用于选择在功率半导体中的断开过程的断开速度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于选择在功率半导体中的断开过程的断开速度的方法、一种计算单元和一种用于执行该方法的驱控装置、一种具有在其直流电压中间电路上布置的功率半导体的变流器以及一种具有由该变流器驱动的电机的电动或者混动车辆。
【背景技术】
[0002]在例如适合应用在电动或者混动车辆中用于运行电机的变流器中的电功率损失主要通过其功率半导体或者功率半导体模块产生或者确定。除了应用的功率半导体类型之夕卜，经常使用IGBTs (绝缘栅双极型晶体管)，栅极驱控方法对电功率损失有决定性的影响，并且因此对变流器的效率有决定性的影响。对功率半导体的开关特性的进一步观察指出，在功率半导体的开关过程中，功率半导体中的相应断开过程的相对长的持续时间也常会产生电损失的不期望的高份额。
[0003]在断开过程时，功率半导体的在导通状态时穿过其流动的集电极电流取决于其通过集电极电流Ie对时间t的导数dle/dt获得的电流斜率(Stromsteilheit)而变小，直至其占据近似为零的值。集电极电流的较小的漏电流也许可以进一步流动。集电极电流的电流斜率，也就是集电极电流的前沿的斜率还作为用于断开速度的虚拟参量存在，该断开速度一同确定了用于半导体开关的断开过程的持续时间。其能够通过对功率半导体的栅极驱控来控制。视断开速度而定，集电极-发射极电压取决于存在于直流电压回路上的电感L (也作为换向电路的电感所已知)上升超出在直流电压中间电路上施加的直流电压，其中，由此获得的集电极-发射极断开过压AVce根据以下公式得出:
[0004]Δ Vce= L*dl c/dt。
[0005]对于功率半导体来说，尤其在此考虑的IGBT来说，相应地由制造商给出最大的集电极-发射极截止电压，在超过该电压时会出现功率半导体的损毁。经常也被称为额定截止电压的该最大集电极-发射极截止电压通常在功率半导体的+25°C阻挡层温度时在制造商的数据手册中给出。此外，相关于功率半导体的阻挡层温度主要涉及的是功率半导体的温度或者在多个功率半导体上的温度。功率半导体必须因此这样地使用和运行，即在直流电压中间电路上出现的、在功率半导体的断开过程期间还加载有集电极-发射极断开过压的直流电压VDe不超过最大集电极-发射极截止电压Vras，这通过以下公式来描述:
[0006]Vces〉Vdc+ A Vce ο
[0007]因此，也许尤其是集电极电流的电流斜率在功率半导体的运行期间根据在直流电压中间电路上的直流电压的相应的值来进行限制，从而保持用于断开功率半导体的指出的条件。该条件因此具有对功率半导体的断开过程的持续时间对于其许多应用情况而言的不可忽视的影响。
[0008]至今而知，功率半导体开关的稳固的布置这样地实现，即在功率半导体上出现的最大集电极-发射极电压对于在直流电压中间电路上的最大直流电压时和在最大电流时(也就是通过功率半导体的集电极电流)的断开过程而言，必须保持由制造商给定的最大集电极-发射极截止电压。
[0009]对于在直流电压中间电路上以较高的电压运行的IGBTs而言，最大集电极-发射极截止电压例如为在+25°C的环境温度时的650V。
[0010]如果现在计划例如在用于驱动电动车辆或者混动车辆的变流器中使用这种类型的功率半导体，那么功率半导体多数情况下也必须设计用于负温度。最大集电极-发射极截止电压根据制造商的规定例如在-40°C的温度时为605V。该现在对于功率半导体的截止能力减小的、首先在较低的温度时适用在功率半导体的使用能力的边界上的集电极-发射极电压经常由使用者在总体上在整个温度范围上确定。
[0011]由EP 2 733 849 Al公开了一种用于运行IGBT的方法，IGBT通过中间电路耦联至能量源。IGBTs以相应的断开速度的断开的特征在于检测中间电路中的电压被根据该电压控制断开速度。此外提出了控制装置，其具有用于检测中间电路中的电压的检测装置，其中控制装置设计用于根据该电压控制断开速度。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提出一种选择在功率半导体中的断开过程的断开速度的方法以及一种适合于此的计算单元和驱控装置，借助其降低断开过程时的电开关损失，并且改善用于设定功率半导体的断开过程的已知方法和装置。
[0013]该目的通过一种方法实现。
[0014]该目的进一步通过一种计算单元、通过一种计算机程序和一种计算机程序产品实现。
[0015]该目的进一步通过一种驱控装置实现。
[0016]该目的进一步通过一种变流器以及具有变流器和一种电机的电动或者混动车辆实现。
[0017]本发明基于这样的认识，即功率半导体在运行情况中并且视应用领域而定所暴露的环境温度以不可忽视的形式对功率半导体上的温度(阻挡层温度)产生影响，这又能够对功率半导体的断开速度、对断开过程的持续时间以及对由功率半导体产生的电损失造成影响。基于在较低温度时根据功率半导体制造商减小的最大集电极-发射极截止电压，至今为止为了安全地使用功率半导体而做出这样的决定，即总体上仅仅使用用于设定断开速度的集电极-发射极电压作为最大集电极-发射极截止电压，该电压根据制造商的数据手册与相应最低的温度关联。对此的实例已经描述。
[0018]如果接受这样的限制，那么在运行情况中实际在功率半导体上或者中出现的尤其是较低的温度仅仅对用于功率半导体的断开过程的断开速度的确定有很小的影响。在至今为止已知的设计方案中也许仅仅考虑在功率半导体的运行期间检测到的、用于驱控断开过程的直流电压中间电路上的直流电压。
[0019]具有根据测定和确定断开过程的断开速度在功率半导体的运行期间变化的温度的、特别是结合在直流电压中间电路出的变化的直流电压的电平不在或者仅仅受限地使用。这导致，即不能识别出功率半导体的特定的工作点是否也许允许可能比指出的至今为止的解决方案更快速的开关速度。用于功率半导体的特定工作点的较快速的断开速度对降低断开过程的持续时间有帮助，并且因此也能够避免对功率半导体或者另外涉及的组件的费用昂贵的过尺寸设计。
[0020]现在，为了实现该目的提出了一种取决于温度地选择用于功率半导体中的断开过程的断开速度的方法，该功率半导体布置在变流器的直流电压中间电路上，其中，直流电压中间电路的直流电压通过电压检测装置检测到，通过第一比较与基准直流电压进行比较，并且提供直流电压比较结果，至少一个功率半导体的温度、尤其是阻挡层的温度通过温度检测装置检测到，通过第二比较与基准温度比较并且提供温度比较结果，并且取决于直流电压比较结果与温度比较结果的组合可能性，从多个断开速度中找到断开速度的选择以及提供新测定的断开速度。
[0021]利用该方法示出了这样的可能性，即当在运行情况中分别测定的在功率半导体中或者上的温度被作为用于选择断开开关过程的断开速度的条件一同获得时，在断开功率半导体时、尤其是在断开IGBTs时出现的电损失能够被进一步地减小。设置用于所有运行点的、对集电极-发射极电压的总体限制:该集电极-发射极电压在较低温度时规定为最大集电极-发射极截止电压并且由功率半导体的制造商相应地记载在数据手册中，不再是强制性必需的。
[0022]尤其识别出，即利用由直流中间电路的检测到的直流电压与基准直流电压的第一比较和由功率半导体的检测到的温度与基准温度的第二比较的组合可能性，能够精细地设计用于功率半导体的特定运行点的断开速度的选择，并因此能够针对目的和针对应用地降低在断开过程时的电损失。
[0023]例如由此出发，即对于选择新测定的断开速度所需的那些断开速度的数量能够通过直流电压比较结果与温度比较结果的组合可能性的数量确定。然而条件是，仅仅各一个基准直流电压设置用于第一比较和仅仅各一个基准温度设置用于第二比较。如果另外的温度基准和/或直流电压基准被引入用于附加需要的比较，那么这提高了组合可能性的数量并进而也提高了也许待提前的断开速度的数量。其结果是能够相应精细地控制功率半导体的断开特性。
[0024]当在运行情况下从与使用相关的角度看能够识别出多个组合可能性时，其中断开速度可以是相同的并且其这样确定时，能够为新测定的断开速度指定一个统一的值。
[0025]在方法的第一优选设计方案中，通过第三比较对新测定的断开速度与至今的断开速度进行比较并且提供断开速度比较结果，通过断开速度比较结果，在新测定的断开速度与至今的断开速度不同的情况中，触发至新测定的断开速度的转换。
[0026]在方法的一个设计方案中允许合理化地切换断开速度，因此将当前的断开速度切换到测定的断开速度上被监控地触发。也可以使用在切换之前的比较，以定义用于切换的另外的条件。当借助另外的条件识别出在连接至功率半导体的电机的热或者电过载时，对于无干扰的运行来说，不仅仅是功率半导体需要例如触发至合适的断开速度的切换。
[0027]在方法的另外的优选的设计方案中，借助选择确定第一断开速度为新测定的断开速度，当在温度比较结果与直流电压比较结果的组合可能性之一时由温度检测装置检测到的温度小于基准温度并且由电压检测装置检测到直流电压大于基准直流电压时，新测定的断开速度尤其适用于非常缓慢的断开速度。
[0028]当功率半导体的检测到的_40°C的温度明显小于定义的0°C基准温度，但是同时在直流电压中间电路上检测到的450V电压明显超过定义的400V基准直流电压时，相关于至少一个具体的、针对应用的运行点的第一断开速度例如设计为非常缓慢的断开速度。因此在该实例中，仅仅为功率半导体上的集电极-发射极断开过压提供了很小的空间，以便不超过由制造商设定的最大集电极-发射极截止电压。因此，该非常缓慢的断开速度应该为处于功率半导体的边界区域中的运行点确保安全的断开过程。
[0029]在方法的另一个优选的设计方案中，通过如下措施形成第一栅极断开信号:当通过选择将第一断开速度确定为新测定的断开速度时，第三栅极断开串联电阻借助于能通过脉冲的栅极驱控信号驱控的栅极半导体电连接在功率半导体的栅极的上游。
[0030]用于功率半导体的断开过程的断开速度基本上通过功率半导体的集电极电流的电流斜率来确定。通过将相应地设计的栅极前置电连接取决于新测定的开关速度电激活或者去激活能控制集电极电流的该电流斜率，其中该栅极前置电连接尤其由一个或者多个栅极断开串联电阻构成并且与功率半导体的栅极电连接。该描述如其进一步根据本发明教导的一样适用于所有栅极前置电连接。
[0031]能利用本方法的该设计方案激活的第三栅极断开串联电阻必须由使用者相关于第一断开速度这样地设计，即能够实现设置用于该组合可能性的断开过程持续时间。
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