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Der elektrische Antrieb von Elektrofahrzeugen (oder Hybridfahrzeugen) weist einen Elektromotor sowie einen Inverter auf, der von einer Batterie gespeist wird. Diese Batterie ist als Hochvolt-Akkumulator ausgebildet und stellt eine Gleichspannung bereit, die von dem Inverter in einen Drehstrom zur Erzeugung einer Drehbewegung im Elektromotor (allgemein: elektrische Maschine) umgewandelt wird. Insbesondere bei Leistungen von 100 kW und mehr entstehen im Inverter Verlustleistungen von relevanter Höhe, so dass die Verwendung von Hochleistungstransistoren mit geringem Durchlasswiderstand erforderlich ist. Ferner sind die mit den Transistoren einhergehenden Kosten zu beachten. Zudem ist bei zahlreichen Elektromotoren erforderlich, dass diese im Fehlerfall auf einen sicheren Zustand als Rückfallposition gebracht werden können. Dies wird üblicherweise ausgeführt, indem der Inverter einen Kurzschluss für die Wicklungen des Elektromotors vorsieht, um unerwünscht hohe Spannungen zu vermeiden, der bei einem ausrollenden Fahrzeug entstehen kann. Auch hierbei sind die zugehörigen Sicherheitsmaßnahmen möglichst kosteneffizient und gleichzeitig sicher und verlässlich auszuführen. Es ist darauf zu achten, dass auch im Fehlerfall die Hochleistungstransistoren nicht überlastet werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein effizienter Elektromotor-Inverter dargestellt werden kann, der auf einfache und kostengünstige Weise einen Mechanismus zum Schutz vor Überlastung von Transistoren im Fehlerfall für den Antrieb vorsieht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Elektromotor-Inverter und das Fahrzeugbordnetz nach den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale, Eigenschaften, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Es wird vorgeschlagen, einen Inverter mit Transistoren auszurüsten, die selbstleitend sind. Dies betrifft nur die Highside-Transistoren oder nur die Lowside-Transistoren. Als Highside-Transistoren werden diejenigen Transistoren des Inverters bezeichnet, die direkt mit einer positiven Potentialschiene eines Gleichspannungsanschlusses verbunden sind. Die Lowside-Transistoren sind diejenigen, welche mit einer negativen Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses des Inverters verbunden sind. Durch die Verwendung von selbstleitenden Transistoren ist zum einen der Einsatz von Transistorentypen bzw. von Halbleitertechnologien möglich, mit dem sich hohe Wirkungsgrade bzw. geringe Verlustleistungen erreichen lassen. Dies trifft insbesondere für JFET-Halbleiter zu. Zum anderen hat die Verwendung von selbstleitenden Transistoren den Vorteil, dass bei einem Treiberausfall die selbstleitenden Transistoren einen Phasenkurzschluss für die angeschlossene elektrische Maschine bilden und so bei der Verwendung von permanenterregten elektrischen Maschinen ein automatisch sicherer Zustand vorgesehen wird. In diesem Zustand wird kontrolliert ein Kurzschlussstrom erzeugt, wenn das Fahrzeug noch ausrollt und dadurch die elektrische Maschine noch elektrische Leistung erzeugt.
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Bei einem Rückwärtsstrom (der im Fehlerfall fließen kann) durch den selbstleitenden Transistor ist die Inversdiode des Transistors leitend. Hierbei fällt an dem Transistor jedoch eine hohe Spannung über der Schaltstrecke ab, insbesondere eine Spannung, die größer ist als die Spannung des Transistors in leitendem Zustand. Die Erfindung sieht vor, im Fall eines Rückwärtsstroms (Stromfluss durch die Schaltstrecke des Transistors in Durchflussrichtung der Inversdiode des Transistors), d.h. im Falle eines Rückwärtsbetriebs des Transistors, den selbstleitenden Transistor anzuschalten. In leitendem Zustand fällt eine geringe Spannung als die Durchflussspannung des Transistors über dessen Schaltstrecke ab, so dass die Verlustleistung des Transistors deutlich geringer ist. Dadurch wird vermieden, dass der Transistor geschädigt wird.
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Der hier beschriebene Elektromotor-Inverter weist neben einem Gleichspannungsanschluss (an der Gleichstromseite des Inverters) und einem Phasenanschluss (an der Wechselstromseite des Inverters) mindestens eine Halbbrücke auf. Die Halbbrücke verfügt über einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor. Für jede Halbbrücke gilt, dass die Transistoren der Halbbrücke in Reihe geschaltet sind. Dies trifft insbesondere für den Highside-Transistor und den Lowside-Transistor zu.
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Der Verbindungspunkt zwischen dem Highside-Transistor und dem Lowside-Transistor in jeder Halbbrücke bildet eine Phase des Phasenanschlusses, an dem eine elektrische Maschine angeschlossen werden kann. Die Transistoren des Inverters können als BnC-Brücke geschaltet sein, wobei n der doppelten Phasenanzahl entspricht (und somit der Anzahl der Transistoren des Inverters). Insbesondere können die Transistoren als B6C oder B12C-Brücke ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Highside- und ein Lowside-Transistor eine Halbbrücke bildet.
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Der Gleichspannungsanschluss hat zwei Potentiale und weist somit zwei Leiter oder Kontakte auf. Für jeweils einen Leiter oder Kontakt ist eine Potentialschiene vorgesehen. Der Gleichspannungsanschluss ist insbesondere als Hochvoltanschluss ausgebildet, und somit insbesondere für eine Nennspannung von mehr als 60 V, von mehr als 100 V, von mindestens 200 V, von mindestens 400 V oder mindestens 800 V. Der Inverter ist insbesondere ein Leistungsinverter und für eine Leistung von mindestens 10 kW, 50 kW oder 100 kW ausgebildet. Der Inverter weist ferner den Phasenanschluss auf, der mehrphasig ausgebildet sein kann (insbesondere, wenn mehrere Halbbrücken vorgesehen sind). Dieser Phasenanschluss ist ebenso ein Hochvolt-Phasenanschluss mit den vorangehend genannten Nennspannungswerten. Die Anzahl der Phasen des Phasenanschluss entspricht insbesondere der Anzahl der Halbbrücken (d.h. 1, 2, oder mehr als 2, etwa 3 oder 6). Da jede Halbbrücke einen Verbindungspunkt aufweist, an den eine Phase des Phasenanschlusses angeschlossen ist, ist die Anzahl der Phasen des Phasenanschlusses vorzugsweise identisch mit der Anzahl der Highside-Transistoren, der Lowside-Transistoren oder der Halbbrücken.
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Als Transistoren werden hierin einzelne Transistor-Bauelemente bezeichnet. Als Transistoren werden hierin ferner einzelne Verschaltungen von Transistor-Bauelementen, Transistorchips oder Transistorzellen bezeichnet, insbesondere Parallelschaltungen von Transistor-Bauelementen, Transistorchips oder Transistorzellen. Ein Transistor bzw. Transistor-Bauelement kann somit mehrere verschaltete Transistorchips aufweisen, die miteinander verschaltet sind, oder kann (nur) einen einzelnen Transistorchip aufweisen oder mehrere miteinander verschaltete Transistor-Bauelemente. Jeder Transistorchip kann eine Transistorzelle aufweisen oder weist vorzugsweise eine Vielzahl von (miteinander verschalteten) Transistorzellen auf.
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Der Inverter weist mindestens eine Halbbrücke auf. Jede Halbbrücke verfügt über einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor. Die Highside-Transistoren sind (nicht über die Lowside-Transistoren) mit einer positiven Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Lowside-Transistoren sind mit einer negativen Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses bzw. einem negativen Potential hiervon verbunden, insbesondere ohne dass diese Verbindung über einen Highside-Transistor führen würde. Der Lowside-Transistor kann direkt mit dem negativen Potential des Gleichspannungsanschlusses verbunden sein.
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Ferner kann in der Halbbrücke ein zusätzlicher Transistor (in Reihenschaltung) vorgesehen sein; bei mehreren Halbbrücken kann für eine Halbbrücken-Untergruppe oder für alle Halbbrücken ein zusätzlicher Transistor (in Reihenschaltung) vorgesehen sein. Dieser zusätzliche Transistor kann als Zusatztransistor bezeichnet werden. Es ist vorzugsweise eine Ansteuerung für den Zusatztransistor vorhanden, die diesen dauerhaft ein- oder ausschaltet, während im Vergleich hierzu die Highside- und Lowside-Transistoren getaktet angesteuert werden. Die Schaltgeschwindigkeit in dem getakteten Betrieb hängt daher von der Schaltgeschwindigkeit der Highside- und Lowside-Transistoren ab, und nicht von der Schaltgeschwindigkeit des Zusatztransistors. Der Zusatztransistor kann ein MOSFET sein. Der Zusatztransistor ist insbesondere ein selbstsperrender Transistor.
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Der Highside-Transistor ist insbesondere direkt mit einem positiven Potential des Gleichspannungsanschlusses verbunden, kann jedoch auch über einen Zusatztransistor mit diesem verbunden sein.
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Einer dieser Transistoren einer Halbbrücke (d. h. der Highside-Transistor oder der Lowside-Transistor) ist ein selbstleitender Transistor. Als selbstleitender Transistor werden Transistoren bezeichnet, die bei einem nicht vorhandenen Basisstrom (0 A) oder bei einer nicht vorhandenen Gatespannung (0 V) leiten. Selbstleitende Transistoren leiten, wenn keine Steuerspannung oder kein Steuerstrom an dem Gate oder an der Basis anliegt. Dadurch, dass die Transistoren selbstleitend sind, ergibt sich bei Ausfall von Treibern oder der Steuerung automatisch ein Kurzschluss zwischen den Phasenanschlüssen, so dass eine in dem angeschlossenen Elektromotor induzierte Spannung aus Sicherheitsgründen kurzgeschlossen ist. Insbesondere ist es möglich, JFETs als selbstleitende Transistoren zu verwenden.
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Als selbstsperrende Transistoren werden Transistoren bezeichnet, die ohne Basisstrom bzw. Basisspannung bzw. ohne Gate-Spannung sperren. Somit sind Transistoren, die ohne Ansteuerung sperren, selbstsperrend.
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Der Elektromotor-Inverter weist ferner eine Ansteuerschaltung auf. Diese ist eingerichtet ist, einen Stromfluss größer null durch die Inversdiode des selbstleitenden Transistors festzustellen und, falls ein Stromfluss größer null durch diese Inversdiode besteht, den selbstleitenden Transistor in einen leitenden Zustand zu versetzen. Mit anderen Worten ist die Ansteuerschaltung eingerichtet, einen Stromfluss in durch den Transistor festzustellen, der in die gleiche Richtung wie die Flussrichtung der Inversdiode fließt. Falls ein derartiges Ereignis ermittelt wird (insbesondere von der Ansteuerschaltung), dann versetzt die Ansteuerschaltung den selbstleitenden Transistor in einen leitenden Zustand, d.h. der Transistor wird angeschaltet. Der leitende Zustand wird vorzugsweise aufrechterhalten, solange die Stromrichtung durch den Transistor (bzw. durch dessen Schaltstrecke, etwa Source-Drain) der Flussrichtung der Inversdiode entspricht. Die Flussrichtung der Inversdiode entspricht der Flussrichtung bei Rückwärtsbestromung der Schaltstrecke des Transistors. Für die Dauer der Rückwärtsbestromung der Schaltstrecke des Transistors wird dieser leitend angesteuert (d.h. gemäß einem AN-Zustand angesteuert). Dadurch fällt bei Rückwärtsbestromung eine geringere Spannung an der Schaltstrecke, d.h. über dem Transistor, ab. Dies verringert die Verlustleistung am Transistor wesentlich. Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei einer negativen Drain-Source-Spannung über dem Transistor, d.h. einer negativen Spannung über der Schaltstrecke Drain-Source, der selbstleitende Transistor eingeschaltet ist. Der hier beschriebene Mechanismus des Anschaltens ist insbesondere nicht abhängig von einem Normalbetrieb-Steuersignal, etwa einem PWM-Signal, so dass unabhängig von dem Pegel des für den Inverterbetrieb vorgesehenen Ansteuersignals der selbstleitende Transistor in leitenden Zustand versetzt wird, wenn der genannte Zustand (Rückwärtsbestromung, Stromfluss durch die Inversdiode) besteht.
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Die Ansteuerschaltung ist eingerichtet, eine Polarität der Spannung über der Schaltstrecke des selbstleitenden Transistors zu erfassen. Ferner ist sie eingerichtet, bei einer Polarität der Spannung, die der Durchflussrichtung der Inversdiode (oder einer Rückwärtsbestromung des Transistors) entspricht, den Zustand „Stromfluss größer null durch die Inversdiode hindurch“ festzustellen. Dadurch kann anhand der Polarität der Spannung über der Schaltstrecke des Transistors der Rückwärtsbetrieb erfasst werden (der den leitenden Zustand auslöst).
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Es ist ferner möglich, dass die Ansteuerschaltung eingerichtet ist, einen Betrag der Spannung über der Schaltstrecke des selbstleitenden Transistors zu erfassen und, bei einem Betrag, der über einem Spannungsbetrag liegt, der bei leitendem Zustand besteht, den Stromfluss größer null durch die Inversdiode hindurch festzustellen. Durch den höheren Spannungsabfall wird erkannt, dass der Strom durch die Inversdiode und nicht durch die Schaltstrecke (Drain-Source) fließt. Wird dies ermittelt, dann wird der genannte Mechanismus durchgeführt, d.h. das Versetzen des Transistors in leitenden Zustand (insbesondere zumindest bis die Rückwärtsbestromung des Transistors beendet ist). In dieser Ausführung wird der Spannungsbetrag über der Schaltstrecke des Transistors als Maß verwendet, gemäß dem die Rückwärtsbetromung festgestellt wird. Wie erwähnt kann zusätzlich oder alternativ auch das Vorzeichen (Polarität) des durch den Transistor fließenden Stroms oder das Vorzeichen (Polarität) der Spannung verwendet werden, die über der Schaltstrecke des Transistors anliegt. Dadurch kann anhand des Betrags der Spannung über der Schaltstrecke des selbstleitenden Transistors der Rückwärtsbetrieb erfasst werden (der den leitenden Zustand auslöst).
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Der so ausgelöste leitende Zustand des selbstleitenden Transistors endet vorzugsweise mit dem Ende des Rückwärtsbetrieb, oder wenn abgeschätzt wird, dass das Ende des Rückwärtsbetriebs unmittelbar bevorsteht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der selbstleitende Transistor nur während des Rückwärtsbetriebs in den leitenden Zustand versetzt wird. Fließt Strom durch den Transistor (d.h. durch dessen Schaltstrecke und/oder durch die Inversdiode) in einer Richtung, die der Flussrichtung der Inversdiode entspricht, wird dies als Rückwärtsbetrieb oder als Rückwärtsbestromung bezeichnet. Mit dem Erfassen des Stromfluss größer null durch die Inversdiode beginnt der leitende Zustand des Transistors. Mit dem Ende dieses Rückwärtsbetriebs wird der (dauerhaft) leitende Zustand des Transistors beendet.
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Es wird vorzugsweise ermittelt, ob ein Stromfluss in Flußrichtung der Inversdiode festzustellen ist, auch nachdem der selbstleitende Transistor in den leitenden Zustand versetzt wurde. Es wird somit auch nach dem Versetzen des Transistors in leitenden Zustand der Stromfluss (und insbesondere dessen Richtung) über die Schaltstrecke überwacht. Es kann hierzu die Polarität der über dem Transistor abfallenden Spannung überwacht werden, auch nachdem der selbstleitende Transistor in leitenden Zustand versetzt wurde. Vorteilhafterweise ist das Versetzen in leitenden Zustand nur temporär und endet insbesondere mit dem Ende des Stromflusses durch den Transistor in Richtung der Durchflussrichtung der Inversdioden oder mit dem Ende eines Zustands, in dem die Polarität der Spannung über dem Transistor einem Rückwärtsbetrieb entspricht. Fließt Strom durch den Transistor (d.h. durch dessen Schaltstrecke und/oder durch die Inversdiode) in einer Richtung, die der Flussrichtung der Inversdiode entspricht, oder liegt eine Spannung über dem Transistor an, deren Polarität mit dem Durchlassbetrieb der Inversdiode entspricht, kann dies als Rückwärtsbetrieb bezeichnet werden. Wenn der Transistor auf Grund des erkannten Diodenstromes (durch die Inversdiode) der Transistor leitend geschaltet wurde, wird vorzugsweise weiterhin der Betrag der Spannung über der Schaltstrecke des selbstleitenden Transistors erfasst, um bei Verringerung des rückwärts fließenden Stromes rechtzeitig vor einer drohenden Stromumkehr den Transistor wieder zu öffnen. Der leitende Zustand des Transistors kann daher bereits beendet werden, wenn erfasst wird, dass der Betrag der Spannung über dem Transistor unter einen vorgegebenen Betrag fällt. Allgemein kann der (durch den Rückwärtsbetrieb hervorgerufene) leitende Zustand des Transistors bereits beendet werden, wenn eine Extrapolation oder Prognose über den Verlauf der über den Transistor abfallende Spannung oder über den Strom durch den Transistor als Ergebnis das Ende des Rückwärtsbetriebs vorsieht. Dadurch kann bereits vorzeitig, d.h. vor dem prognostizierten Ende des Rückwärtsbetriebs, der leitende Zustand beendet wurden, der vorangehend durch den Stromfluss durch die Inversdiode von größer null eingeleitet wurde.
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Die Ansteuerschaltung kann eine Treiberschaltung des betreffenden Transistors oder eine (insbesondere der Treiberschaltung vorgeschaltete Steuerung) sein. Die Ansteuerschaltung kann somit eine Treiberschaltung sein, die mit dem einem Gate (allgemein: Steuereingang) des Transistors ansteuernd verbunden ist. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise eingerichtet, eine Spannung zwischen Source und Drain des Transistors (allgemein: über der Schaltstrecke des Transistors) zu erfassen oder zumindest eine Polarität dieser Spannung, um anhand der Spannung zu erfassen, wenn ein Stromfluss größer null durch diese Inversdiode dieses Transistors oder eine Rückwärtsbestromung der Schaltstrecke besteht. Alternativ kann die Ansteuerschaltung eine Steuerung sein, die ansteuernd mit einer Treiberschaltung verbunden ist, welche dem Transistor vorgeschalteten ist. Die Steuerung kann eingerichtet sein, eine Spannung zwischen Source und Drain (allgemein: eine Spannung über der Schaltstrecke) des Transistors zu erfassen oder zumindest eine Polarität dieser Spannung, um anhand der Spannung zu erfassen, wenn ein Stromfluss größer null durch diese Inversdiode dieses Transistors oder eine Rückwärtsbestromung der Schaltstrecke besteht. Die Rückwärtsbestromung kann daher von der Treiberschaltung (kurz: Treiber) des Transistors oder von einer anderen Instand erkannt werden, insbesondere ein dem Transistor vorgeschaltete Instanz. Das Vorliegen einer Rückwärtsbestromung (Spannungspolarität über Schaltstrecke invers zu Spannungspolarität bei Normalbetrieb, Betrag Spannungsabfall über Schaltstrecke höher als bei leitendem Zustand, Stromfluss durch Inversdiode) kann auch als Diodenbetrieb-Fehler bezeichnet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Ansteuerschaltung eingerichtet, den Diodenbetrieb-Fehler zu erfassen. In dem Diodenbetrieb-Fehler besteht ein Stromfluss größer null durch die Inversdiode des selbstleitenden Transistors (oder eine im Vergleich zum Normalbetrieb negative Spannung über der Schaltstrecke oder ein Spannungbetrag größer als im leitenden Zustand). Vorzugsweise ist die Ansteuerschaltung eingerichtet, mindestens einen der folgenden Fehler zu erfassen:
- Ein Falschoffen-Fehler, in dem trotz Ansteuerung gemäß geschlossenem Zustand der selbstleitende Transistor in einem offenen Zustand ist, etwa weil die Schaltstrecke durchgebrannt ist.
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Ein Kurzschluss-Fehler, in dem trotz Ansteuerung gemäß offenem Zustand der selbstleitende Transistor in einem geschlossenen Zustand ist, etwa weil die Schaltstrecke kurzgeschlossen ist. Der Transistor ist hierbei nicht mehr sperrfähig.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei Bestehen eines Falschoffen-Fehlers der andere Transistor der Halbbrücke leitend geschaltet wird, insbesondere um einen Phasenkurzschluss herzustellen. Die Ansteuerschaltung ist hierzu eingerichtet.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei bestehen eines Kurzschluss-Fehlers der andere Transistor der Halbbrücke in einen offenen Zustand gebracht wird, insbesondere um einen Brückenkurzschluss herzustellen. Die Ansteuerschaltung ist hierzu eingerichtet.
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Eine Ausführungsform des Elektromotor-Inverters sieht vor, dass dieser mehrere Phasenanschlüsse und mehrere Halbbrücke aufweist. Die Halbbrücken weisen jeweils einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor auf. Von diesen ist einer selbstleitend und einer ist selbstsperrend. Die Ansteuerschaltung ist eingerichtet ist, für jeden der selbstleitenden Transistoren einen Stromfluss größer null durch die jeweilige Inversdiode festzustellen, etwa durch Erfassen des Spannungsbetrags über der Schaltstrecke, der Spannungspolarität über der Schaltstrecke oder der Stromrichtung über der Schaltstrecke. Falls dort ein Stromfluss größer null besteht, ist die Ansteuerschaltung eingerichtet, den jeweiligen selbstleitenden Transistor (für den der Rückwärtsbestromungszustand ermittelt wurde) in einen leitenden Zustand zu versetzen. Mit anderen Worten werden bei Verwendung mehrerer Halbbrücken diese individuell gemäß der hier beschriebenen Vorgehensweise überwacht und ggf. in leitenden Zustand versetzt.
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Es kann vorgesehen sein, dass für jede bestehende Halbbrücke der Lowside-Transistor der selbstleitende Transistor ist, und der Highside-Transistor der selbstsperrende Transistor ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Lowside-Transistor der selbstleitende Transistor ist, und der Highside-Transistor der selbstleitende Transistor ist.
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Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen Schalter, der zwischen der mindestens einen Halbbrücken und dem Gleichspannungsanschluss vorgesehen ist. Mit diesem Schalter lässt sich die mindestens eine Halbbrücke von dem Gleichspannungsanschluss und insbesondere von einem Akkumulator abtrennen, der im Rahmen eines Fahrzeugbordnetzes an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossen sein kann. Der Schalter ist insbesondere ein selbstsperrender Schalter, falls dieser als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Der Schalter kann ferner als elektromechanischer Schalter vorgesehen sein, der in unbestromten Zustand, d. h. ohne Steuerungssignal, geöffnet ist. Bei dem Schalter kann es sich somit um ein Relais oder ein Schütz handeln, dass als Schließer ausgestaltet ist. Der Schalter kann in nur einer Potentialschiene (zwischen Gleichspannungsanschluss und Halbbrücken) vorgesehen sein oder in beiden und somit zweipolig ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist der Schalter ist in der positiven Potentialschiene seriell angeschlossen.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen keinen Schalter, der zwischen der mindestens einen Halbbrücke und dem Gleichspannungsanschluss vorgesehen ist, sondern eine direkte, schalterfreie Verbindung zwischen den Halbbrücken und dem Gleichspannungsanschluss. Hierbei ist die Steuerung und/oder die Treiber der Transistoren ausgestaltet, bei fehlerfreiem Betrieb in jedem Betriebszustand mindestens einen Transistor jeder Halbbrücke in sperrendem Zustand vorzusehen, um einen Brückenkurzschluss zu vermeiden. Diese derart angesteuerten Transistoren oder selbstleitende Transistoren, deren Treiber bei fehlendem Eingangssignal oder einem Eingangssignal mit niedrigem Pegel den Transistor im gesperrten Zustand ansteuern, können als funktionell-selbstsperrende Transistoren bezeichnet werden.
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Die Treiber können Versorgungseingänge aufweisen, die mit unterschiedlichen Spannungsquellen verbunden sind. Die Treiber der Lowside-Transistoren können mit einer anderen Spannungsquelle verbunden sein als die Treiber der Highside-Transistoren. Hierbei kommen als unterschiedliche Spannungsquellen eine Niedervoltenergieversorgung einerseits und der Gleichspannungsanschluss (entsprechend einer Hochvoltenergieversorgung) andererseits in Betracht. Es ergibt sich eine Redundanz, die gewährleistet, dass die Lowside-Transistoren oder die Highside-Transistoren (oder beide Transistorengruppen) in gesteuerter Weise gesperrt werden können.
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Um auf günstige Weise einen schnellschaltenden Inverter darzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad hat, wird für den selbstleitenden Transistor vorzugsweise ein JFET verwendet. Mit dem Begriff JFETs (JFET - junction field effect transistor) werden Sperrschicht-Feldeffekt Transistoren bezeichnet. Der selbstsperrende Transistor kann als MOSFET oder IGBT ausgebildet sein. Auch der oder die Zusatztransistoren können als selbstsperrender Transistor ausgebildet sein, etwa als selbstsperrender MOSFET oder selbstsperrender IGBT. Der Zusatztransistor kann ein Niederspannungstransistor sein, etwa ein Transistor mit einer Maximalspannung von nicht mehr als 20 V, 40 V, 50 V oder 60 V, wobei die Maximalspannung die maximal zulässige zwischen Source und Drain oder zwischen Emitter und Kollektor des Transistors ist. Diese Maximalspannung entspricht insbesondere der Durchbruchspannung des Transistors. Die Nenn-Stromtragfähigkeit des Zusatztransistors bzw. der Zusatztransistoren beträgt vorzugsweise von mindestens 20 A, 100 A oder 200 A.
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Die Transistoren der Halbbrücken sind vorzugsweise Leistungstransistoren mit einer Nenn-Stromtragfähigkeit von mindestens 20 A, 100 A oder 200 A.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Inverter Highside- und Lowside-Treiber aufweist. Die Highside-Treiber sind ansteuernd mit den Highside-Transistoren verbunden. Die Lowside-Treiber sind ansteuernd mit den Lowside-Transistoren verbunden. Für jeden Transistor besteht ein zugehöriger Treiber; bei nur einem Lowside- und nur einem Highside-Transistor besteht ein Treiber für Highside und ein Treiber für Lowside. Die Treiber weisen jeweils Versorgungseingänge auf, über die diese mit einer Versorgungsspannung versorgt werden können. Die Versorgungseingänge der Lowside-Treiber sind vorzugsweise mit einer Niedervoltenergieversorgung verbunden, können jedoch auch direkt oder indirekt mit dem Gleichspannungsanschluss (die somit eine Hochvoltenergieversorgung bildet) verbunden sein. Die Versorgungseingänge der Highside-Treiber sind mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden, oder sind, als alternative Ausführungsform, direkt oder indirekt mit dem Gleichspannungsanschluss (d.h. mit einer Hochvoltenergieversorgung) verbunden. Der Gleichspannungsanschluss dann als Hochvoltenergieversorgung betrachtet werden. Vorzugsweise werden die Highside-Treiber mit einer anderen der beiden Energieversorgung betrieben als die Lowside-Treiber. Im letztgenannten Fall ergibt sich eine teilredundante Versorgung der Treiber, so dass bei Ausfall einer Spannungsversorgung einiger Treiber die andere Spannungsversorgung die verbleibenden Treiber versorgt, und diese Treiber die hiervon angesteuerten Transistoren in einen sperrenden Zustand versetzen können. Einerseits können die Highside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) mit der Hochvoltenergieversorgung (d.h. mit dem Gleichspannungsanschluss) verbunden sind, und die Lowside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) können mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden sein. Andererseits können die Lowside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) mit der Hochvoltenergieversorgung (d.h. mit dem Gleichspannungsanschluss) verbunden sind, und die Highside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) können mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden sein.
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Der Gleichspannungsanschluss kann beispielsweise einen 400 V - oder 800 V - Anschluss sein, während die Niedervoltenergieversorgung dargestellt wird von einem Niedervoltbordnetzzweig. Dieser kann beispielsweise über einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sein bzw. mit dessen Potentialen oder Potentialschienen. Vorzugsweise umfasst die Niederspannungsenergieversorgung einen Niederspannungs-Akkumulator. Die Vorsilbe „Niedervolt-“ definiert eine Nenn-Betriebsspannung der betreffenden Komponente von nicht mehr als 12 V, 13 V, 14, V, 24 V, 48 V oder weniger als 60 V. Die Vorsilbe „Hochvolt-“ definiert eine Nenn-Betriebsspannung der betreffenden Komponente von mindestens 60 V, 100 V, 200 V, 400 V oder 800 V.
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Der Inverter kann eine Steuerung aufweisen, die eingerichtet ist, in einem Fahr- oder Rekuperationszustand die selbstleitenden Transistoren der Halbbrücken getaktet anzusteuern, insbesondere zur Erzeugung eines Drehstroms an dem Phasenanschluss oder einer gleichgerichteten Spannung an dem Gleichspannungsanschluss. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, in einem Fahr- oder Rekuperationszustand die Halbbrücken anzusteuern, einen (mehrphasigen) Sinus-Drehstrom zu erzeugen, der durch die verschiedenen Halbbrücken fließt. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, bei Vorliegen eines Fehlers (des Diodenbetrieb-Fehlers und/oder des Falschoffen-Fehlers) in einem Rückfallzustand zu gehen. In diesem sind die selbstleitenden Transistoren in einem leitenden Zustand vorzusehen, d. h. diese zu schließen oder gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern. Dadurch wird ein Kurzschluss der Phasen des Phasenanschlusses erzeugt. Wenn in diesem Zustand beispielsweise das Fahrzeug, in dem sich der Inverter befindet, noch ausrollt und somit der Elektromotor durch die kinetische Energie des Fahrzeugs als Generator angetrieben wird, kann der Elektromotor abhängig von seiner Ausgestaltung eine Spannung erzeugen, die unerwünscht hoch sein kann. Um dies zu vermeiden, wird daher in einem Rückfallzustand der Kurzschluss wie erwähnt erzeugt. Der Rückfallzustand kann einem Fehlerzustand entsprechen, in dem ein Fehler im Fahrzeugbordnetz, beispielsweise im elektrischen Antrieb, im Elektromotor oder anderen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs festgestellt wird. Um weitere Schäden zu vermeiden, wird dann, wenn ein derartiger Fehler erkannt wird, ein Rückfallzustand bzw. eine Rückfallposition für den Inverter eingestellt, wobei in diesem Zustand die Phasenanschlüsse, d. h. die Wicklungsanschlüsse des angeschlossenen Elektromotors kurzgeschlossen sind.
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Es wird ferner ein elektrischer Fahrzeugantrieb mit einer selbsterregten elektrischen Maschine und einem wie hier beschriebenen Elektromotor-Inverter dargestellt. Die elektrische Maschine ist hierbei über den Phasenanschluss mit dem Elektromotor-Inverter verbunden. Hierbei kann die elektrische Maschine, die Halbbrücke und/oder die Verbindung zwischen der Halbbrücke und den Wicklungen der elektrischen Maschine frei von Freilaufdioden ausgebildet sein. Dies bedeutet eine Kostenersparnis.
Es wird die Verwendung von JFETs zur Ausbildung eines Inverters eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs beschrieben, insbesondere eines elektrischen Antriebs mit einer permanenterregten elektrischen Maschine, die von dem Inverter versorgt wird. Durch den selbstleitenden Charakter der JFETs ergibt sich ein Kurzschluss der Phasen der elektrischen Maschine, so dass im Generatorzustand die elektrische Maschine keine schädlichen, hohen Spannungen an den Inverter abgibt. Insbesondere wird die Verwendung eines JFETs als selbstsperrender Transistor beschrieben, der bei einer Rückwärtbestromung durch Einstellen eines leitenden Zustands eine Verlustleistung des Transistors verringert.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung von Ausgestaltungen des hier beschriebenen Inverters und des Fahrzeugantriebs.
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Die 1 zeigt einen Abschnitt eines Fahrzeugbordnetzes, der einen Akkumulator A, einen daran über Gleichstromanschlüsse AN angeschlossenen Elektromotor-Inverter I und einen mehrphasigen Phasenanschluss P zum Anschluss an einen Elektromotor (nicht dargestellt) aufweist. In der 1 ist der Inverter I mit Halbbrücken B1 - B3 dargestellt, die eine B6C-Brücken bilden. Der Inverter I weist somit drei Halbbrücken B1 - B3 auf, wobei jede Halbbrücke einen Lowside-Transistor L und einen Highside-Transistor H umfasst.
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Die Highside-Transistoren H sind in der 1 als eine erste Gruppe (ebenfalls Bezugszeichen H) dargestellt, während die Lowside-Transistoren L als eine zweite Gruppe (mit dem gleichen Bezugszeichen L) dargestellt sind. Die erste Gruppe, d.h. die Highside-Transistoren, ist bzw. sind direkt mit der positiven Potentialschiene + verbunden. Die zweite Gruppe, d.h. die Lowside-Transitoren L ist bzw. sind direkt mit der negativen Potentialschiene - verbunden. In der 1 sind die Lowside-Transistoren L selbstleitende Transistoren. Ferner sind die Highside-Transistoren H selbstsperrende Transistoren.
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Der in der 1 dargestellte Inverter umfasst ferner jeweils einen Zwischenkreiskondensator C, der parallel zu dem Gleichspannungsanschluss AN angeschlossen sind, d.h. zwischen die positive Potentialschiene + und die negative Potentialschiene -. Da auch der Akkumulator A an den Gleichspannungsanschluss AN angeschlossen ist, ist der Zwischenkreiskondensator C parallel an den Akkumulator angeschlossen. Zudem zeigt die 1 einen optionalen Schalter S, der zwischen dem Gleichspannungsanschluss AN einerseits und den Halbbrücken B1 - B3 und dem Zwischenkreiskondensator C andererseits angeschlossen ist. Der Schalter dient zur gesteuerten Abtrennung des Inverters I (bzw. der Stromschienen +, -) von dem Akkumulator A. Zudem weist die Schaltung der 1 eine Steuerung X auf, die, wie symbolhaft dargestellt ist, die Transistoren H, L des Inverters I ansteuert. Zudem ist die Steuerung X vorzugsweise eingerichtet, den Schalter S anzusteuern.
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In der 1 sind die Lowside-Transistoren L selbstleitend dargestellt und sind vorzugsweise als JFETs ausgebildet. Im Gegensatz hierzu sind die Highside-Transistoren H als selbstsperrende Transistoren ausgebildet, beispielsweise als entsprechende MOSFETs. Dadurch wird bei einer ausgefallenen Steuerung oder bei mangelhafter Ansteuerung der Transistoren automatisch an den Phasenanschlüssen von den Lowside-Transistoren L ein Kurzschluss vorgesehen, während die selbstsperrenden Highside-Transistoren der ersten Gruppe H einen Brückenkurzschluss (= Kurzschluss zwischen den Stromschienen +, -) vermeiden.
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Für die selbstleitenden Lowside-Transistoren L sind ferner die zugehörigen Treiber T dargestellt, die ansteuernd mit den Gates der Lowside-Transistoren L verbunden sind. Vorzugsweise sind die Treiber T jeweils eingerichtet, einen Rückwärtsstrom durch den von diesen jeweils angesteuerten Transistor L zu erfassen. Hierzu wird insbesondere die Spannung über der Steuerstrecke, d.h. zwischen Source und Drain der Transistoren L von den zugehörigen Treibern überwacht. Ist diese Spannung (d.h. die Drain-Source-Spannung) negativ, d.h. liegt das Potential des Drains eines der Transistoren L unter dem Potential der Source des betreffenden Transistors, dann wird dies vom Treiber erfasst und der betreffende Transistor wird in leitenden Zustand versetzt. Vorzugsweise werden dann auch die anderen Transistoren der gleichen Gruppe (Highside oder Lowside) in leitenden Zustand versetzt. Dies wird insbesondere von den Treibern T ausgeführt. Daher sind die Treiber T vorzugsweise eingerichtet, die Rückwärtsbestromung zu erfassen und ggf. die betreffenden Transistoren L in leitenden Zustand zu versetzten. In leitendendem Zustand fällt eine geringere Spannung über den selbstleitenden Transistoren ab, so dass durch diese weniger Verlustwärme erzeugt wird. Zur Erfassung der Spannung über dem Transistor (bzw. deren Polarität) wird vorzugsweise eine Drain-Source-Überwachung verwendet, die in den Treibern vorgesehen ist und die auch im Normalbetrieb verwendet wird. Alternativ ist die Steuerung eingerichtet, die Drain-Source-Spannung (bzw. deren Polarität oder deren Betrag) zu überwachen. Die Steuerung kann dann, wenn eine negative Polarität oder wenn ein Betrag der Spannung über einer Flussspannungsgrenze liegt, die den leitenden Zustand des Transistors charakterisiert, die Treiber oder die Transistoren direkt ansteuern, einen leitenden Zustand herzustellen. Es wird vorzugsweise ein Rückbestromungs-Fehler als ein Fehlersignal ausgegeben, wenn die Rückwärtsbestromung (d.h. ein Stromfluss durch die Inversdiode eines der selbstleitenden Transistoren) erkannt wird.
