用于控制并联的功率半导体开关的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于控制并联的功率半导体开关的方法和控制设备。本发明还涉及一种具有该控制设备的电系统、一种用于执行该方法的计算机程序、以及一种电子存储介质。

背景技术：

为了运行电驱动装置通常使用逆变器，该逆变器将直流电压源、例如电池中的电能转化为交流电压，以便给电机、例如异步电机供应交流电压或交流电流。对此，逆变器具有所谓的半桥。所述半桥具有功率半导体开关，借助所述功率半导体开关，直流电流和直流电压按时序地开关，使得在逆变器的输出端子上形成交流电压和交流电流。对于这些功率半导体开关预先给定电流上限，在超过所述电流上限的情况下不可逆地损坏功率半导体开关。如果现在需要更高的电流来运行电驱动装置，则这些功率半导体开关因此在逆变器中并联。然而，由于部件公差，功率半导体开关即使在并联运行的情况下也不同强地负载，因为功率半导体开关不是同时接通并且因此功率半导体开关中的一个可能比另外的更早地接通。最快并且最灵敏开关的功率半导体开关因此承担接通、切断和电流传导损耗的较大部分。因此，开关之间的通过电流不同地分配到功率半导体开关上。个别功率半导体开关比另外的更强地热负载，更快地老化并且因此更快地失效。因此，最大的负载电流必要时通过个别功率半导体开关的热电容，而不通过其总的导电性能来确定。

除了各个并联的功率半导体开关的不同的开关时间点之外，在控制中还应该考虑控制信号的运行时间差别。用于在控制并联的功率半导体开关中最小化控制信号的运行时间差别的方法从wo2011/120728a2中已知。

因此，存在用于运行并联的功率半导体开关的需求，以便开发进一步的解决方案，所述解决方案能够实现并联的功率半导体开关的均匀负载。因此防止：个别功率半导体开关过载并且过早失效。因此也提高总系统的鲁棒性，在该总系统中运行并联的功率半导体开关。

技术实现要素：

提供一种用于控制至少两个并联的功率半导体开关来开关总电流的方法。至少两个并联的功率半导体开关分别具有用于控制相应的功率半导体开关的栅端子。该方法具有以下步骤：提供用于供给总电流的输入端子，提供用于排出总电流的输出端子和提供用于接受共同的控制信号的共同的控制端子。控制信号具有状态：断开或闭合。至少两个并联的功率半导体开关在输入侧与输入端子连接并且在输出侧与输出端子连接。

在另外的步骤中提供至少一个确定单元，该确定单元在输入侧接收共同的控制信号并且根据用于控制至少两个功率半导体开关的共同的控制信号来确定至少两个单独控制信号并且在输出侧将至少两个所确定的单独控制信号输出到至少两个功率半导体开关的相应的栅端子。至少两个单独控制信号分别具有状态断开或闭合并且根据本发明至少有时不同，特别是在共同的控制信号具有状态闭合期间。

因此，该方法用于控制并联的功率半导体开关来特别是按时序地开关总电流。作为功率半导体开关可以使用具有绝缘栅的双极型晶体管（igbt）、场效应晶体管、如mosfet或其他常见的功率半导体开关。功率半导体开关通常具有栅端子。根据栅端子上的电位来开关功率半导体，该功率半导体建立输入端子和输出端子之间的电连接，于是功率半导体开关是闭合的并且处于状态闭合中。或者功率半导体开关将输入端子和输出端子彼此电分离，于是功率半导体开关是断开的并且处于状态断开中。此外设置确定单元，该确定单元在输入侧接收用于控制至少两个并联的功率半导体开关的共同的控制信号。该共同的控制信号具有状态：断开或闭合。借助功率半导体开关应该相应地分离或建立输入端子和输出端子之间的电连接。对此，确定单元在输出侧输出至少两个单独控制信号，所述单独控制信号引起在可预先给定的、特别是不同时间点的至少两个功率半导体开关的控制。对此，单独控制信号同样具有状态：断开或闭合。所述状态由借助单独控制信号来控制的功率半导体开关来实现。至少两个单独控制信号由确定单元根据共同的控制信号来确定，使得所述至少两个单独控制信号至少有时不同。因此实现各个并联的功率半导体的至少部分单独的控制和至少部分单独的开关。并联的功率半导体至少部分地根据共同的控制信号不在共同的时间点开关，而是在不同的相继的时间点开关。特别是在共同的控制信号具有状态闭合的时间段中进行单独的开关。这是可以的，因为一个闭合的功率半导体开关已经足以根据共同的控制信号的状态闭合在输入端子和输出端子之间实现电连接。为了根据共同的控制信号的状态断开来实现输入端子和输出端子之间的电分离，特别是需要断开所有并联的功率半导体开关。

有利地，因此提供一种方法，该方法能够实现并联的功率半导体开关有意地在不同时间点接通。因此能够实现：接通、切断和电流传导损耗不任意地分配到并联的功率半导体开关中的一个或少量几个上，而是通过不同功率半导体开关的彼此无关的控制、例如通过交替控制有针对性地并且必要时均匀地分配到并联的功率半导体开关上。特别是可以通过选择和变换首先闭合或断开的功率半导体来将接通和切断损耗有针对性地分配到个别功率半导体上。通过单独控制信号的状态、特别是状态闭合的持续时间的改变可以改变电流传导损耗。因此实现一种方法，该方法能够实现功率在并联的功率半导体开关运行时到其上的更均匀的分配，即使所述功率半导体开关由于其部件公差或其不同的尺寸而对控制信号不同快速和灵敏地反应。因此能够在最佳充分利用所有功率半导体开关的有效功率的情况下在没有功率半导体开关的个别过载的情况下实现例如由不同批次或晶片或不同结构大小或功率构成的功率半导体开关的并联的运行。

在本发明的一种设计方案中，根据控制信号来确定单独控制信号，使得在控制信号具有状态闭合期间所述单独控制信号中的至少一个第一单独控制信号具有状态断开。并且特别是所述单独控制信号中的至少一个第二单独控制信号具有状态闭合。

这意味着，根据具有状态闭合的控制信号，并非所有功率半导体开关并行控制并且闭合，而是所述单独控制信号中的至少一个第一单独控制信号具有状态断开并且例如仅仅一个单独控制信号具有状态闭合。总电流因此并非流经所有功率半导体开关并且因此也不均匀地分配到所有功率半导体开关上，而是有针对性地通过所述功率半导体开关中的一个或一个子集来引导。有利地，接通、切断和电流传导损耗也在该情况下有针对性地出现在功率半导体开关中的所述一个或所述子集上。

在本发明的另一种设计方案中，根据控制信号来确定单独控制信号，使得在控制信号具有状态断开期间所有单独控制信号具有状态断开并且在控制信号随后具有状态闭合期间至少一个第二单独控制信号具有状态断开。并且特别是所述单独控制信号中的至少一个第一单独控制信号具有状态闭合。

这意味着，在共同的控制信号的状态断开中，所有单独控制信号同样具有状态断开并且因此所有并联的功率半导体开关断开。在共同的控制信号的重新的状态闭合中，有针对性地至少一个第二单独控制信号具有状态断开，使得现在至少一个第二功率半导体开关保持断开并且不负载。总电流特别是因为单独控制信号中的至少一个第一单独控制信号具有状态闭合所以至少部分地通过至少第一功率半导体开关或功率半导体开关的另外的子集而从输入端子引导至输出端子。

因此有利地实现，接通、切断和电流传导损耗不总是由功率半导体开关中的同一功率半导体开关或同一子集来承担，而是分配到并联的功率半导体开关的不同的功率半导体开关上，在理想情况下均匀地分配到并联的功率半导体开关的所有的上。

在本发明的另一种设计方案中，根据控制信号来确定单独控制信号，使得在控制信号的相继的状态闭合中交替不同的单独控制信号交换地具有状态断开。或者特别是在控制信号的相继的状态闭合中交替不同的单独控制信号交换地具有状态闭合。交替的单独控制信号的选择在此特别是随机地或按照固定的顺序进行。

这意味着，确定单独控制信号，使得总是单独控制信号中的至少一个具有状态断开，所述至少一个不是在共同的控制信号的紧接之前存在的状态闭合中就已经具有状态断开。特别是确定单独控制信号，使得总是单独控制信号中的至少一个具有状态闭合，所述至少一个不是在共同的控制信号的紧接之前存在的状态闭合中就已经具有状态闭合。通过在选择交替的单独控制信号中预先给定顺序，实现功率半导体开关的特别均匀的负载。

因此有利地保证，并联的功率半导体开关的所有功率半导体开关均匀地负载。

在本发明的另一种设计方案中，确定功率半导体开关的负载并且根据待控制的功率半导体开关的相应负载来确定用于控制功率半导体开关的单独控制信号。

这意味着，并联的功率半导体开关的相应功率半导体开关或子集的负载被检测并且在确定单独控制信号时被考虑。通过以下方式确定并联的功率半导体开关的与单独控制信号连接的功率半导体开关或子集的负载，即例如确定功率半导体开关的温度的绝对值或例如还有走向。同样也可以借助检测在开关和在运行功率半导体开关时出现的损耗功率来确定负载。也可以由借助功率半导体开关传输的能量量（作为电流和电压关于时间的乘积）来确定功率半导体开关的负载。其他参量也可以被累积用于确定负载并且作为与功率半导体开关的负载或老化关联的参量来考虑。此外，单独控制信号的确定也可以根据关于并联的功率半导体开关中的一个或一个子集的总运行时间而累积的负载或并联的功率半导体开关的老化来进行，例如其方式是，在并联的功率半导体开关中的一个或一个子集的总运行时间上考虑整合的温度走向。

有利地，因此实现一种方法，该方法能够实现功率半导体开关的尽可能均匀的老化，其方式是，最小负载的功率半导体开关总是被选择并且借助相应确定的单独控制信号而被控制和使用来进行从输入端子至输出端子的总电流的电流引导。

在本发明的另一种设计方案中，当单独控制信号控制其负载小于可预先给定的负载阈值的功率半导体开关时，该单独控制信号具有状态闭合。

这意味着，预先给定并联的功率半导体开关的各个功率半导体开关或子集的负载阈值。在确定单独控制信号时首先检查，是否超过功率半导体开关的预先给定的阈值。如果功率半导体开关的负载大于负载阈值，则确定相应的单独控制信号，使得该单独控制信号具有状态断开。如果单独控制信号具有状态闭合，则单独控制信号控制其负载小于负载阈值的功率半导体开关。负载阈值可以从功率半导体开关上的实验温度测量或也借助合适的温度/损耗功率模型来确定。通过合适改变各个功率半导体开关的状态断开和闭合的持续时间并且通过均匀地使用功率半导体开关，这些功率半导体开关可以根据其损耗功率极限来运行。即使仅还有一个功率半导体开关可用，在紧急情况运行中可以呈现具有减小的有效功率的电流引导。

有利地，因此过强负载的功率半导体开关不再被设置用于从输入端子至输出端子的总电流的电流引导。避免功率半导体开关的可能伴随着短路并且因此伴随着整个电系统的缺陷的破坏。

在本发明的另一种设计方案中，作为功率半导体开关的负载，考虑要利用单独控制信号来控制的功率半导体开关的温度、损耗功率、传输的能量量或开关频率。

这意味着，考虑在并联的功率半导体开关的运行期间确定的负载。这例如是功率半导体开关的温度、在开关和在运行功率半导体开关时出现的所检测的损耗功率、作为电流和电压关于时间的乘积的所传输的能量量或开关频率。

有利地，因此为方法提供功率半导体开关的负载的示例，所述示例能够实现功率半导体开关的单独控制信号的确定或选择，利用所述单独控制信号功能实现功率半导体开关的可靠的并且运行安全的运行。

在本发明的另一种设计方案中，确定功率半导体开关的功能能力并且当单独控制信号具有状态闭合时，单独控制信号控制可运转的功率半导体开关。

这意味着，作为并联的功率半导体开关中的被识别为有缺陷的功率半导体开关，不被用于从输入端子至输出端子的总电流的电流引导。仅仅输出具有状态闭合的单独控制信号，所述单独控制信号控制可运转的功率半导体开关。

有利地，因此保证电系统的运行安全的运行。特别是避免整体失效，其能够由可能形成的短路造成。

在本发明的另一种设计方案中，作为并联的功率半导体开关，至少部分使用并联的功率半导体模块，其中功率半导体模块包括并联的功率半导体开关。

这意味着，代替各个可单独控制的并联的功率半导体开关而至少部分使用并联的功率半导体模块。功率半导体模块在此对应于多个功率半导体开关的并联电路，所述多个功率半导体开关的输入、输出和控制端子分别聚集在一起。这样的功率半导体模块以不同的大小和功率等级而已知并且被用于借助控制信号进行更高的电功率的电流引导和中断。

有利地，因此能够实现并联的功率半导体模块的运行，其中各个功率半导体模块同样比所有功率半导体模块借助一个控制信号来控制并且由于其部件公差或其不同的尺寸而对控制信号不同快速和灵敏地反应的情况更均匀地负载。因此，对于运行并联的功率半导体模块得出与运行并联的功率半导体开关可比较的优点。

此外，提供一种用于控制至少两个并联的功率半导体开关来开关总电流的控制设备。至少两个并联的功率半导体开关（lhs1…lhsn）分别具有用于控制相应的功率半导体开关（lhs1…lhsn）的栅端子。总电流通过输入端子供给并且通过输出端子排出。至少两个并联的功率半导体开关在输入侧与输入端子连接并且在输出侧与输出端子连接。控制设备包括用于接受共同的控制信号的共同的控制端子，该控制信号具有状态断开或闭合。控制设备还包括至少一个确定单元，该确定单元被设立用于接收共同的控制信号并且根据用于控制至少两个功率半导体开关的共同的控制信号来确定至少两个单独控制信号并且在输出侧将至少两个所确定的单独控制信号输出到至少两个功率半导体开关的相应的栅端子。至少两个单独控制信号（si1…sin）分别具有状态断开或闭合并且根据本发明至少有时不同，特别是在共同的控制信号具有状态闭合期间。

确定单元在此特别是可以构造为硬件，例如构造为逻辑模块，但是也可以构造为用于控制相应硬件的纯软件。

因此，控制设备用于控制并联的功率半导体开关来特别是按时序地开关总电流。此外设置确定单元，该确定单元在输入侧接收用于控制至少两个并联的功率半导体开关的共同的控制信号。该共同的控制信号具有状态：断开或闭合，所述状态应该至少部分地由功率半导体开关来实现。对此，确定单元在输出侧输出至少两个单独控制信号，以便在可预先给定的、特别是不同时间点控制至少两个功率半导体开关。对此，单独控制信号同样具有状态：断开或闭合。所述状态由借助单独控制信号来控制的功率半导体开关来实现。至少两个单独控制信号由确定单元根据共同的控制信号来确定，使得所述至少两个单独控制信号至少有时不同。因此实现各个并联的功率半导体的至少部分单独的控制和至少部分单独的开关。并联的功率半导体至少部分地根据共同的控制信号不在共同的时间点开关，而是在不同的相继的时间点开关。特别是在共同的控制信号具有状态闭合的时间段中进行单独的开关。这是可以的，因为一个闭合的功率半导体开关已经足以根据共同的控制信号的状态闭合在输入端子和输出端子之间实现电连接。为了根据共同的控制信号的状态断开来实现输入端子和输出端子之间的电分离，特别是需要断开所有并联的功率半导体开关。

有利地，因此提供一种控制设备，该控制设备能够实现并联的功率半导体开关有意地在不同时间点接通。因此能够实现：接通、切断和电流传导损耗不任意地分配到并联的功率半导体开关中的一个或少量几个上，而是通过不同功率半导体开关的彼此无关的控制、例如通过交替控制有针对性地并且必要时均匀地分配到并联的功率半导体开关上。因此实现一种设备，该设备能够实现功率在并联的功率半导体开关运行时到其上的更均匀的分配，即使所述功率半导体开关由于其部件公差或其不同的尺寸而对控制信号不同快速和灵敏地反应。因此能够在最佳充分利用所有功率半导体开关的有效功率的情况下在没有功率半导体开关的个别过载的情况下实现例如由不同批次或晶片或不同结构大小或功率构成的功率半导体开关的并联的运行。

此外提供一种电系统，该电系统包括在车辆之内的上述的控制设备和用于开关总电流的并联的功率半导体开关。

因此提供一种电系统，该电系统满足车辆之内的要求并且具有并联的功率半导体开关的高的运行安全性。

有利地提供一种电系统，该电系统能够实现并联的功率半导体开关的均匀老化和因此车辆的安全运行。

此外提供一种计算机程序，该计算机程序被构造用于实施根据权利要求1至9之一的方法之一的所有步骤。

此外提供一种电子存储介质，在该电子存储介质上存储有所描述的计算机程序。

易于理解的是，根据本发明的方法的特征、特性和优点相应地适用于或可应用于根据本发明的控制设备或电系统并且反之亦然。

附图说明

本发明的实施方式的其他特征和优点从参考附图的随后描述中得出。

下面应该借助一些附图详细解释本发明，对此：

图1以示意图示出具有控制设备的电系统。

图2示出控制信号关于时间的图形。

图3示出用于控制并联的功率半导体开关来开关总电流的方法的流程图。

具体实施方式

图1以示意图示出电系统10。总电流i_ges在输入端子ea上供给给电系统10。并联的功率半导体开关lhs1…lhsn在输入侧与输入端子ea连接并且在输出侧与输出端子aa连接。总电流i_ges分配到闭合的、即具有状态闭合的功率半导体开关上。相应地，经过相应的并联的功率半导体开关lhs1…lhsn的单独电流i1…in的总和总是对应于总电流i_ges。通过输出端子aa排出总电流i_ges。并联的功率半导体开关lhs1…lhsn不仅用于电流引导而且用于中断从输入端子ea至输出端子aa的通过电流。并联的功率半导体开关lhs1…lhsn分别具有栅端子。栅端子相互间特别是彼此分离。示例性地在附图中示出：每个单独的功率半导体开关具有单独的栅端子。电系统10还包括控制设备1，该控制设备具有用于接受共同的控制信号si的共同的控制端子s。控制设备包括确定单元ee，控制信号si供给给该确定单元。控制信号具有状态断开或闭合。确定单元ee根据控制信号si来确定单独控制信号si1…sin。单独控制信号（si1…sin）分别具有状态断开或闭合。单独控制信号si1…sin由确定单元ee输出并且传输到用于控制功率半导体开关的栅端子。因此有利地能够实现，共同的控制信号si变换成多个彼此无关的单独的单独控制信号si1…sin。因此对于从输入端子ea至输出端子aa的总电流i_ges的电流引导，并联的功率半导体开关lhs1…lhsn中的个别的或子集可以有针对性地借助单独控制信号si1…sin来控制并且被用于电流引导。相应的情况特别是也适用于使用并联的功率半导体模块来代替并联的功率半导体开关lhs1…lhsn。

图2示出关于时间轴t绘出的不同的控制信号。在最上行中可见例如按时序的共同的控制信号si，该共同的控制信号在时间点t0和t1、以及t2和t3、t4和t5、和t6和t7之间分别具有状态闭合并且在其他情况下具有状态断开。确定单元ee根据控制信号si来确定单独控制信号si1…sin。借助电系统10，在控制信号si具有状态闭合的时间点，总电流i_ges应该从输入端子引导至输出端子。在图2中此外示例性示出用于功率半导体开关lhs1…lhsn的交替运行的单独控制信号si1…sin。因此单独控制信号sin在控制信号si的第一状态闭合期间同样具有状态闭合。因此在该时间段中控制功率半导体开关lhsn来传输总电流。对于控制信号si的状态闭合的第二时间段，使用第二功率半导体开关lhs2，其单独控制信号si2在该时间点同样具有状态闭合。类似地，从图2可得知：第三功率半导体开关lhs3和第一功率半导体开关lhs1的状态和开关时间以及相对应的单独控制信号si3和si1。

特别是也可以的是，例如共同的控制信号si连续地针对较长的时间段、例如在时间点t0和t7之间具有状态闭合并且单独控制信号si1…sin为了交替运行功率半导体开关lhs1…lhsn在该时间段内相应地交替地具有状态闭合。

图3示出一种用于控制并联的功率半导体开关来开关总电流i_ges的方法200。在步骤210中开始该方法。在步骤220中接收共同的控制信号si。在步骤230中根据控制信号si来确定单独控制信号si1…sin。在步骤240中输出单独控制信号si1…sin来控制功率半导体开关。以步骤250结束该方法。