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1. (WO2019034504) METHOD FOR ACTUATING AT LEAST ONE SEMICONDUCTOR SWITCH, IN PARTICULAR IN A COMPONENT OF A MOTOR VEHICLE
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Beschreibung

Titel

Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters, insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs

Stand der Technik

Bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb ist es üblich, Antriebsmotoren über Wechselrichter mit Strom zu versorgen. Dabei verwendete Wechselrichter weisen üblicherweise mehrere Transistoren auf, die über entsprechende

Steuerungsspannungen angesteuert werden können. Dabei ist es aus

Sicherheitsgründen erforderlich, dass die Ansteuerung der Transistoren überwacht wird. Insbesondere sind sicherheitskritische Fehlfunktionen mit besonderer Zuverlässigkeit auszuschließen. Das führt regelmäßig zu besonders hohen Anforderungen an die verwendeten Transistoren, wodurch insbesondere hohe Kosten entstehen.

Überspannungsabschaltungen werden auf der Straße im Fahrzyklus nicht bezüglich der genauen Spannungslage getestet. Eine Gate-Überspannung kann aber gerade eine sofortige Beschädigung der Leistungshalbleiter verursachen. Die Steuerungsspannungen werden einmal in der Entwicklung als Kompromiss festgelegt. Das kann zu unnötigen Performance-Einbußen und Deratings führen.

Offenbarung der Erfindung

Hier wird ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters insbesondere in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Die abhängigen Ansprüche geben besonders vorteilhafte

Weiterbildungen des Verfahrens an.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere eine besonders zuverlässige Überwachung der Halbleiter-Schalter erfolgen. Dabei sind die an die Halbleiter-Schalter gestellten Anforderungen vergleichsweise gering, so dass durch das beschriebene Verfahren besonders kostengünstige Halbleiter-Schalter verwendet werden können. Insbesondere können mit dem beschriebenen Verfahren die Stück- und Entwicklungskosten für die Halbleiter-Schalter gesenkt werden. Dazu kann insbesondere die Auslegung und die Design-Absicherung von Langzeiteffekten vereinfacht werden. Das ist der Fall, weil ein Komponenten-Zulieferer regelmäßig theoretische Aussagen treffen bzw. Versuche durchführen muss und eine entsprechende Schaltungs-Absicherung für ungünstige

Betriebssituationen (worst-case -Szenarien) vornehmen muss. Weiterhin können mit der vorliegenden Erfindung wertvolle Informationen zum Thema

Bauteilsteuerung und Langzeiteffekte im Feld gesammelt werden. Solche Daten sind insbesondere für die statistische Auswertung interessant.

Die Halbleiter-Schalter sind vorzugsweise Halbleiter-Transistoren. Insbesondere kann es sich bei den Halbleiter-Schaltern um Hochleistungs-Halbleiter

(vorzugsweise sogenannte insulated-gate bipolar transistors, kurz IGBT) oder um Halbleiter-Schalter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) handeln. Die Halbleiter-Schalter sind vorzugsweise in einem Wechselrichter eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs als dem Bauteil vorgesehen. Es ist aber auch möglich, dass die Halbleiter-Schalter in einem on-board DC-DC-Wandler eines

Elektrofahrzeugs als dem Bauteil vorgesehen sind. Bei dem Bauteil kann es sich zudem insbesondere um einen Wechselrichter wie beispielsweise eine B6-Brücke handeln. Die Versorgung entsprechender Treiber, mit denen die

Halbleiter-Schalter angesteuert werden können, kann entweder unipolar (mit einer positiven Spannung) oder bipolar (mit einer positiven und einer negativen Spannung) erfolgen.

Das beschriebene Verfahren kann zur Überwachung eines, mehrerer oder aller Halbleiter-Schalter des Bauteils verwendet werden.

Die Halbleiter-Schalter können vorzugsweise über eine zwischen Gate und Source angelegte Spannung gesteuert werden. Diese Spannung wird hier als Steuerungsspannung bezeichnet. Alternativ kann diese Spannung auch als Gatespannung bezeichnet werden. Die Festlegung der zu verwendenden Steuerungsspannung kann insbesondere das Ergebnis von

Entwicklungsaktivitäten sein. Dabei kann die zu verwendende

Steuerungsspannung insbesondere als ein Kompromiss zwischen einer besonders guten Performance, einer besonders guten Verfügbarkeit, einer besonders langen Halbleiter-Lebenserwartung und/oder besonders niedrigen Treiber- und/oder Halbleiter- Kosten gewählt werden. Insbesondere die Norm ISO 26262 zur funktionalen Sicherheit wird dabei vorzugsweise beachtet.

Die Vorgabe bzw. die Ausgabe einer Steuerspannung für einen Halbleiter-Schalter wird hier als Ansteuerung des Halbleiter-Schalters bezeichnet.

Gemäß der Schritte al) und a2) des beschrieben Verfahrens kann mindestens ein Halbleiter-Schalter geschaltet werden. Dazu wird in Schritt al) eine

Steuerungsspannung in einem Toleranzbereich vorgegeben.

Die Steuerungsspannung kann insbesondere von einer entsprechenden

Spannungsquelle wie beispielsweise einem DC-DC-Wandler vorgegeben werden. Die Spannungsquelle ist vorzugsweise digital ausgeführt. Alternativ ist es aber auch bevorzugt, dass die Spannungsquelle analog ausgeführt ist. Das Vorgeben der Steuerungsspannungen kann insbesondere derart erfolgen, dass die genaue Höhe der vorgegebenen Steuerungsspannung nicht bekannt ist. Stattdessen ist nur bekannt, dass sich die tatsächlich vorgegebene

Steuerungsspannung innerhalb des Toleranzbereichs, der insbesondere um einen Sollwert gegeben sein kann, befindet. Der Sollwert ist vorzugsweise grundsätzlich identisch zu einem für die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung gewünschten Wert gewählt. Durch das beschriebene Verfahren kann der Sollwert aber insbesondere auch von dem gewünschten Wert abweichend gewählt werden. Das erfolgt vorzugsweise derart, dass eine Abweichung der von der Spannungsquelle ausgegebenen Spannung von dem gewünschten Wert ausgeglichen wird, so dass die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung besonders nah an dem gewünschten Wert liegt.

Es wäre prinzipiell möglich, die Steuerungsspannung exakt vorzugeben. Das ist aber aufwendig und kann insbesondere hohe Kosten verursachen. Der

Toleranzbereich, der insbesondere auch als ein Toleranzband bezeichnet werden kann, kann beispielsweise durch eine Worst-Case- Analyse ermittelt werden. Dabei können insbesondere Langzeit- und/oder Alterungseffekte in DC-DC-Wandlern (wie beispielsweise ein Drift der DC-DC-Spannungsreferenz über die Lebensdauer des DC-DC-Wandlers) berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist der Toleranzbereich derart bestimmt, dass die vorgegebene

Steuerungsspannung zu keinem Zeitpunkt (insbesondere auch über eine gesamte Lebensdauer eines entsprechenden DC-DC-Wandlers) und unter keinen Bedingungen (also insbesondere an keinem Arbeitspunkt) außerhalb des Toleranzbereichs liegt.

In Schritt a2) des beschriebenen Verfahrens wird überwacht, ob eine tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung mindestens einen Grenzwert überschreitet.

Die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung kann sich insbesondere aus der gemäß Schritt al) vorgegebenen Steuerungsspannung und weiteren

Komponenten wie beispielsweise Fehlspannungen zusammensetzen. Damit kann die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung den mindestens einen Grenzwert auch dann überschreiten, wenn (was bevorzugt ist) der mindestens eine Grenzwert außerhalb des Toleranzbereichs der vorgegebenen

Steuerungsspannung liegt.

Je größer die Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter ist, umso größer muss der Bereich des Halbleiter-Schalters gewählt sein, in dem dieser zuverlässig betrieben werden kann. Je größer dieser Bereich ist, umso teurer kann die Entwicklung und/oder Herstellung des Halbleiter-Schalters sein. Mit dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere erreicht werden, dass dieser Bereich besonders klein gewählt werden kann, so dass besonders kostengünstige Halbleiter-Schalter verwendet werden können.

Insbesondere damit die Ungewissheit über die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung (die neben der gemäß Schritt al) vorgegebenen Steuerungsspannung insbesondere auch weitere Komponenten umfassen kann) besonders gering sein kann, wird gemäß dem beschriebenen Verfahren an mindestens einem Kontrollzeitpunkt ein Schritt bl) durchgeführt. In Schritt bl) wird eine Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert ermittelt. Dadurch kann insbesondere eine relative Abweichung der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung von dem

mindestens einen Grenzwert ermittelt werden. Es kommt dabei insbesondere nicht auf eine absolute Feststellung von Spannungswerten etwa gegenüber einem festen Referenzpotential an. Ein solcher Vergleich könnte besonders aufwendig und teuer sein.

Der mindestens eine Kontrollzeitpunkt liegt vorzugsweise unmittelbar nach einem Einschalten des Kraftfahrzeugs. Weitere Kontrollzeitpunkte, beispielsweise in regelmäßigen Abständen während des Betriebs des Kraftfahrzeugs, sind möglich.

Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens kann insbesondere auch die Steuerungsspannung diagnostiziert werden. Die Diagnose kann insbesondere darin bestehen, sukzessive Datensätze zu verschiedenen Arbeitspunkten zu sammeln. Ein Arbeitspunkt ist bevorzugt durch zumindest einen (bevorzugt mehrere) der folgenden Parameter definiert:

- der Wechselrichter-Arbeitsmodus (Standby, Taktbetrieb),

- Schaltfrequenz des Treibers (falls getaktet),

- der digitalisierte Stellwert des Wandlers (in der Regel duty

cycle)„Werkseinstellung" ohne Manipulation,

- der digitalisierte Stellwert des Wandlers, bei dem der Überspannungsfehler gemeldet wurde,

- der digitalisierte Stellwert des Wandlers, bei dem der Unterspannungsfehler gemeldet wurde,

- Angaben, die den Datensatz ergänzen könnten,

- Digitalwert als Abbild der Gate-Versorgungsspannung (oft über die

Hilfswicklung verfügbar), und

- Temperatur (Kühlflüssigkeit, PCB).

Die Diagnose kann mit anderen auf der Baugruppe bereits vorhandenen Spannungsmesspunkten korreliert werden. So kann insbesondere ein Abgleich zwischen High-side und Low-side-Versorgungsspannungen erfolgen.

Die Software kennt die realen Überwachungsgrenzen und wo die gestellte Steuerungsspannung bzw. der Arbeitspunkt relativ zu diesen realen

Überwachungsgrenzen liegt.

Beispielsweise kann die Software drei duty-cycle-Werte speichern, die zu einem Arbeitspunkt (9kHz PWM Schaltbetrieb) gehören. 410 entspricht dem duty cycle 41% und Werkeinstellung, 360 - 36% und Unterspannungsfehler, 520 - 52% und Überspannungsfehler. Die Daten können in der einfachen Ausbaustufe intern im Auto verarbeitet werden, in der höheren Ausbaustufe können die Daten an stationäre Server übertragen werden (beispielsweise über eine Cloud), was eine intelligente Datenauswertung und einen Abgleich mit anderen Messdaten ermöglichen würde (insbesondere im Rahmen von Big Data).

Nach dem mindestens einen Kontrollzeitpunkt wird die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung unter Verwendung des Ergebnisses von Schritt bl) manipuliert. Mit dem Verfahren erfolgt also eine Ansteuerung eines Halbleiter-Schalters mit einer Steuerspannung, die ggf. manipuliert wird.

Durch die Manipulation kann die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung insbesondere besonders nahe an einem gewünschten Wert liegen. Der gewünschte Wert kann insbesondere so gewählt sein, dass bei diesem eine besonders zuverlässige und sichere

Schaltung des mindestens einen Halbleiter-Schalters erfolgen kann. Durch die Manipulation kann insbesondere eine besonders geringe Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung erreicht werden.

Die Manipulation kann insbesondere relativ zu dem mindestens einen Grenzwert erfolgen. Insbesondere muss die Manipulation damit nicht auf ein festes

Referenzpotential gerichtet sein, was besonders aufwendig sein könnte.

Insbesondere damit unterscheidet sich die Manipulation gemäß dem

beschriebenen Verfahren von einem Fall, in dem bloß eine Steuerungsspannung mit einem besonders kleinen Toleranzbereich vorgegeben wird. Die

Steuerungsspannung kann gemäß dem beschriebenen Verfahren mit einem verhältnismäßig großen Toleranzbereich vorgegeben werden, wobei durch die Manipulation dennoch eine besonders geringe Ungewissheit über die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung erreicht werden kann. Damit kann das beschriebene Verfahren erlauben, dass die gleiche Schaltung einen nominell engeren Toleranzbereich liefert. Insbesondere soll ein bloßes Regeln einer Spannung nicht als Manipulation verstanden werden.

Die Manipulation kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein Sollwert für eine Spannungsquelle, die die Steuerungsspannung bereitstellt, verändert wird. Das bedeutet insbesondere, dass durch die Manipulation der Sollwert der

Spannungsquelle nicht mehr dem für die tatsächlich anliegende

Steuerungsspannung gewünschten Wert entspricht. Insbesondere kann der

Sollwert für einen DC-DC-Wandler (der insbesondere in einem digitalen

Stellwert bestehen kann) verändert werden. Vorzugsweise erfolgt die

Manipulation schrittweise, beispielsweise in 100-mV-Schritten. Insbesondere kann die Manipulation so lange erfolgen, bis eine entsprechende Überschreitung eines Grenzwertes erkannt wurde. Vorzugsweise erfolgt die Manipulation in digitaler Form. Dazu kann insbesondere eine digitale Elektronik eingesetzt werden. Insbesondere kann die Manipulation durch eine Software erfolgen. So kann beispielsweise mit einer Software in eine Regelschleife einer

spannungsgenerierenden Wandler- Stufe eingegriffen werden. Vorzugsweise wird ein duty cycle durch eine Software definiert.

Das beschriebene Verfahren kann insbesondere auch in den folgenden

Ausführungsformen vorliegen. Die hier angegebenen Ausführungsformen können insbesondere die jeweils vorhergehenden Ausführungsformen ergänzen.

Dadurch steigt die Komplexität von einer Ausführungsform zur nächsten.

- in einer ersten Ausführungsform wird die Steuerungsspannung im vollen

Überwachungsbereich stufenweise verstellt, z.B. in lOOmV-Schritten. Das kann insbesondere zu Diagnosezwecken erfolgen, wobei keine Anwendung im IGBT-Schaltbetrieb erfolgt.

- in einer zweiten Ausführungsform wird die Steuerungsspannung verstellt

(statisch und/oder dynamisch im IGBT-Schaltbetrieb), z.B. zur Kompensation von Langzeiteffekten

- in einer dritten Ausführungsform werden die Toleranzbereiche verkleinert und näher zueinander verschoben, weil die Worst-Case-Analyse auf

Schaltungsebene die Langzeiteffekte nicht mehr beinhaltet.

- in einer vierten Ausführungsform werden die zulässigen

Überwachungsgrenzen verengt, wobei eine bewusste Überschneidung der theoretischen Toleranzbereiche erfolgt. Die Kosten der theoretisch verletzten Verfügbarkeit können mit den realen Einsparungen bei den Halbleiter- Stück- und Entwicklungskosten verrechnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a2) ein oberer Grenzwert oberhalb des Toleranzbereichs und ein unterer Grenzwert unterhalb des Toleranzbereichs überwacht.

Der obere Grenzwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass der Halbleiter-Schalter zumindest unterhalb des oberen Grenzwerts sicher betrieben werden kann, wobei es insbesondere zu keiner Beschädigung des Halbleiter-Schalters kommt. Bei einer Steuerungsspannung oberhalb des oberen Grenzwertes (aus Sicherheitsgründen vorzugsweise sogar erst oberhalb eines von dem oberen Grenzwert nach oben beabstandeten Wert) kann es zu einer Beschädigung des Halbleiter-Schalters kommen.

Der untere Grenzwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass der Halbleiter-Schalter zumindest oberhalb des unteren Grenzwerts sicher geschaltet werden kann. Bei einer Steuerungsspannung unterhalb des unteren Grenzwertes (aus

Zuverlässigkeitsgründen vorzugsweise sogar erst unterhalb eines von dem unteren Grenzwert nach unten beabstandeten Wert) kann es zu einer

Fehlfunktion des Halbleiter-Schalters kommen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der mindestens eine Grenzwert mindestens um eine Sicherheitsdifferenz von Toleranzbereich entfernt.

In der vorliegenden Ausführungsform kann insbesondere die ISO-Norm 26262 erfüllt werden. Die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung kann zwar vorzugsweise zumindest im Rahmen einer Wort-Case- Analyse nicht außerhalb des Toleranzbereichs liegen, es können aber externe Einflüsse hinzukommen (wie z.B. externe Spannungen, die auf die Steuerungsspannung addiert werden). Externe Einflüsse können insbesondere im Rahmen

sogenannter latenter Fehler auftreten. Obwohl die gemäß Schritt al)

vorgegebene Steuerungsspannung gemäß der theoretischen worst-case Absicherung im Normalbetrieb den Toleranzbereich nicht verlassen kann, kann die Sicherheitsdifferenz aufgrund der Funktionssicherung erforderlich sein. Die Sicherheitsdifferenz beträgt vorzugsweise 1 V bis 2 V [Volt], insbesondere 1,5 V.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a2) für den mindestens einen Grenzwert ein jeweiliger Überwachungsbereich überwacht.

Die Überschreitung des mindestens einen Grenzwertes kann insbesondere mit einer entsprechenden Elektronik beispielsweise auf einem Chip erfolgen. Dabei kann die Elektronik insbesondere derart ausgelegt sein, dass eine Aktion

(beispielsweise ein Unterbrechen der Steuerungsspannung) erfolgt, wenn die Steuerungsspannung den entsprechenden Grenzwert überschreitet. Prinzipiell ist es möglich, dass die Elektronik dies exakt durchführt, d.h. dass die Aktion durchgeführt wird, sobald die Steuerungsspannung genau den mindestens einen Grenzwert überschreitet. Aus Kostengründen ist es aber bevorzugt, dass die Aktion bei einem Wert durchgeführt wird, von dem lediglich bekannt ist, dass dieser innerhalb des entsprechenden Überwachungsbereichs liegt. Die Elektronik ist also vorzugsweise derart ausgelegt, dass die entsprechende Aktion bei passieren eines nicht näher bekannten Wertes, der aber zumindest innerhalb des jeweiligen Überwachungsbereichs liegt, durchgeführt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die

Überwachungsbereiche und der Toleranzbereich überlappungsfrei angeordnet.

Der mindestens eine Halbleiter-Schalter ist vorzugsweise insbesondere derart ausgelegt, dass ein sicheres Schalten zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert möglich ist, ohne dass der Halbleiter-Schalter dabei beschädigt würde. Je näher der obere Grenzwert und der untere Grenzwert aneinander liegen, umso einfacher und günstiger kann der Halbleiter-Schalter ausgeführt sein. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die den Grenzwerten entsprechenden Überwachungsbereiche besonders nahe aneinander liegen. Grundsätzlich ist der mögliche Abstand der Überwachungsbereiche dabei aber durch die Breite des Toleranzbereichs der Spannungsquelle für die

Steuerungsspannung vorgegeben, sofern eine besonders hohe Zuverlässigkeit gewünscht ist. Überlappen die Überwachungsbereiche mit dem Toleranzbereich, so kann es grundsätzlich dazu kommen, dass die bei der Überwachung auszulösende Aktion (beispielsweise ein Abschalten der Steuerungsspannung) im normalen Betrieb durchgeführt wird. Das ist insbesondere aus

Zuverlässigkeitsgründen regelmäßig auszuschließen. Ansonsten könnte es

beispielsweise passieren, dass ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs plötzlich abgeschaltet wird, ohne dass ein tatsächliches Problem vorliegt.

Entsprechend ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die

Überwachungsbereiche nicht mit dem Toleranzbereich überlappen. Das beschriebene Verfahren kann aber auch ein Überlappen der

Überwachungsbereiche und des Toleranzbereichs ermöglichen, ohne dass die zuvor beschriebene grundsätzliche Problematik auftritt.

Dazu ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass die Überwachungsbereiche und der Toleranzbereich teilweise überlappen.

Bedingt durch die Manipulation der Steuerungsspannung kann insbesondere sichergestellt werden, dass die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung auch trotzt Überlappens der Überwachungsbereiche mit dem Toleranzbereich zu keinem Zeitpunkt in einen Überwachungsbereich fällt. Das liegt daran, dass durch das Manipulieren ein nominell engerer Toleranzbereich erreicht werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert in Schritt bl) dadurch ermittelt, dass die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung soweit manipuliert wird, dass gemäß Schritt a2) die Überschreitung des mindestens einen Grenzwertes erkannt wird.

Die Manipulation der Steuerungsspannung kann gemäß dem beschriebenen Verfahren zum einen insbesondere nach dem Kontrollzeitpunkt (vorzugsweise dauerhaft) erfolgen, wodurch die Steuerungsspannung besonders nahe an einen gewünschten Wert herangeführt werden kann. Zum anderen kann die

Manipulation der Steuerungsspannung aber auch am Kontrollzeitpunkt

(vorzugsweise einmalig oder an mehreren diskreten Kontrollzeitpunkten) erfolgen, um die Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden

Steuerungsspannung und dem mindestens einen Grenzwert gemäß Schritt bl) zu ermitteln. In beiden Fällen (d.h. sowohl zur vorzugsweise dauerhaften Manipulation als auch zur vorzugsweise einmalig oder an mehreren diskreten Kontrollzeitpunkten durchgeführten Manipulation) kann die Manipulation aber auf die gleiche Art und Weise erfolgen, insbesondere durch Verändern des Sollwerts einer Spannungsquelle.

In Schritt bl) wird die Steuerungsspannung vorzugsweise derart manipuliert, dass der mindestens eine Grenzwert (vorzugsweise alle Grenzwerte, insbesondere der obere Grenzwert und der unterer Grenzwert) überschritten wird. Bei mehreren Grenzwerten wird die Steuerungsspannung vorzugsweise über einen entsprechenden Bereich manipuliert, so dass die Grenzwerte

(nacheinander) überschritten werden.

Das geringwertige Überschreiten der Grenzwerte wird in Schritt bl) bewusst durchgeführt. Dabei kann insbesondere ermittelt werden, welcher Umfang der Manipulation notwendig ist, um einen bestimmten Grenzwert zu überschreiten. Der Umfang der Manipulation kann dabei insbesondere der zu bestimmenden Differenz zwischen der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und dem entsprechenden Grenzwert entsprechen.

Durch die vorliegende Ausführungsform kann insbesondere die Testabdeckung vergrößert werden. So kann insbesondere eine Überspannungsabschaltung in jedem Kraftfahrzeug (und nicht etwa nur in Prototypen) individuell getestet werden. Auch kann die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende Steuerungsspannung für jedes Kraftfahrzeug individuell gewählt werden (und nicht etwa nur als ein Kompromiss für eine ganze Fahrzeugserie).

Somit können insbesondere Langzeiteffekte beispielsweise in einer Elektronik zur Überwachung der Überschreitung des mindestens einen Grenzwerts und/oder in einem DC-DC-Wandler, der die Steuerungsspannung gemäß Schritt al) vorgibt, kompensiert werden. Beispielsweise können Alterungseffekte wie ein Drift der DC-DC-Spannungsreferenz über die Lebensdauer des DC-DC-Wandlers zu einer Verstellung der Gate-Spannung um mehrere Hundert Millivolt führen. Das kann mit dem beschriebenen Verfahren ausgeglichen werden.

Auch können mit dem beschriebenen Verfahren Kurzzeiteffekte (wie

beispielsweise ein Temperatureinfluss) ausgeglichen werden. Die Kurzzeiteffekte können insbesondere mit dem beschriebenen Verfahren erlernt werden und/oder aus anderen Quellen bekannt sein. So kann gemäß dem beschriebenen

Verfahren insbesondere erlernt werden, dass die Steuerungsspannung bei besonders hoher Temperatur an einem bestimmten Arbeitspunkt in eine bestimmte Richtung signifikant wegdriftet. Zum Ausgleich kann daraufhin die Steuerungsspannung derart manipuliert werden, dass diese näher an den gewünschten Wert herankommt.

Die tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegende

Steuerungsspannung kann so besonders nah an einen gewünschten Wert für die gemäß Schritt al) vorgegebene Steuerungsspannung gebracht werden.

Damit können durch ein optimales Schalten des Halbleiter-Schalters

insbesondere energetische Verluste reduziert und beispielsweise eine

Reichweite des Kraftfahrzeugs vergrößert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die

Steuerungsspannung in Schritt bl) über einen Bereich zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert manipuliert.

In dieser Ausführungsform kann am Kontrollzeitpunkt insbesondere ermittelt werden, wie groß ein relativer Abstand zwischen dem oberen Grenzwert und einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung sowie zwischen dem unteren Grenzwert und der tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung ist.

Anschließend kann nach dem Kontrollzeitpunkt beispielsweise eine Manipulation dahingehend erfolgen, dass die tatsächlich anliegende Steuerungsspannung in der Mitte (oder an einem anderen relativ zu den Grenzwerten vorgegebenen Wert) zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert liegt.

Insbesondere kann in dieser Ausführungsform der Bereich ermittelt werden, innerhalb dessen die Steuerungsspannung (zumindest unter vorliegenden Bedingungen wie beispielsweise einer Temperatur oder eines Arbeitspunktes und auch vor dem Hintergrund von Langzeiteffekten wie beispielswiese einer Alterung einer Spannungsquelle) sicher verstellt werden kann. Dieser Bereich kann dabei insbesondere durch die realen Grenzen definiert sein, an denen eine Überwachung der Überwachungsbereiche tatsächlich auslöst. Somit kann mit der vorliegenden Ausführungsform ermittelt werden, innerhalb welcher realen Grenzen eine Manipulation möglich ist.

Als ein weiterer Aspekt wird ein Steuergerät vorgestellt, welches zum Schalten mindestens eines Halbleiter-Schalters gemäß dem beschriebenen Verfahren eingerichtet ist. Die weiter vorne für das Verfahren beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das Steuergerät anwendbar und übertragbar.

Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgestellt, welches eingerichtet ist, alle Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. Zudem wird ein

maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist. Die weiter vorne für das Verfahren und das Steuergerät beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das Computerprogramm und das maschinenlesbare Speichermedium anwendbar und übertragbar.

Weiterhin sind folgende Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens möglich und jeweils einzeln oder in Kombination miteinander und/oder mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt:

In einer Ausführungsform kann eine„Kalibrier- Funktion" durchgeführt werden. Dabei kann ein Stellwert angepasst werden, um Anforderungen an eine System-Verfügbarkeit zu erfüllen. Insbesondere kann dabei eine relative Position der Steuerungsspannung zu Überwachungsgrenzen angepasst werden.

In einer Ausführungsform kann eine„Performance- Funktion" durchgeführt werden. Die Steuerungsspannung kann dabei auf den höchsten erlaubten Wert erhöht werden, um insbesondere Durchlassverluste zu reduzieren. Das kann z.B. bei hohen Temperaturen automatisch erfolgen, kann aber auch auf

Fahrerwunsch beispielsweise über einen„Performance-Schalter" erfolgen.

In einer Ausführungsform kann eine„Lifetime- Funktion" durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise bei stark über eine Produktlebenszeit beanspruchten Halbleitern die Steuerungsspannung systematisch abgesenkt werden, um die Lebensdauer zu verlängern.

In einer Ausführungsform kann eine„Anomalie-Analyse" erfolgen, insbesondere um Defekten vorzubeugen. Dabei kann insbesondere ein Wegdriften bzw.

Verstellen der Überwachungsgrenzen diagnostiziert werden. Auch kann eine erhöhte Leistungsaufnahme diagnostiziert werden.

In einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens kann ein Signal eines „Sport-Modus-Schalters" vor dem Verfahren verarbeitet werden. Über einen Sport-Modus-Schalter kann ein Fahrer dann selbst entscheiden, wenn er mehr Performance auf Kosten der Halbleiter-Lebenserwartung und des

Kurzschlussverhaltens haben will. Der Hintergrund dazu ist, dass die

Durchlassverluste umso geringer ausfallen (wodurch mehr Performance erreicht werden kann), die Kurzschluss-Belastung umso höher ausfällt (was ein Risiko ist) und die Lebenserwartung umso geringer ist (was ebenfalls ein Risiko ist), je höher die positive Steuerungsspannung ist.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann als Manipulation eine

dynamische Steuerungsspannungsanpassung in jedem IGBT-Schaltvorgang erfolgen. Beispielsweise kann die Steuerungsspannung im Durchlasszustand von 16V auf 13V abgesenkt werden, um einen niedrigeren Start in den

Kurzschlussfall zu haben. Die Konsequenz ist, dass die Halbleiter nicht so kurzschlussfest ausgelegt werden müssen. Vor dem nächsten IGBT-Einschalten wird die Steuerungsspannung vorzugsweise wieder angehoben. Das ist allerdings nur bei unabhängigen Versorgungen für jeden Schalter einer B6-Brücke realisierbaren

Weitere Einzelheiten der Erfindung und Ausführungsbeispiele, auf weiche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: eine Darstellung eines ersten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung,

Fig. 2: eine Darstellung eines zweiten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung,

Fig. 3: eine Darstellung eines dritten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung,

Fig. 4: zwei Darstellungen von Steuerungsspannungen, die den Stand der

Technik bzw. die Wunsch-Vorstellung zum Stand der Technik beschreiben,

Fig. 5: eine Darstellung einer Steuerungsspannung gemäß einer ersten

Ausführungsform eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 6: eine Darstellung einer Steuerungsspannung gemäß einer zweiten

Ausführungsform eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 7: eine Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Durchführung des

Verfahrens aus Fig. 5 oder 6, und

Fig. 8: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines ersten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Dabei wird ein IGBT 10 von einem Treiber 11 angesteuert. Der Treiber 11 umfasst eine Überwachungsschaltung 12, die eine positive Spannung 13 und eine negative Spannung 14, die dem Treiber zugeführt werden, überwacht und ggf. eine Fehlermeldung 15 ausgibt. Weiterhin umfasst der Treiber 13 eine Ansteuereinheit 16 zur Ansteuerung des IGBT 10.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines zweiten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Auch hier ist ein IGBT 10 mit einem Treiber 11 gezeigt. Dem Treiber 11 wird hier eine Eingangsspannung 17 vorgegeben. Daraus wird in einem DC-DC-Wandler 18 eine positive Spannung 13 und eine negative Spannung 14 erhalten. Zudem weist der Treiber 11 eine Überwachungsschaltung 12 und eine Ansteuereinheit 16 auf. Bei der in Fig. 2 gezeigten IGBT-Ansteuerung erfolgt insbesondere keine Kommunikation zwischen dem DC-DC-Wandler 18 und der

Überwachungsschaltung 12. Damit erfolgt gemäß Fig. 2 auch insbesondere keine Manipulation einer Steuerungsspannung unter Verwendung eines

Ergebnisses einer Bestimmung einer Differenz zwischen einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und einem Grenzwert.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines dritten Beispiels einer IGBT-Ansteuerung. Das dritte Beispiel der IGBT-Ansteuerung beruht insbesondere auf dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Beispiel als Ausgangspunkt. Im Unterschied zu dem zweiten Beispiel ist hier eine Kommunikation zwischen dem DC-DC-Wandler 18 und der Überwachungsschaltung 12 vorgesehen, die durch einen Pfeil angedeutet ist.

Durch diese Kommunikation kann insbesondere eine Manipulation einer

Steuerungsspannung unter Verwendung eines Ergebnisses einer Bestimmung einer Differenz zwischen einer tatsächlich anliegenden Steuerungsspannung und einem Grenzwert gemäß dem weiter oben beschriebenen Schritt bl) erfolgen.

Fig. 4 zeigt zwei Darstellungen einer Steuerungsspannung 1. Die

Steuerungsspannung 1 wird von einer Spannungsquelle derart vorgegeben, dass die Steuerungsspannung 1 innerhalb eines Toleranzbereichs 2 liegt. Der Toleranzbereich 2 ist um einen gewünschten Wert 7 angeordnet und liegt zwischen einem oberen Grenzwert 4 und einem unteren Grenzwert 5. Zwischen dem Toleranzbereich 2 und dem oberen Grenzwert 4 sowie zwischen dem Toleranzbereich 2 und dem unteren Grenzwert 5 ist jeweils ein

Überwachungsbereich 3 vorgesehen. Die linke und rechte Darstellung in Fig.4 unterscheidet sich durch die Breite des Toleranzbereichs 2 und den Abstand zwischen den Überwachungsbereichen 3.

In der linken Darstellung in Fig. 4 ist der Toleranzbereich 2 (also das garantierte Versorgungsband) wesentlich größer als bevorzugt.

Die gängige Lösung ist es, den festen Wert der Steuerungsspannung einmal für die ganze Produktlebensdauer in der Entwicklungsphase zu spezifizieren und permanent auf Unter- und Überspannung zu überwachen. Die Überwachung erfolgt i.d.R. durch eine in Treiber selbst eingebaute Spannungsmessung mit fest definierten Schwellen, die regelmäßig über die Laufzeit nicht manipulierbar sind. Die Unterspannungsfunktion wird regelmäßig durch die Abschaltung der

Versorgungsspannung in jedem Fahrzyklus getestet, wobei insbesondere ein Treiber einen Fehler an ein entsprechendes Steuergerät melden kann.

Die typische Wunsch-Anordnung aus Entwicklungssicht ist in Fig. 4 rechts dargestellt. Der Toleranzbereich 2 (also das mittlere Band) ist hier im Vergleich zur linken Darstellung der Fig. 4 wesentlich reduziert, z.B. auf eine Breite von 1 V.

Die Wunsch-Anordnung rechts in Fig. 4 kann nur mit signifikanten Hardware-Kosten implementiert werden, weil sie für die beteiligten Module eine

Komprimierung der Toleranzbereiche 2 bedeutet. Für die Überwachungsbereiche 3 wäre eine genauere Spannungsreferenz in jeder Überwachungsschaltung

notwendig. Ein schmaler Toleranzbereich 2 würde eine Herausforderung bei DC-DC darstellen. Statisch würden eine hochgenaue Spannungsreferenz und präzise Spannungsteiler erforderlich sein. Je nach Ausführung können so hohe Kosten für analoge oder digitale Feedback-Übertragungskomponenten (z.B. für Optokoppler) entstehen. Dynamisch können größere Kapazitäten für den Lastwechselfall erforderlich sein, was ebenfalls mit hohen Kosten verbunden sein kann.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung einer Steuerspannung 1, die gemäß einem erstem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines

Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs manipuliert wird. Die Überwachungsbereiche 3 sind wie in Fig. 4 angeordnet. Auch der

Toleranzbereich 2 hat die gleiche Breite wie in Fig. 4. Allerdings erfolgt an mindestens einem Kontrollzeitpunkt eine Manipulation der Steuerungsspannung 1 innerhalb eines Manipulationsbereichs 6. Dabei kann die relative Lage einer tatsächlich ausgegebenen Steuerungsspannung 1 zu dem oberen Grenzwert 4 und dem unteren Grenzwert 5 bzw. insbesondere zu den Spannungswerten erhalten werden, bei denen eine Überwachung der Überwachungsbereiche 3 tatsächlich auslöst. Durch anschließende (dauerhafte) Manipulation kann die Steuerungsspannung 1 besonders nah an den gewünschten Wert 7 herangeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine Darstellung einer Steuerspannung 1, die gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Ansteuern mindestens eines

Halbleiter-Schalters in einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs manipuliert wird. Im Gegensatz zu Fig. 5 (und auch im Gegensatz zu Fig. 4) sind hier die

Überwachungsbereiche 3 näher aneinander vorgesehen. Dabei überlappen die Überwachungsbereiche 3 teilweise mit dem Toleranzbereich 2. Durch die für Fig. 5 beschriebene (dauerhafte) Manipulation kann erreicht werden, dass die Steuerungsspannung 1 dennoch zu keinem Zeitpunkt innerhalb der

Überwachungsbereiche 3 liegt.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine elektrische Schaltung, mit der die Manipulation gemäß Fig. 5 oder 6 durchgeführt werden kann.

Fig. 8 veranschaulicht die im Rahmen des Verfahrens stattfindenden

Verfahrensschritte. Die Vorgabe der Steuerspannung (Schritt al) im

Toleranzbereich sowie die Überwachung der hieraus resultierenden an dem Halbleiter-Schalter tatsächlichen Spannung in Bezug auf mindestens einen Grenzwert (Schritt a2) erfolgen bevorzugt permanent.

Schritt bl) betrifft die Ermittlung einer Differenz zwischen der tatsächlich an dem mindestens einen Halbleiter-Schalter anliegenden Steuerspannung und dem Grenzwert. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieser Differenz erfolgt eine Manipulation 9 der Vorgabe der Steuerspannung (Schritt al).

Die Schritte bl) sowie die Manipulation 9 der Steuerspannung erfolgt bevorzugt zu Kontrollzeitpunkten und damit nicht permanent bzw. mit einer geringeren Wiederholfrequenz als die Verfahrensschritte al) und a2).