung und die Ermittlungseinrichtung in einengemeinsamen Mikrocontroller integriert.Preferablythe control device and the determination device are in oneintegrated microcontroller.
    [0022] Zusätzlich kannein Datenspeicher, insbesondere digitaler Datenspeicher, vorgesehensein. Der Datenspeicher weist gespei cherte Daten zur Ausführung desVerfahrens in einer seiner Ausgestaltungen und/oder zum Betriebder oben beschriebenen Anordnung auf. Die gespeicherten Daten weisendem Halbleiterschalter oder einzelnen Halbleiterschaltern zugeordneteInformationen darüberauf, die eine Ermittlung des Maximalwerts der Zeitintervalllänge für einenBetrieb des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter in deminstabilen Betriebsbereich ermöglichen.Dabei könnenoptional Informationen über äußere Einflüsse undWechselwirkungen währenddes Betriebes, wie z. B. eine Umgebungstemperatur des Halbleiterschalters,zusätzlicherforderlich sein. Der Datenspeicher ist insbesondere mit der Ermittlungseinrichtungder oben beschriebenen Anordnung verbunden.In addition, cana data memory, in particular digital data memory providedbe. The data store has stored data for executing theMethod in one of its embodiments and / or operationto the above-described arrangement. The stored data pointassociated with the semiconductor switch or individual semiconductor switchesInformation about itwhich determines a maximum value of the time interval length for aOperation of the semiconductor switch or the semiconductor switch in theallow unstable operating range.It canoptional information about external influences andInteractions duringof the operation, such. B. an ambient temperature of the semiconductor switch,additionallyto be required. The data memory is in particular with the determination deviceconnected to the arrangement described above.
    [0023] Weiterhingehörtzum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, umdas erfindungsgemäße Verfahrenin einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm voneinem Mikroprozessor ausgeführtwird. Das Computerprogramm umfasst dabei zumindest die Berechnungdes Maximalwerts der Zeitintervalllänge.Fartherbelongsto the scope of the invention, a computer program with program code means tothe inventive methodto perform in one of its embodiments when the program ofa microprocessor runningbecomes. The computer program comprises at least the calculationthe maximum value of the time interval length.
    [0024] ImFolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, diein den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedochnicht auf die Beispiele beschränkt.Im Einzelnen zeigen:in theThe invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments whichare shown schematically in the figures. However, the invention isnot limited to the examples.In detail show:
    [0025] 1 eineSchaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einer besondersbevorzugten Anordnung zum Steuern seines Betriebes, 1 a circuit arrangement with a semiconductor switch and a particularly preferred arrangement for controlling its operation,
    [0026] 2 eineSchaltung mit zwei Halbleiterschaltern und mit Temperatursensoren, 2 a circuit with two semiconductor switches and with temperature sensors,
    [0027] 3 einFlussdiagramm, das eine besonders bevorzugte Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Verfahrenserläutert,und 3 a flowchart illustrating a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, and
    [0028] 4 einFlussdiagramm, mit dem die Ermittlung von Informationen als Grundlagefür dieErmittlung des Maximalwertes erläutertwird. 4 a flowchart with which the Er information as a basis for determining the maximum value is explained.
    [0029] 1 zeigteine Anordnung 1 mit einem Halbleiterschalter 3,der im bevorzugten Ausführungsbeispielein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ist.Ein erster Anschluss S (hier: Source) des Halbleiterschalters 3 ist mitMasse verbunden. Ein Steueranschluss G (hier: Gate) ist mit einemSteuerausgang eines Mikrocontrollers 4 verbunden. Ein zweiterAnschluss D (hier: Drain) ist übereinen Messwiderstand 7 mit einem höheren Potenzial verbunden,wie durch ein Pluszeichen angedeutet ist. Die über den Messwiderstand 7 abfallendeelektrische Spannung wird Eingängeneines Verstärkers 5 zugeführt, derausgestaltet ist, die Spannung zu verstärken und über eine Leitungsverbindungeinem Eingang des Mikrocontrollers 4 zuzuführen. Andem Eingang wird die als analoges Signal vorliegende verstärkte Spannungdigitalisiert, wie durch die Bezeichnung A/D angedeutet ist. Somit stehtdem Mikrocontroller 4 ein Signal zur Verfügung, dasein Maß für den durchden Halbleiterschalter 3 fließenden Schaltstrom ID ist. 1 shows an arrangement 1 with a semiconductor switch 3 which in the preferred embodiment is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). A first terminal S (here: source) of the semiconductor switch 3 is connected to ground. A control terminal G (here: gate) is connected to a control output of a microcontroller 4 connected. A second connection D (here: Drain) is via a measuring resistor 7 associated with a higher potential, as indicated by a plus sign. The over the measuring resistor 7 Falling electrical voltage will be inputs of an amplifier 5 supplied, which is designed to amplify the voltage and via a line connection to an input of the microcontroller 4 supply. At the input, the amplified voltage present as an analog signal is digitized, as indicated by the designation A / D. Thus stands the microcontroller 4 a signal is available, which is a measure of the passing through the semiconductor switch 3 flowing switching current I D is.
    [0030] Derzweite Anschluss D ist übereinen Spannungsteiler mit den Widerständen 9, 11 ebenfallsmit Masse verbunden. Zwischen den Widerständen 9, 11 befindetsich ein Abgriff fürein weiteres analoges Eingangssignal des Mikrocontrollers 4,das wiederum (wie durch A/D angedeutet ist) zur Weiterverarbeitungin dem Mikrocontrollers 4 digitalisiert wird. Somit stehtdem Mikrocontroller 4 ein Messsignal zur Verfügung, dasein Maß für die über dieSchaltanschlüsseD, S abfallende Schaltspannung VDS ist.The second connection D is via a voltage divider with the resistors 9 . 11 also connected to ground. Between the resistances 9 . 11 there is a tap for another analog input signal of the microcontroller 4 , which in turn (as indicated by A / D) for further processing in the microcontroller 4 is digitized. Thus stands the microcontroller 4 a measurement signal available, which is a measure of the voltage drop across the switching terminals D, S switching voltage V DS .
    [0031] EineLast kann bei der in 1 dargestellten Anordnung z.B.zwischen dem ersten Anschluss S und Masse angeordent sein. In diesemFall ist auch der Widerstand 11 über die Last mit Masse verbunden.Alternativ oder zusätzlichkann eine Last zwischen dem Messwiderstand 7 und dem mit „+" bezeichneten höheren Potenzialangeordent sein.A load can be at the in 1 shown arrangement, for example, between the first terminal S and ground angeordent. In this case, too, is the resistance 11 connected to ground via the load. Alternatively or additionally, a load between the measuring resistor 7 and the higher potential labeled "+".
    [0032] DerAufbau des Mikrocontrollers 4 ist in 1 nurauszugsweise und schematisch dargestellt. Er weist außer denbereits beschriebenen Merkmalen Eingänge für äußere Messgrößen (insbesondere eine UmgebungstemperaturTAMB des Halbleiterschalters 3 und/odereine Chiptemperatur TC des Halbleiterschalters 3)und fürSollwerte (insbesondere Sollwerte für die Schaltspannung VDS und für denSchaltstrom ID) des Halbleiterschalter-Betriebes auf.Diese analogen Eingangsgrößen werden,wie durch „A/D" links oben in demMikrocontrollerrahmen in 1 angedeutet ist, für die Weiterverarbeitungin dem Mikrocontroller 4 digitalisiert.The structure of the microcontroller 4 is in 1 only in part and shown schematically. In addition to the features already described, it has inputs for external measured variables (in particular an ambient temperature T AMB of the semiconductor switch 3 and / or a chip temperature T C of the semiconductor switch 3 ) and for setpoints (in particular setpoints for the switching voltage V DS and for the switching current I D ) of the semiconductor switch operation. These analogue inputs become as indicated by "A / D" in the top left corner of the microcontroller frame 1 is indicated for further processing in the microcontroller 4 digitized.
    [0033] Ineinem Datenspeicher 2, der mit dem Mikrocontroller 4 verbundenist, sind alle erforderlichen Informationen abgelegt, um bei gegebenenSollwerten in einem definierten Betriebsbereich, der insbesondereeinen instabilen Betriebsbereich umfasst, Maximalwerte t* für ein Zeitintervallzu berechnen, währenddem der Halbleiterschalter 3 eingeschaltet ist. Auf dieArt der gespeicherten Daten wird noch näher eingegangen.In a data store 2 that with the microcontroller 4 is connected, all necessary information is stored to calculate given values in a defined operating range, which includes in particular an unstable operating range, maximum values t * for a time interval during which the semiconductor switch 3 is turned on. On the nature of the stored data will be discussed in more detail.
    [0034] EineErmittlungseinrichtung 6 zur Ermittlung des Maximalwertesder Zeitintervalllängeist in dem Mikrocontroller 4 vor gesehen. Sie ist mit demDatenspeicher 2 und den Eingängen für die äußere Messgröße(n) und für die Sollwerte verbunden.Weiterhin ist sie mit mit einer Steuereinrichtung 8 zurErzeugung von Steuersignalen füreinen Betrieb des Halbleiterschalters 3 verbunden. DieSteuereinrichtung 8 ist wiederum über einen Digital-/Analogwandler(D/A) mit dem Steuerausgang des Mikrocontrollers 4 verbunden.A detection device 6 for determining the maximum value of the time interval length is in the microcontroller 4 intended. It is with the data store 2 and the inputs for the external measure (s) and for the setpoints. Furthermore, it is with with a control device 8th for generating control signals for operation of the semiconductor switch 3 connected. The control device 8th is again via a digital / analog converter (D / A) to the control output of the microcontroller 4 connected.
    [0035] Indem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidetsich das Zeitintervall, währenddem der Halbleiterschalter 3 eingeschaltet ist, nur unwesentlichvon einer Pulsdauer eines Steuerpulses, der von dem Mikrocontroller 4 andem Steuerausgang ausgegeben wird, um den Halbleiterschalter 3 einzuschaltenund fürdie Dauer des Steuerpulses eingeschaltet zu halten. Die entsprechendeerforderliche Stromstärke,die der Mikrocontroller 4 aufbringen kann, ist ausreichendgroß.In the present embodiment, the time interval during which the semiconductor switch is different differs 3 is switched on, only insignificantly by a pulse duration of a control pulse from the microcontroller 4 is output at the control output to the semiconductor switch 3 turn on and keep it on for the duration of the control pulse. The corresponding required amperage, which is the microcontroller 4 can raise, is sufficiently large.
    [0036] 2 zeigteinen ersten Halbleiterschalter 12 und einen zweiten Halbleiterschalter 14,die einen gemeinsamen Schaltanschluss s (Source) haben. Insbesonderesind die Halbleiterschalter 12, 14 auf einem gemeinsamenChip 16 angeordnet. Bei den Halbleiterschaltern 12, 14 kannes sich wiederum um MOSFET handeln. Durch Verbinden der weiteren Schaltanschlüsse d1 undd2 der Halbleiterschalter 12, 14 würde einemöglicheParallelschaltung der Haltleiterschalter 12, 14 vervollständigt. Jedochist die gezeigte Schaltung dazu ausgestaltet, über die Schaltanschlüsse d1 undd2 sowie überdie dazwischenliegende antiserielle Anordnung der Haltleiterschalter 12, 14 inbeide Richtungen einen abschaltbaren Strom fließen lassen zu können. Für die beiden Halbleiterschalter 12, 14 istjeweils ein Steueranschluss g1, g2 zum Steuern des Betriebes derHalbleiterschalter 12, 14 vorgesehen. Die Steueranschlüsse können mitseparaten Steuereinrichtungen oder mit einer gemeinsamen Steuereinrichtungverbunden sein, die den Betrieb erfindungsgemäß steuert. Auf ein Beispielfür dasentsprechende Verfahren wird späternäher eingegangen,unter Bezugnahme auf 3. 2 shows a first semiconductor switch 12 and a second semiconductor switch 14 which have a common switching connection s (source). In particular, the semiconductor switches 12 . 14 on a common chip 16 arranged. For the semiconductor switches 12 . 14 again, it may be MOSFET. By connecting the further switching terminals d1 and d2 of the semiconductor switches 12 . 14 would a possible parallel connection of the semiconductor switches 12 . 14 completed. However, the circuit shown is configured to have the switch terminals d1 and d2 and the intervening antiserial arrangement of the semiconductor switches 12 . 14 to allow a turn-off current to flow in both directions. For the two semiconductor switches 12 . 14 is in each case a control terminal g1, g2 for controlling the operation of the semiconductor switches 12 . 14 intended. The control connections can be connected to separate control devices or to a common control device which controls the operation according to the invention. An example of the corresponding method will be described later with reference to 3 ,
    [0037] 2 zeigtweiterhin zwei Temperatursensoren 13, 15 zur Bestimmungder Temperatur an zumindest jeweils einer geeigneten Stelle in derUmgebung und/oder am Chip der Halbleiterschalter 12, 14.Auf diese Weise kann währenddes Betriebes der Halbleiterschalter und/oder um bei der Ausführung deserfindungsgemäßen Verfahrensverwendbare Informationen zu gewinnen, die Temperatur gemessen werden. 2 also shows two temperature sensors 13 . 15 for determining the temperature at at least one suitable location in the environment and / or on the chip of the semiconductor switch 12 . 14 , On In this way, during the operation of the semiconductor switches and / or in order to obtain information which can be used in the execution of the method according to the invention, the temperature can be measured.
    [0038] Dieim Folgenden anhand von 3 beschriebene besonders bevorzugteAusführungsform deserfindungsgemäßen Verfahrenskann mit geringen Modifikationen auch für einen einzelnen Halbleiterschalter,z. B. den Halbleiterschalter 3 gemäß 1 ausgeführt werden.In diesem Fall wird die Steuerung z. B. von dem Mikrocontroller 4 ausgeführt. Eswird der daher sowohl auf die 1 als auchauf die 2 Bezug genommen.The following is based on 3 described particularly preferred embodiment of the method according to the invention, with slight modifications for a single semiconductor switch, for. B. the semiconductor switch 3 according to 1 be executed. In this case, the controller z. B. from the microcontroller 4 executed. It will therefore be both on the 1 as well as on the 2 Referenced.
    [0039] Zunächst werdenSollwerte fürden Betrieb des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter vonder Steuereinrichtung eingelesen oder geladen, z. B. Sollwerte für die SchaltspannungVDS und den Schaltstrom ID.Weiterhin wird zumindest ein Wert für eine UmgebungstemperaturTAMB und/oder für eine Chiptemperatur eingelesenoder geladen. Im Fall von mehreren Halbleiterschaltern betrifftder Sollwert für denSchaltstrom ID die Summe der durch die einzelnenparallel geschalteten Halbleiterschalter fließenden Ströme. Im nächsten Schritt wird geprüft, ob bei derKombination der eingelesenen Werte ein Betrieb in einem instabilenoder in einem stabilen Betriebsbereich resultieren wird bzw. würde. Diesist durch die Prüfungin 3 dargestellt, ob durch den Sollwert für die SchaltspannungVDS ein kritischer Wert VDS,krit unterschrittenwird oder nicht.First, setpoints for the operation of the semiconductor switch or the semiconductor switches are read or loaded by the control device, for. B. Setpoints for the switching voltage V DS and the switching current I D. Furthermore, at least one value for an ambient temperature T AMB and / or for a chip temperature is read or loaded. In the case of several semiconductor switches, the setpoint value for the switching current I D relates to the sum of the currents flowing through the individual semiconductor switches connected in parallel. In the next step, it is checked whether the combination of the read-in values will or would result in an operation in an unstable or in a stable operating range. This is through the exam in 3 shown whether the setpoint for the switching voltage V DS, a critical value V DS, crit is exceeded or not.
    [0040] ImFall des stabilen Betriebsbereichs, in dem der Temperaturkoeffizientnegativ ist, also eine Erwärmungdes Halbleiterschalters nicht zu einem Anwachsen sondern Abfallendes Schaltstromes führt, wirdim nächstenSchritt die maximale zulässige PulsdauertMAX des Steuerpulses (siehe oben Beschreibungzu 1) berechnet. Dabei wird auf in einem Datenspeicherabgelegte Informationen zurückgegriffen,beispielsweise auf in dem Datenspeicher 2 gemäß 1 abgelegteInformationen überden stabilen Betriebsbereich. In einem folgenden Schritt wird diePulsdauer tp fürden Betrieb des Halbleiterschalters auf den Maximalwert tMAX gesetzt. Alternativ kann die Pulsdauertp auch auf einen niedrigeren Wert gesetzt werden.In the case of the stable operating range, in which the temperature coefficient is negative, ie heating of the semiconductor switch does not lead to an increase but falling of the switching current, in the next step, the maximum permissible pulse duration t MAX of the control pulse (see description above) 1 ). In this case, information stored in a data memory is used, for example in the data memory 2 according to 1 Stored information about the stable operating range. In a following step, the pulse duration tp for the operation of the semiconductor switch is set to the maximum value t MAX . Alternatively, the pulse duration tp can also be set to a lower value.
    [0041] Nunbeginnt ein Regelungszyklus, der wiederholt durchlaufen wird, bisdie Zeitdauer der Zyklen den Wert tp erreicht hat. Zu Beginn desersten Zyklus wird insbesondere noch das an dem Steueranschlussdes Halbleiterschalters 3 gemäß 1 anliegendeelektrische Potenzial stufenartig erhöht, sodass der Halbleiterschaltereingeschaltet wird. Dies ergibt die (u. U. erste von mehreren) steigendeFlanke des entsprechenden Steuerpulses. Das erforderliche Niveau,um den Halbleiterschalter eingeschaltet zu halten bleibt solange überschritten,bis der letzte Zyklus durchlaufen ist. Am Ende des letzten Zyklus wirddas elektrische Potenzial wieder auf einen niedrigen Wert erniedrigt.Dies ergibt die (insbesondere letzte) fallende Flanke des Steuerpulses.Now begins a control cycle, which will be run through repeatedly until the duration of the cycles has reached the value tp. At the beginning of the first cycle, in particular, that still occurs at the control terminal of the semiconductor switch 3 according to 1 applied electrical potential increases stepwise, so that the semiconductor switch is turned on. This yields the (possibly first of several) rising edge of the corresponding control pulse. The level required to keep the semiconductor switch turned on remains exceeded until the last cycle has passed. At the end of the last cycle, the electrical potential is lowered again to a low value. This yields the (in particular last) falling edge of the control pulse.
    [0042] Injedem Zyklus werden die Istwerte für die zu regelnden Zustandsgrößen SchaltspannungVDS und Schaltstrom ID eingelesen.Danach wird bei einer Abweichung zwischen Sollwerten und Istwerten durchEinstellung der Höhedes an dem Steuereingang des Halbleiterschalters anliegenden Potenzials eineAnpassung der Istwerte vorgenommen.In each cycle, the actual values for the state variables switching voltage V DS and switching current I D are read. Thereafter, in the event of a deviation between setpoint values and actual values, the actual values are adapted by adjusting the height of the potential applied to the control input of the semiconductor switch.
    [0043] Nachdemder letzte Regelzyklus beendet ist, beginnt wieder das Einlesender Sollwerte wie oben beschrieben. Bei der folgenden Überprüfung, obmit den Sollwerten ein Betrieb in dem instabilen Betriebsbereichstattfindet, kann ein zusätzlicherPunkt berücksichtigtwerden: Ist seit dem letzten Abschalten des Halbleiterschaltersausreichend Zeit vergangen, um die bei dem Betrieb des Halbleiterschalterserzeugte Wärmevollständigoder nahezu vollständig abzuführen, kannwie zuvor entschieden werden. Andernfalls muss die Restwärme mitberücksichtigtwerden. Anders ausgedrückt:bei einer höherenTemperatur des Halbleiterschalters kann er nicht so lange eingeschaltetbleiben. Dementsprechend ist bei weiteren Wiederholungen des Einschaltensnicht nur der letzte Schaltzyklus zu berücksichtigen, sondern sind dieAuswirkungen aller vorangegangenen Schaltzyklen (zumindest näherungsweise)zu berücksichtigen. Außerdem werdenvorangegangene Schaltzyklen auch bei der Berechnung der maximalenPulsdauer und/oder beim Setzen der tatsächlichen Pulsdauer berücksichtigt.Dies gilt nicht nur fürden bereits erläutertenZweig (stabiler Betriebszustand) sondern auch für den anderen noch zu erläutertenZweig (instabiler Betriebszustand) in 3.After the last control cycle has ended, the read-in of the setpoints starts again as described above. An additional point can be taken into account in the following check as to whether the nominal values are operating in the unstable operating range: Is sufficient time since the last turn-off of the semiconductor switch to completely or almost completely dissipate the heat generated during the operation of the semiconductor switch, can be decided as before. Otherwise, the residual heat must be taken into account. In other words, at a higher temperature of the semiconductor switch, it can not stay on for so long. Accordingly, not only the last switching cycle is to be considered in further repetitions of switching on, but the effects of all previous switching cycles (at least approximately) must be considered. In addition, previous switching cycles are also taken into account in the calculation of the maximum pulse duration and / or when setting the actual pulse duration. This applies not only to the already explained branch (stable operating state) but also to the other branch to be explained (unstable operating state) in FIG 3 ,
    [0044] Wirdnach dem Einlesen der Sollwerte festgestellt, dass mit den Sollwertenein instabiler Betriebszustand erreicht würde, wird der rechts in 3 dargestellteZweig durchlaufen. Dabei wird der entsprechende Maximalwert derZeitintervalllänge für den instabilenBetriebsbereich ermittelt und ein Wert für die tatsächliche Zeitintervalllänge gesetzt.If, after reading in the setpoints, it is determined that an unstable operating state would be reached with the setpoint values, then the one on the right in 3 go through the illustrated branch. In this case, the corresponding maximum value of the time interval length for the unstable operating range is determined and a value for the actual time interval length is set.
    [0045] Derkonkret in 3 dargestellte rechte Zweigbetrifft eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiterschaltern,wie beispielsweise in 2 dargestellt. Dabei ist einespezielle Variante dargestellt, bei der der maximale Strom ID fürden schwächsten Transistor(im Allgemeinen: der schwächsteHalbleiterschalter) verwendet wird. Jedoch wird in dem folgendenSchaltzyklus nicht der schwächsteTransistor eingeschaltet, sondern der stärkste Transistor. Hierdurchbesteht eine doppelte Sicherheit, dass ein sicherer und zuverlässiger Betriebstattfindet. Zunächstwird der Sollwert des Schaltstromes ID aufden zulässigenmaximalen Stromwert reduziert. Dann wird der Sollwert der SchaltspannungVGS füralle anderen, nicht einzuschaltenden Transistoren auf Null gesetzt.Anschließendwird fürden einzuschaltenden Transistor unter Rückgriff auf die in dem Datenspeichergespeicherten Informationen bzw. Daten der Maximalwert t* der Zeitintervalllänge für das Einschaltenermittelt. Anschließendwird analog wie in dem letzten Schritt vor Beginn des eigentlichen Schaltzyklus,der bereits anhand des linken Zweiges in 3 beschriebenwurde, die Zeitintervalllängetp gesetzt. Anschließendfolgen die einzelnen Teilzyklen der Regelung wie bereits beschrieben.The concrete in 3 shown right branch relates to a plurality of parallel-connected semiconductor switches, such as in 2 shown. In this case, a special variant is shown, in which the maximum current I D for the weakest transistor (in general: the weakest semiconductor switch) is used. However, in the following switching cycle, not the weakest transistor is turned on, but the strongest transistor. This provides a double assurance that safe and reliable operation is taking place. First, the setpoint of the switching current I D on the permissible maximum current value reduced. Then, the target value of the switching voltage V GS is set to zero for all other non-turn-on transistors. Subsequently, the maximum value t * of the time interval length for the turn-on is determined for the transistor to be turned on, using the information or data stored in the data memory. Subsequently, as in the last step before the beginning of the actual switching cycle, which is already based on the left branch in 3 has been described, set the time interval length tp. Subsequently, the individual sub-cycles of the regulation follow as already described.
    [0046] Alternativkann beispielsweise ein beliebiger der parallel geschalteten Halbleiterschalterausgewähltwerden, um als einziger der Halbleiterschalter in dem nun beginnendenSchaltzyklus eingeschaltet zu werden.alternativeFor example, any of the parallel-connected semiconductor switchselectedto be the only one of the semiconductor switches in the now startingSwitching cycle to be turned on.
    [0047] Eswird nun unter Bezugnahme auf 4 ein Beispieldafür beschrieben,wie die fürdie Ermittlung des Maximalwertes der Zeitintervalllänge im instabilenBetriebsbereich erforderlichen Informationen gewonnen werden können undwie daraus der Maximalwert berechnet wird.It will now be referring to 4 an example of how the information required to determine the maximum value of the time interval length in the unstable operating range can be obtained and how the maximum value is calculated therefrom.
    [0048] Zunächst wirdin Schritt S1 bis Schritt S2 der Temperaturkoeffizient des Schaltstromesfür denzu erwartenden Wertebereich der relevanten Zustandsgrößen gemessen.Die Ergebnisse könnendurch Speicherung von einzelnen Werten des Temperaturkoeffizientenund/oder durch Angabe einer analytischen Vorschrift für die weitereVerarbeitung der Information gesichert werden.First, willin step S1 to step S2, the temperature coefficient of the switching currentfor theexpected value range of the relevant state variables.The results canby storing individual values of the temperature coefficientand / or by specifying an analytical rule for the othersProcessing the information.
    [0049] Umden Temperaturkoeffizienten zu messen, wird der Halbleiterschalterwiederholt, periodisch für sehrkurze Zeit eingeschaltet (Schritt S1). Beispielsweise betragen dieentsprechenden Pulslängender Steuerpulse 10 bis 50 Mikrosekunden. Die Pulsperiode wird derartgewählt,dass die auf Grund von Selbsterwärmungdes Halbleiterschalters aus dem vorigen Einschaltzyklus entstandeneWärme bereits vollständig oderannäherndvollständigabgeführt wordenist. Typische geeignete Werte fürdie Zeit zwischen zwei Pulsen liegen bei dem zwei- bis dreifachen derPulslänge.Insbesondere wird währendder Messung die Umgebungstemperatur (z. B. unter Verwendung einesThermostats) konstant gehalten. Die Spannung des Steuerpulses bzw.das Potenzial am Steuereingang des Halbleiterschalters wird jedoch variiert,beispielsweise schrittweise von Puls zu Puls erhöht. Hierdurch wird also auchder Schaltstrom variiert.Aroundto measure the temperature coefficient becomes the semiconductor switchrepeated, periodically for veryshort time turned on (step S1). For example, the amountcorresponding pulse lengthsthe control pulses 10 to 50 microseconds. The pulse period becomes soselectedthat due to self-heatingof the semiconductor switch resulting from the previous power cycleHeat already completely ornearlyCompletelyhas been dissipatedis. Typical suitable values forthe time between two pulses is two to three times thatPulse length.In particular, duringmeasuring the ambient temperature (eg using aThermostats) kept constant. The voltage of the control pulse orhowever, the potential at the control input of the semiconductor switch is varied,For example, gradually increased from pulse to pulse. As a result, so toothe switching current varies.
    [0050] Z.B. durch Bildung des Verhältnissesder Differenzen des Schaltstromes und der gemessenen Temperaturdes Halbleiterschalters (Schritt S2) erhält man den Temperaturkoeffizientenfür denjeweiligen Betriebszustand. Im Ergebnis erhält man den Temperaturkoeffizientenin Abhängigkeitvon dem Schaltstrom und in Abhängigkeitvon der Temperatur und/oder eine analytische Vorschrift.Z.B. by forming the ratiothe differences of the switching current and the measured temperatureof the semiconductor switch (step S2), the temperature coefficient is obtainedfor therespective operating state. The result is the temperature coefficientdependent onfrom the switching current and in dependencefrom the temperature and / or an analytical rule.
    [0051] Insbesondereunter Verwendung eines thermischen Modells, wie es in der Veröffentlichung „On theModeling of the Transient Thermal Behavior of Semiconductor Devices" von Niccolo Rinaldi,IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 12, December2001 auf Seiten 2796 bis 2802 beschrieben ist, kann nun bei bekanntenWerten fürden Schaltstrom, die Schaltspannung und die Temperatur der jeweiligeMaximalwert der Zeitintervalllängeermittelt werden.Especiallyusing a thermal model as described in the publication "On theModeling of the Transient Thermal Behavior of Semiconductor Devices "by Niccolo Rinaldi,IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, no. 12, December2001 on pages 2796 to 2802 can now be knownValues forthe switching current, the switching voltage and the temperature of the respectiveMaximum value of the time interval lengthbe determined.
    [0052] Beispielsweiseresultiert aus dem Modell, das in der zitierten Veröffentlichungbeschrieben ist, eine thermische Impedanz Zth alsFunktion der Zeitintervalllänge(Schritt S3). Das Modell führtzu folgender Bestimmungsgleichung: Zth(t)·UDS·α(T, ID) = 1wobei α(T,ID)der von der Temperatur T und dem Schaltstrom ID abhängige Temperaturkoeffizientist und wobei VDS die Schaltspannung ist.Dabei wurde das Kriterium fürden Übergangspunktvon dem stabilen zu dem instabilen Betriebsbereich angewendet. Diesbedeutet, dass der resultierende Wert t der Zeitintervalllänge (imGültigkeitsbereichund bei Richtigkeit des Modells) der für einen sicheren Betrieb maximalzulässigeWert ist. In 4 ist durch Schritt S4 symbolisiert,dass der Sollwert bzw. vorgegebene Wert für die Schaltspannung VDS einer Berechnung gemäß der Bestimmungsgleichung(Schritt S5) zugeführtwird.For example, from the model described in the cited publication, a thermal impedance Z th results as a function of the time interval length (step S3). The model leads to the following equation of determination: Z th (T) * U DS · Α (T, I D ) = 1 where α (T, I D ) is the temperature coefficient dependent on the temperature T and the switching current I D and where V DS is the switching voltage. The criterion for the transition point was applied from the stable to the unstable operating range. This means that the resulting value t of the time interval length (in the range of validity and correctness of the model) is the maximum permissible value for safe operation. In 4 is symbolized by step S4 that the target value or predetermined value for the switching voltage V DS of a calculation in accordance with the determination equation (step S5) is supplied.
    [0053] Dieauf diese Weise erhaltenen Informationen können in dem Datenspeicher,insbesondere in dem Datenspeicher 2 gemäß 1 auf verschiedeneWeise abgelegt werden. Beispielsweise sind alle erforderlichen Wertefür denTemperaturkoeffizienten als Funktion der Schaltspannung und derTemperatur in dem Datenspeicher abgelegt. Weiterhin kann die Ermittlungseinrichtungderart ausgestaltet sein und/oder programmiert sein, dass sie diein dem Datenspeicher 2 gespeicherten Informationen undweitere Eingangsgrößen (insbesonderedie Schaltspannung VDS) entsprechend demModell fürdie thermische Impedanz und/oder entsprechend der oben angegebenenBestimmungsgleichung fürden Maximalwert der Zeitintervalllänge auswerten kann. Es sind jedochauch andere Ausgestaltungen möglich,bei denen weitere Informationen in dem Datenspeicher abgespeichertsind (beispielsweise Parameter von analytischen oder numerischenVorschriften zur Berechnung des Maximalwertes). Auch kann die Ermittlungseinrichtungausgestaltet und/oder programmiert sein, den Maximalwert gemäß diesenVorschriften zu berechnen.The information obtained in this way can be stored in the data memory, in particular in the data memory 2 according to 1 be stored in various ways. For example, all required values for the temperature coefficient as a function of the switching voltage and the temperature are stored in the data memory. Furthermore, the determination device can be configured and / or programmed such that it can be stored in the data memory 2 stored information and other input variables (in particular the switching voltage V DS ) according to the model for the thermal impedance and / or according to the above-mentioned equation of determination for the maximum value of the time interval length can evaluate. However, other embodiments are possible in which further information is stored in the data memory (for example, parameters of analytical or numerical rules for calculating the maximum value). The determination device can also be designed and / or programmed to the maximum value according to these regulations to calculate.
    权利要求:
    Claims (16)
    [1]
    Verfahren zur Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschalters(3) in einem instabilen Betriebsbereich, in dem ein durchden Halbleiterschalter (3) fließender elektrischer Strom zumindestTeile des Halbleiterschalters (3) erwärmt und in dem eine Erwärmung desHalbleiterschalters (3) zu einer Zunahme des elektrischenStroms führt, – für einenBetrieb in dem instabilen Betriebsbereich eine Zeitintervalllänge einesZeitintervalls, während demder Halbleiterschalter (3) eingeschaltet ist und/oder während demein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters (3)und zum Halten des Halbleiterschalters (3) in eingeschaltetemZustand an einem Steuereingang (G) des Halbleiterschalters anliegt,auf einen Maximalwert begrenzt wird und – der Maximalwert abhängig vonzumindest einer, einen Betriebszustand des Halbleiterschalters (3)charakterisierenden Zustandsgröße ermitteltwird.Method for controlling an operation of a semiconductor switch ( 3 ) in an unstable operating range in which a through the semiconductor switch ( 3 ) flowing electrical current at least parts of the semiconductor switch ( 3 ) and in which a heating of the semiconductor switch ( 3 ) leads to an increase in the electrical current, for operation in the unstable operating range, a time interval length of a time interval during which the semiconductor switch (FIG. 3 ) is turned on and / or during which a control signal for turning on the semiconductor switch ( 3 ) and for holding the semiconductor switch ( 3 ) is present in the switched-on state at a control input (G) of the semiconductor switch, is limited to a maximum value and - the maximum value depends on at least one, an operating state of the semiconductor switch ( 3 ) characterizing state variable is determined.
    [2]
    Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zustandsgrößen eine über denHalbleiterschalter (3) abfallende elektrische Spannung,einen durch den Halbleiterschalter (3) fließenden elektrischenStrom und/oder eine Umgebungstemperatur des Halbleiterschalters(3) aufweisen.Method according to claim 1, wherein the state variables are transmitted via the semiconductor switch ( 3 ) falling voltage, one through the semiconductor switch ( 3 ) flowing electric current and / or an ambient temperature of the semiconductor switch ( 3 ) exhibit.
    [3]
    Verfahren nach Anspruch 2, wobei jeweils ein Sollwertfür dieelektrische Spannung und den elektrischen Strom vorgegeben wirdoder vorgegeben ist, wobei der Maximalwert abhängig von den Sollwerten ermitteltwird und wo bei der Betrieb des Halbleiterschalters (3)unter Berücksichtigungdes Maximalwerts derart gesteuert oder geregelt wird, dass bei eingeschaltetemHalbleiterschalter (3) die Sollwerte erreicht werden.A method according to claim 2, wherein in each case a desired value for the electrical voltage and the electric current is predetermined or predetermined, wherein the maximum value is determined depending on the desired values and where in the operation of the semiconductor switch ( 3 ) is controlled or regulated taking into account the maximum value such that when the semiconductor switch ( 3 ) the nominal values are reached.
    [4]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeider Maximalwert fürzumindest einen Teil des instabilen Betriebsbereichs in Abhängigkeitvon der zumindest einen Zustandsgröße ermittelt wird und/oderDaten gespeichert werden, aus denen der Maximalwert in Abhängigkeitvon den Zustandsgrößen abrufbarist.Method according to one of the preceding claims, whereinthe maximum value forat least part of the unstable operating range depending onis determined by the at least one state variable and / orData are stored, which make up the maximum value in dependencefrom the state variables availableis.
    [5]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeider Maximalwert einem sicheren Betriebsbereich (SOA) in dem instabilenBetriebsbereich entspricht, wobei in dem sicheren Betriebsbereichein zerstörungsfreierund zuverlässigerBetrieb des Halbleiterschalters (3) möglich ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the maximum value corresponds to a safe operating range (SOA) in the unstable operating range, wherein in the safe operating range a non-destructive and reliable operation of the semiconductor switch ( 3 ) is possible.
    [6]
    Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobeider Maximalwert in Abhängigkeitvon einem Temperaturkoeffizienten, der eine Erwärmung des Halbleiterschalters(3) oder eines Teils des Halbleiterschalters (3)beim Betrieb im instabilen Betriebsbereich charakterisiert, ermitteltwird.Method according to the preceding claim, wherein the maximum value as a function of a temperature coefficient, the heating of the semiconductor switch ( 3 ) or a part of the semiconductor switch ( 3 ) is characterized during operation in the unstable operating range, is determined.
    [7]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeiunter Berücksichtigungeines Sollwertes der zumindest einen Zustandsgröße ermittelt wird, ob ein entsprechenderBetrieb des Halbleiterschalters (3) in dem instabilen Betriebsbereichliegt.Method according to one of the preceding claims, wherein, taking into account a setpoint value of the at least one state variable, it is determined whether a corresponding operation of the semiconductor switch ( 3 ) is in the unstable operating range.
    [8]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeizwei oder mehrere der Halbleiterschalter parallel geschaltet sind,wobei festgestellt wird oder bekannt ist, welcher oder welche derHalbleiterschalter währendeines Betriebes in dem instabilen Betriebsbereich einen größeren oderkleineren maximalen Strom führenkann bzw. könnenals zumindest ein anderer der parallel geschalteten Halbleiterschalter,und wobei der maximale Strom unter Berücksichtigung des Maximalwertesder Zeitintervalllängeeinen sicheren Betrieb des jeweiligen Halbleiterschalters ermöglicht.Method according to one of the preceding claims, whereintwo or more of the semiconductor switches are connected in parallel,wherein it is determined or known which or which ofSemiconductor switch duringan operation in the unstable operating range of a larger orlower maximum currentcan or canas at least one other of the parallel-connected semiconductor switches,and wherein the maximum current taking into account the maximum valuethe time interval lengthenables safe operation of the respective semiconductor switch.
    [9]
    Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobeiwährenddes Betriebes in dem instabilen Betriebszustand lediglich einerder Halbleiterschalter (12) für einen Betrieb ausgewählt wirdoder, falls eine Mehrzahl der Halbleiterschalter in dem instabilenBetriebsbereich einen gleich großen maximalen Strom führen kann,lediglich diese Mehrzahl der Halbleiterschalter für einenBetrieb ausgewählt wirdund wobei der Maximalwert der Zeitintervalllänge unter Berücksichtigungdes oder der fürden Betrieb ausgewähltenHalbleiterschalter (12) ermittelt wird.Method according to the preceding claim, wherein during operation in the unstable operating state only one of the semiconductor switches ( 12 ) is selected for operation, or if a plurality of the semiconductor switches in the unstable operating region can carry the same maximum current, only said plurality of semiconductor switches are selected for operation, and wherein the maximum value of the time interval length is selected in consideration of the one or more selected for operation Semiconductor switch ( 12 ) is determined.
    [10]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeider Halbleiterschalter (3) in einem elektrischen Bordnetzeines Kraftfahrzeuges verwendet wird, um einen elektrischen Stromund/oder eine elektrische Leistung zwischen verschiedenen Energiespeichernund/oder Lasten in dem Bordnetz zu steuern.Method according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor switch ( 3 ) is used in an electrical system of a motor vehicle to control an electric current and / or an electric power between different energy stores and / or loads in the electrical system.
    [11]
    Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeiein Pulssignal erzeugt wird, dessen Pulsdauer dem ermittelten Maximalwertentspricht.Method according to one of the preceding claims, whereina pulse signal is generated, the pulse duration of the determined maximum valueequivalent.
    [12]
    Anordnung (1) zur Steuerung eines Betriebes einesHalbleiterschalters (3) in einem instabilen Betriebsbereich,in dem ein durch den Halbleiterschalter (3) fließender elektrischerStrom zumindest Teile des Halbleiterschalters (3) erwärmt undin dem eine Erwärmungdes Halbleiterschalters (3) zu einer Zunahme des elektrischenStroms führt,und wobei die Anordnung aufweist: – eine Steuereinrichtung (8)zur Erzeugung von Steuersignalen für einen Betrieb des Halbleiterschalters (3)und – eineErmittlungseinrichtung (6) zur Ermittlung eines Maximalwerts,wobei der Maximalwert in dem instabilen Betriebsbereich eine Zeitintervalllänge eines Zeitintervalls,währenddem der Halbleiterschalter (3) eingeschaltet ist und/oderwährenddem ein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters (3) undzum Halten des Halbleiterschalters (3) in eingeschaltetemZustand an einem Steuereingang (G) des Halbleiterschalters (3)anliegt, begrenzt, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltetist, den Betrieb des Halbleiterschalters (3) über dieSteuersignale so zu steuern, dass der Maximalwert in dem instabilenBetriebsbereich nicht überschrittenwird.Arrangement ( 1 ) for controlling an operation of a semiconductor switch ( 3 ) in an unstable operating range in which a through the semiconductor switch ( 3 ) flowing electrical current at least parts of the semiconductor switch ( 3 ) and in which a heating of the semiconductor switch ( 3 ) leads to an increase of the electric current, and wherein the arrangement comprises: - a control device ( 8th ) for generating control signals for operation of the semiconductor switch ( 3 ) and - a determination device ( 6 ) for the determination of a Maximum value, wherein the maximum value in the unstable operating range is a time interval length of a time interval during which the semiconductor switch ( 3 ) is turned on and / or during which a control signal for turning on the semiconductor switch ( 3 ) and for holding the semiconductor switch ( 3 ) in the switched-on state at a control input (G) of the semiconductor switch ( 3 ) is limited, wherein the control device is designed, the operation of the semiconductor switch ( 3 ) via the control signals so that the maximum value in the unstable operating range is not exceeded.
    [13]
    Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, diean den zu steuernden Halbleiterschalter (3) angeschlossenist.Arrangement according to the preceding claim, which is connected to the semiconductor switch ( 3 ) connected.
    [14]
    Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeidie Steuereinrichtung (8) und die Ermittlungseinrichtung(6) in einem gemeinsamen Mikrocontroller (4) integriertsind.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the control device ( 8th ) and the investigator ( 6 ) in a common microcontroller ( 4 ) are integrated.
    [15]
    Datenspeicher (2), insbesondere digitaler Datenspeicher,mit gespeicherten Daten zur Ausführungdes Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder zum Betriebder Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeidie gespeicherten Daten dem Halbleiterschalter (3) odereinzelnen Halbleiterschaltern zugeordnete Informationen darüber aufweisen,die eine Ermittlung des Maximalwerts der Zeitintervalllänge für einenBetrieb des Halbleiterschalters (3) oder der Halbleiterschalterin dem instabilen Betriebsbereich ermöglichen, wobei optional zusätzlicheInformationen über äußere Einflüsse undWechselwirkungen währenddes Betriebes, wie z. B. eine Umgebungstemperatur des Halbleiterschalters(3), zusätzlicherforderlich sein können.Data storage ( 2 ), in particular digital data memory, with stored data for carrying out the method according to one of claims 1 to 11 and / or for operating the arrangement according to one of the preceding claims, wherein the stored data is supplied to the semiconductor switch ( 3 ) or individual semiconductor switches associated therewith information, which is a determination of the maximum value of the time interval length for an operation of the semiconductor switch ( 3 ) or enable the semiconductor switch in the unstable operating range, optionally with additional information about external influences and interactions during operation, such. B. an ambient temperature of the semiconductor switch ( 3 ), may be required in addition.
    [16]
    Datenspeicher nach Anspruch 15, wobei der Datenspeicher(2) mit der Ermittlungseinrichtung (6) der Anordnung(1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 verbunden ist.The data memory of claim 15, wherein the data store ( 2 ) with the investigator ( 6 ) of the arrangement ( 1 ) is connected according to one of claims 11 to 13.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004020273B4|2008-11-27|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-17| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2008-08-07| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
    2009-05-28| 8364| No opposition during term of opposition|
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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