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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Schalteinheiten, wobei die Schalteinheiten einen ersten Leistungshalbleiter und einen zum ersten Leistungshalbleiter parallel geschalteten zweiten Leistungshalbleiter aufweisen.
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Bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen wird aus einer Gleichspannung mittels eines Wechselrichters eine Wechselspannung formiert, mit welcher die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs im Fahrbetrieb gespeist wird. Dazu weisen die verwendeten Wechselrichter typischerweise Schalteinheiten mit Leistungshalbleiter auf. Ein Dreiphasenwechselrichter weist beispielsweise sechs Schalteinheiten auf. Um die Stromtragfähigkeit des Wechselrichters sicherzustellen, werden in den Schalteinheiten mehrere Leistungshalbleiter zueinander parallel geschaltet. Zum Öffnen und Schließen der Leistungshalbleiter ist es üblich, die parallel geschalteten Leistungshalbleiter gleichzeitig zu schalten.
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Für einen effektiven bzw. effizienten Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs ist es essentiell, Verluste zu minimieren. Dies betrifft insbesondere auch Verluste am Wechselrichter. Neben Verlusten beim Durchlassen des Stromes durch die Leistungshalbleiter entstehen auch Verluste beim Schalten der Leistungshalbleiter.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters bereitzustellen, welches weniger verlustbehaftet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, insbesondere eines Wechselrichters für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Schalteinheiten, wobei mindestens eine, vorzugsweise alle, Schalteinheiten einen ersten Leistungshalbleiter und einen zum ersten Leistungshalbleiter parallel geschalteten zweiten Leistungshalbleiter aufweisen, wobei der zweite Leistungshalbleiter in Abhängigkeit eines Betriebspunktes des ersten Leistungshalbleiters geschaltet wird.
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Schalt- und Durchlassverluste sind abhängig vom Betriebspunkt der Leistungshalbleiter. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dies zu berücksichtigen. Der erste Leistungshalbleiter und der zweite Leistungshalbleiter werden nicht einfach gleichzeitig geschaltet. Stattdessen geschieht das Schalten des zweiten Leistungshalbleiters situationsabhängig, nämlich abhängig vom Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiters. Durch das geschickte Schalten der parallelen Leistungshableiter der Schalteinheiten wird die Effizienz des Betriebs des Wechselrichters deutlich erhöht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Schalten des zweiten Leistungshalbleiters von einer Ansteuereinheit ein Signal zum Öffnen oder Schließen des zweiten Halbleiters an einen Gate-Eingang des zweiten Leistungshalbleiters gesendet wird, wobei von dem zweiten Leistungshalbleiter zum Öffnen eine galvanische Verbindung zwischen einem Eingang des zweiten Leistungshalbleiters und einem Ausgang des zweiten Leitungshalbleiters hergestellt und zum Schließen die galvanische Verbindung unterbrochen wird. Denkbar ist, dass zum Schalten des ersten Leistungshalbleiters von einer Ansteuereinheit oder von einer weiteren Ansteuereinheit ein Signal zum Öffnen oder Schließen des ersten Leistungshalbleiter an einen Gate-Eingang des ersten Halbleiters gesendet wird, wobei von dem ersten Leistungshalbleiter zum Öffnen eine galvanische Verbindung zwischen einem Eingang des ersten Leistungshalbleiters und einem Ausgang des ersten Leitungshalbleiters hergestellt und zum Schließen die galvanische Verbindung unterbrochen wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass von der Ansteuereinheit ein Signal zum Öffnen des zweiten Leistungshalbleiters gesendet wird, wenn der Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiters einen Grenzwert überschreitet. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, sehr effizient zu schalten, wenn die Schaltverluste größer sind als die Durchlassverluste der Schalteinheit. Insbesondere ist dazu denkbar, dass der Grenzwert des Betriebspunktes einer Betriebsgrenze des ersten Leistungshalbleiters entspricht. Eine Betriebsgrenze im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Betriebspunkt, an welchem eine weitere Erhöhung von Stromfluss durch und/oder anliegender Spannung an dem ersten Leistungshalbleiter zu einer Erhöhung der Durchlassverluste am ersten Leistungshalbleiter führen würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass von der Ansteuereinheit ein Signal zum Schließen des zweiten Leistungshalbleiters gesendet wird, wenn der Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiters einen Grenzwert überschreitet. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, sehr effizient zu schalten, wenn die Durchlassverluste größer sind als die Schaltverluste der Schalteinheit. Insbesondere ist dazu denkbar, dass der Grenzwert des Betriebspunktes einer Betriebsgrenze des ersten Leistungshalbleiters entspricht. Eine Betriebsgrenze im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Betriebspunkt, an welchem eine weitere Erhöhung von Stromfluss durch und/oder anliegender Spannung an dem ersten Leistungshalbleiter zu einer Erhöhung der Durchlassverluste am ersten Leistungshalbleiter führen würde.
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Denkbar ist aber auch, dass von der Ansteuereinheit ein Signal zum Öffnen oder Schließen des zweiten Leistungshalbleiters gesendet wird, wenn der Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiters einen Grenzwert überschreitet, so dass die Verlustleistung der Schalteinheit erhöht und vorzugsweise maximiert wird. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, schnell viel Wärme zu erzeugen und beispielsweise ein Kühlmittel aufzuheizen.
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Denkbar ist ferner, dass zum Schalten der Schalteinheit der erste Leistungshalbleiter und der zweite Leistungshalbleiter im Wechsel geschaltet werden. Dadurch ist eine gleichmäßige Belastung der Leistungshalbleiter erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiters von der Ansteuereinheit überwacht wird. So wird sichergestellt, dass der zweite Leistungshalbleiter zum korrekten Zeitpunkt geschaltet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zum zweiten Leistungshalbleiter parallel geschalteter dritter Leistungshalbleiter der Schalteinheit in Abhängigkeit eines Betriebspunktes des zweiten Leistungshalbleiters geschaltet wird, wobei bevorzugt zum Schalten des dritten Leistungshalbleiters von einer Ansteuereinheit ein Signal zum Öffnen oder Schließen des dritten Leistungshalbleiters an einen Gate-Eingang des dritten Leistungshalbleiters gesendet wird, wobei von dem dritten Leistungshalbleiter zum Öffnen eine galvanische Verbindung zwischen einem Eingang des dritten Leistungshalbleiters und einem Ausgang des dritten Leitungshalbleiters herstellt und zum Schließen die galvanische Verbindung unterbrochen wird, wobei besonders bevorzugt ein Signal zum Öffnen des dritten Leistungshalbleiters gesendet wird, wenn der Betriebspunkt des zweiten Leistungshalbleiters einen Grenzwert überschreitet. Dies erlaubt es auf vorteilhafte Weise, den Wechselrichter noch weniger verlustbehaftet zu betreiben. Denkbar ist, dass weitere zu dem dritten Leistungshalbleiter parallel geschaltete Leistungshalbleiter in Abhängigkeit des Betriebspunktes jeweils anderer zu ihnen parallel geschalteter Leistungshalbleiter geschaltet werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Wechselrichter aufweisend mehrere Schalteinheiten, wobei mindestens eine, vorzugsweise alle, Schalteinheiten jeweils einen ersten Leistungshalbleiter und einen zweiten Leistungshalbleiter aufweisen, wobei der Wechselrichter eine Ansteuereinheit aufweist, wobei die Ansteuereinheit dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters durchzuführen und den zweiten Leistungshalbleiter in Abhängigkeit des Betriebspunktes des ersten Leistungshalbleiters zu schalten. Der erste Leistungshalbleiter und der zweite Leistungshalbleiter sind parallel geschaltet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die mindestens eine, vorzugsweise alle, Schalteinheiten jeweils einen dritten Leistungshalbleiter aufweisen, wobei die Ansteuereinheit dazu konfiguriert ist den dritten Leistungshalbleiter in Abhängigkeit eines Betriebspunktes des zweiten Leistungshalbleiters zu schalten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Antriebsstrang aufweisend eine Batterie, einen erfindungsgemäßen Wechselrichter und eine elektrische Maschine.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
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Denkbar ist aber auch ein anderes, vorzugsweise industrielles, Umfeld, welches den erfindungsgemäßen Antriebsstrang aufweist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, wobei der Wechselrichter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf den erfindungsgemäßen Wechselrichter, den erfindungsgemäßen Antriebsstrang, auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch einen Wechselrichter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
- 2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
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1 illustriert schematisch einen Wechselrichter 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Der Wechselrichter 1, hier ist ein Dreiphasenwechselrichter dargestellt, weist sechs Schalteinheiten 8 auf. Jede der Schalteinheiten 8 weist ihrerseits wiederum einen ersten Leistungshalbleiter 2, einen zum ersten Leistungshalbleiter 2 parallel geschalteten zweiten Leistungshalbleiter 3 und einen zum zweiten Leistungshalbleiter 3 parallel geschalteten dritten Leistungshalbleiter 4 auf, was in der exemplarischen vergrößerten Detaildarstellung einer der Schalteinheiten 8 erkennbar ist.
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Im Betrieb des Wechselrichters 1 werden die Leistungshalbleiter 2, 3, 4 der Schalteinheiten 8 geöffnet und geschlossen, das heißt es wird eine galvanische Verbindung zwischen Eingängen der Leistungshalbleiter 2, 3, 4 und Ausgängen der Leistungshalbleiter 2, 3, 4 und damit zwischen den Eingängen der Schalteinheiten 8 und den Ausgängen der Schalteinheiten 8 hergestellt bzw. getrennt.
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Zur Steuerung des Öffnens und Schließens der Leistungshalbleiter 2, 3, 4 weist der Wechselrichter 1 eine Ansteuereinheit 5 oder vorzugsweise mehrere Ansteuereinheiten 5, 6, 7 auf. Denkbar ist, dass jede Schalteinheit 8 eine Ansteuereinheit oder mehrere Ansteuereinheiten 5, 6, 7 aufweist. Hier dargestellt ist ein Wechselrichter 1, dessen Schalteinheiten 8 jeweils zur Steuerung des zweiten Leistungshalbleiters 3 eine Ansteuereinheit 5, zur Steuerung des ersten Leistungshalbleiters 2 eine weitere Ansteuereinheit 7 und zur Steuerung des dritten Leistungshalbleiters 4 eine zusätzliche Ansteuereinheit 6 aufweisen. Zum Öffnen eines Leistungshalbleiters 2, 3, 4 wird von der jeweiligen Ansteuereinheit 5, 6, 7 eine Spannung an einem Steuer-Eingang, beispielsweise an einem Gate-Eingang des entsprechenden Leistungshalbleiters 2, 3, 4 angelegt.
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Zur Verringerung der Schaltverluste werden die Leistungshalbleiter 2, 3, 4 nicht gleichzeitig geöffnet. Nachdem der erste Leistungshalbleiter 2 geöffnet ist, wird dessen Betriebspunkt von der Ansteuereinheit 5 überwacht. Dazu wird der Phasenstrom durch die Schalteinheit 8 mit den Leistungshalbleitern 2, 3, 4 gemessen. Erreicht der Betriebspunkt des ersten Leistungshalbleiter 2 einen Grenzwert, vorzugsweise die Betriebsgrenze des ersten Leistungshalbleiters 2, so wird der zweite Leistungshalbleiter 3 von der Ansteuereinheit 5 geschaltet und geschlossen. Erreicht der Betriebspunkt des zweiten Leistungshalbleiter 2, welcher von der zusätzlichen Ansteuereinheit 6 überwacht wird, einen Grenzwert, vorzugsweise die Betriebsgrenze des zweiten Leistungshalbleiters 3, so wird der dritte Leistungshalbleiter 4 von der zusätzlichen Ansteuereinheit 6 geschaltet und geschlossen. Der erste Leistungshalbleiter 2 wird von der weiteren Ansteuereinheit 7 geschaltet.
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Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, Schaltverluste im Wechselrichter 1 deutlich zu verringern.
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2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Der Antriebsstrang 100 weist eine Batterie 101, eine elektrische Maschine 102 und einen Wechselrichter 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf. Der Wechselrichter 1 wird mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben.
