DE102022120996A1 - Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Halbleiterchips pro Leistungsschalter - Google Patents

Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Halbleiterchips pro Leistungsschalter Download PDF

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs, wobei der Wechselrichter mittels 2n Leistungsschaltern n Phasenspannungen für den Betrieb eines n-phasigen Elektromotors erzeugt, wobei jeder Leistungsschalter mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter aufweist, wovon jeder einen von einer Steuereinheit separat ansteuerbaren Steueranschluss aufweist; wobei das Verfahren aufweist: Ermitteln einer Verlustleistung, die an einem Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von einem Lastpunkt auftritt, welcher einer aktuellen Fahrsituation zugeordnet wird, und in Abhängigkeit von einer Anzahl der in einem Leistungsschalter angesteuerten Leistungshalbleiter; Ansteuern einer Anzahl von Leistungshalbleitern in jedem der Leistungsschalter, bei der die ermittele Verlustleistung minimal ist. Ferner wird ein entsprechend konfigurierter Wechselrichter bereitgestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters mit mehreren Halbleiterchips pro Leistungsschalter, bei dem die Anzahl der aktiven Halbleiterchips in Abhängigkeit vom Lastpunkt variiert wird.
  • In vollelektrischen Antriebssystemen werden Energiewandler eingesetzt, die auch als (Puls)Wechselrichter oder Inverter genannt werden. Der Wechselrichter hat die zentrale Aufgabe, die von der Traktionsbatterie bereitgestellte Gleichspannung in geeignete Wechselspannungen (Phasen) umzuwandeln, mittels welcher die elektrische Maschine angesteuert wird. Gleichzeitig wird durch eine unterlagerte Stromregelung das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment geregelt.
  • Um die Energiewandlung zu ermöglichen, sind Leistungsschalter notwendig, die üblicherweise als Leistungshalbleiter implementiert, von denen mehrere in einer Baugruppe verbaut sind, die als Leistungsmodul bezeichnet wird. Die Leistungsschalter können durch Anlegen eines elektrischen Steuersignals an deren Steueranschluss, dem Gate-Anschluss, angesteuert und somit in den leitenden und nicht leitenden Zustand versetzt werden. Bei den in modernen Elektrofahrzeugen eingesetzten Wechselrichtern arbeiten die Leistungsschalter mit Schaltfrequenzen vom mehreren Zehn Kilohertz, um die Gleichspannung mittels eines Modulationsverfahrens (z.B. PWM) in geeignete Wechselspannungen umzuwandeln.
  • Um die nötige hohe Stromtragfähigkeit von bis zu 100 Ampere und mehr pro Leistungsschalter du damit pro Phase zu ermöglichen, entspricht jeder topologische, also im Schaltplan dargestellte Leistungsschalter mehreren parallelgeschalteten Leistungshalbleitern (Chips). Eine derartige flächenmäßige Aufteilung der schaltenden Halbleiterfläche ermöglicht zudem eine ausreichende Entwärmung.
  • Bei herkömmlichen Wechselrichtern werden immer alle Leistungshalbleiter eines Leistungsschalters angesteuert. Abhängig vom Lastpunkt des elektrischen Antriebs, können sich Fahrsituationen ergeben, insbesondere bei langsamen Fahrten mit niedrigem Drehmoment, bei denen keine hohe Stromlast an den Leistungsschaltern anliegt, und aufgrund der Vielzahl von Leistungshalbleiter pro Schalter die Schaltverluste die Effizienz des Gesamtsystems schmälern. Bei Fahrten mit hohen Geschwindigkeiten und/oder hohem Drehmoment fließen hingegen hohe Ströme durch die Leistungsschalter, so dass eine hohe Stromtragfähigkeit wichtig wird und die Schaltverluste weniger ins Gewicht fallen.
  • Druckschrift DE 102017206553 A1 offenbart einen Umrichter mit mehreren Halbleiterschaltereinheiten, die jeweils eine Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleiterschaltern umfassen, wobei für jeden Halbleiterschalter der Halbleiterschaltereinheiten ein separater Steueranschluss vorhanden ist, sodass die Halbleiterschalter einer Halbleiterschaltereinheit einzeln angesteuert werden können. Dadurch führen Fehler, die die Gate-Ansteuerung selbst betreffen, bspw. ein Ausfall des Gate-Treibers eines der Halbleiterschalter, nicht unmittelbar zum Ausfall des Moduls, da nicht jeder Halbleiterschalter von diesem Fehler betroffen ist.
  • Aus dem europäischen Patent EP 3224934 B1 ein Verfahren zum Ansteuern parallel geschalteter Halbleiterschalter zum Schalten eines Gesamtstroms bekannt, bei dem durch gezieltes unabhängiges Ansteuern der Halbleiterschalter bspw. eine gleichmäßige Verteilung der Leistung auf die Halbleiterschalter ermöglicht wird.
  • Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, den Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Leistungschips pro Leistungsschalter im Hinblick auf seine Effizient zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
  • Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass ein verlustoptimaler Betrieb eines Wechselrichters in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzugs erreicht werden kann, indem in Abhängigkeit vom Lastpunkt eine vorbestimmte Anzahl an Leistungshalbleitern angesteuert wird. Dabei kann sich, je nach Fahrsituation, die Anzahl der angesteuerten und damit aktiv benutzten Leistungshalbleiter von der maximal möglichen Anzahl der ansteuerbaren Leistungshalbleiter unterscheiden. Anders ausgedrückt wird lastpunktabhängig stets eine optimale Anzahl nopt von Leistungshalbleitern pro Leistungsschalter angesteuert, wobei nopt ≤ nmax, mit nmax als maximaler Chipanzahl pro topologischem Leistungsschalter des Wechselrichters.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren ist für einen Wechselrichter ausgelegt, welcher 2n Leistungsschalter aufweist, die jeweils paarweise eine Halbbrücke bilden, und eingerichtet ist n Phasenspannungen für den Betrieb eines n-phasigen Elektromotors zu erzeugen. Jeder Leistungsschalter des Wechselrichters weist dabei mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter auf, wovon jeder einen von einer Steuereinheit separat ansteuerbaren Steueranschluss aufweist. Um eine gute lastabhängige Optimierung aktiv verwendeten Halbleiterchip-Anzahl zu ermöglichen ist es hardwaretechnisch notwendig, dass jeder verbaute Leistungshalbleiter pro topologischen Leistungsschalter ein eigenes unabhängiges Stuersignal (Gatesignal) für die Ansteuerung erhält. Als Leistungsschalter können unterschiedliche halbleiterbasierte Schaltelemente verwendet werden, etwa MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder, insbesondere bei größeren Betriebsspannungen jenseits von 100V IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist in einem ersten Schritt Ermitteln einer Verlustleistung auf, die an einem Leistungshalbleiter (Halbleiterchip) in Abhängigkeit von einem Lastpunkt auftritt, welcher einer aktuellen Fahrsituation zugeordnet wird, und in Abhängigkeit von einer Anzahl der in einem Leistungsschalter angesteuerten Leistungshalbleiter. Anders ausgedrückt wird die aktuelle Fahrsituation einem Lastpunkt zugeordnet. Der Lastpunkt ist mit geeigneten Phasenströmen verbunden, um den Elektromotor mit einem entsprechenden Drehmoment und bei einer entsprechenden Drehzahl zu betreiben. Je nach Anzahl von angesteuerten, d.h. verwendeten Leistungshalbleiter in einem Leistungsschalter, ergibt sich ein anderer Stromfluss durch jeden der angesteuerten Leistungshalbleiter. Daher variiert die Verlustleistung an einem Leistungshalbleiter in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit von der Anzahl der insgesamt angesteuerten Leistungshalbleiter innerhalb eines Leistungsschalters.
  • In einem weiteren Schritt weist das erfindungsgemäße Verfahren Ansteuern einer Anzahl von Leistungshalbleitern in jedem der Leistungsschalter an, bei der die ermittelte Verlustleistung minimal ist. Die nicht angesteuerten Leistungshalbleiter werden nicht angesteuert bzw. sind zeitweilig nicht aktiviert und nehmen nicht an der Stromleitung innerhalb des Leistungsschalters teil.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Betrieb des Wechselrichters für unterschiedliche Fahrsituationen hinsichtlich seiner Verlustleistung optimiert werden. Dadurch steht mehr Energie aus der Traktionsbatterie für den Antrieb zur Verfügung, wodurch eine Reichweitensteigerung des Elektrofahrzeugs erreicht werden kann. Dadurch kann mittels des hier beschriebenen Verfahrens, je nach Konfiguration des Gesamtsystems, eine erhebliche Reichweitensteigerung des entsprechenden Elektrofahrzeugs erreicht werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die in einem Lastpunkt auftretende Verlustleistung auf Basis einer Simulation von Verlusteffekten ermittelt werden, die an einem Leistungshalbleiter lastpunktabhängig auftreten. Für die Simulation kann ein Modell der auftretenden Verlusteffekte verwendet werden, um deren Beiträge lastpunktabhängig, also vornämlich in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz und des Stromflusses, zu untersuchen. Die hierbei zu berücksichtigenden Verlusteffekte umfassen:
    • • Durchlassverluste des Halbleiterchips bei synchroner Gleichrichtung,
    • • Totzeitverluste,
    • • Dynamische Verluste des Halbleiterchips unterteilt in Schaltverluste des Kanals, Reverse-Recovery Verluste der Body-Diode, kapazitive Umladeverluste der Ausgangskapazität des Halbleiterchips und kapazitive Umladeverluste des Leistungsmodulaufbaus.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die in einem Lastpunkt auftretende Verlustleistung auf Basis von im Vorfeld experimentell durchgeführten Messungen der lastpunktabhängigen Verlustleistung ermittelt wird. Die ermittelten Daten können in einem Speicher, beispielsweise einer Umsetzungstabelle (lookup table) festgehalten werden und während des Betriebs des Wechselrichters für dessen Verlustoptimierung verwendet werden. Zur Reduzierung der Datenmenge können dabei mehrere real anliegende Lastpunkte jeweils einem Referenzlastpunkt zugeordnet sein, zu welchem die optimale Halbleiterchip-Anzahl experimentell ermittelt worden ist.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die angesteuerte Anzahl der Leistungshalbleiter pro Leistungsschalter einer Anzahl entsprechen, bei der jeder der angesteuerten Leistungshalbleiter innerhalb seines Arbeitsbereiches (SOA, Safe Operation Area) betrieben wird. Diese Maßgabe kann als Randbedingung bei der Bestimmung der optimalen Anzahl der aktiv anzusteuernden Halbleiterchips. So kann gewährleistet werden, dass die Verlustoptimierung des Wechselrichters die Bauteilsicherheit der elektronischen Komponenten beachtet wird.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die angesteuerte Anzahl der Leistungshalbleiter pro Leistungsschalter einer Anzahl entsprechen, bei der die Temperatur einer Sperrsicht jedes der Leistungshalbleiter unterhalb eines Grenzwerts liegt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann dieses ferner Ansteuern einer ersten Untergruppe von Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters für eine erste Zeitdauer, und Ansteuern einer zweiten Untergruppe von Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters für eine zweite Zeitdauer aufweisen, wobei sich die erste Untergruppe von der zweiten Untergruppe unterscheidet. Die Leistungshalbleiter einer Untergruppe können gemäß Zufallsprinzip aus den Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters ausgewählt werden.
  • Dadurch werden die Halbleiterchips eines jeweiligen Leistungshalbleiters im Fahrzeugbetrieb zyklisch und randomisiert (z.B. weißes Rauschen) angesteuert, sodass jeder Leistungschip im Mittel über die Fahrzeuglebensdauer die gleiche Belastung bzw. den gleichen Energieeintrag erfährt. Durch eine solche Homogenisierung der Bauteilbelastung können die Halbleiterchips geschont und die geforderten Anforderungen bzgl. Lebensdauer erfüllt oder sogar übertroffen werden. Die erste Zeitdauer kann der zweiten Zeitdauer entsprechen oder unterschiedlich sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die aktuelle Fahrsituation einem durch typischerweise in dem entsprechenden Land verwendete Geschwindigkeitsbegrenzungen definierten Referenzpunkt zugeordnet werden und die Verlustleistung bezüglich dem dazugehörigen Lastpunkt ermittelt werden. So kann erreicht werden, dass der Elektroantrieb auf einen Betrieb bei Geschwindigkeiten gemäß den in einem Land typischerweise vorkommenden gesetzlichen Vorgaben ausgelegt wird und ein derartiger Betrieb zugleich mit einem niedrigen Verbrauch belohnt wird. Ferner kann so der Aufwand für die Einstellung des Betriebs des Wechselrichters vereinfacht werden, da eine relativ überschaubare Anzahl an Referenz-Lastpunkten berücksichtigt werden muss. In Deutschland als beispielhaftem Land können Referenzpunkte bei Geschwindigkeiten von etwa 30 km/h, 50 km/h, 80 km/h, 100 km/h und 120 km/h liegen, da diese Geschwindigkeiten typischerweise anzutreffenden Geschwindigkeitsvorgaben entsprechen. Ferner können bei der Festlegung der Referenzpunkte unterschiedliche Fahrbahnneigungen berücksichtigt werden (z.B. bergiges Gelände / hügeliges Gelände / flaches Gelände). Die Auswahl eines geeigneten Referenzpunktes während der Fahrt kann GPS-unterstütz erfolgen, ggfs. unter Hinzunahme der geodätischen Informationen aus der gewählten Navigationsroute. Die aktuelle Fahrsituation kann, ausgehend von der aktuellen Geschwindigkeit oder der aktuellen Fahrbahnneigung, dem geschwindigkeits- bzw. fahrbahnneigungsmäßig nächstliegenden vordefinierten Referenzpunkt zugeordnet werden.
  • In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird ein Wechselrichter bereitgestellt, welcher, 2n Leistungsschalter zur Bereitstellung von n Phasenspannungen für einen Betrieb eines n-phasigen Elektromotors aufweist, wobei jeder Leistungsschalter mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter aufweist, wovon jeder einen Steueranschluss aufweist. Es ist ferner eine Steuereinheit vorgesehen, welche mit jedem Steueranschluss der der Leistungshalbleiter separat gekoppelt ist und eingerichtet ist, das hierin beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Wechselrichters kann mindestens ein Leistungsschalter als bidirektionale Schalter ausgeführt sein. Insbesondere können alle Leistungsschalter des erfindungsgemäßen Wechselrichters als bidirektionale Schalter ausgeführt sein. Ein bidirektionaler Leistungsschalter kann zwei in Reihe angeordnete Leistungsschalter aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Durchlassrichtung ihrer Bodydioden entgegengesetzt ausgerichtet ist. Gemäß dem erfinderischen Ansatz kann jeder der Leistungsschalter wiederum eine Anzahl von parallelgeschalteten Leistungshalbleitern (Halbleiter-Chips) aufweisen. Die Verwendung von bidirektionalen Leistungsschaltern kann von Vorteil sein, da so parasitärer Stromfluss über die Body-Diode derjenigen Leistungsschalter unterbunden werden kann, die nicht aktiv angesteuert werden aufgrund der Optimierung der anzusteuernden Halbleiter-Chips. Ein bidirektionaler Leistungsschalter kann durch zwei diskrete in Serie verschaltete Halbleiter-Chips aufgebaut werden oder als monolithisches Bauelement vorliegen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
    • 1 zeigt ein den Aufbau eines der Erfindung zugrunde liegenden Wechselrichters.
    • 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Anzahl aktiver Halbleiterchips pro Leistungsschalter in Relation mit der Verlustleistung eines Wechselrichters und der Sperrschicht-Temperatur der aktiven Halbleiterchips gesetzt ist.
    • 3 zeigt ein Diagramm, in dem die optimale Anzahl von Halbleiterchips pro Leistungsschalter innerhalb eines Drehmoment/Drehzahl-Kennfeldes aufgetragen ist.
    • 4 erläutert die Verwendung von bidirektionalen Schaltern im Kontext der Erfindung.
  • In 1 ist ein Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichters gezeigt, welcher im bezeigten Beispiel eine zwischen den Polen DC+ und DC- anliegende Spannung in drei Phasenspannungen P1, P2 P3 umwandelt. Es sind insgesamt sechs topologische Leistungsschalter S11-S32 vorgesehen, wobei jeweils zwei Schalter (S1x, S2x oder S3x) eine Halbbrücke bilden. Jeder der sechs topologischen Leistungsschalter S11-S32 weist eine Anzahl (z.B. 6, 8, 10 oder 14) von Leistungshalbleitern bzw. Halbleiterchips, die parallelgeschaltet sind, um die Stromtragfähigkeit für jede der Phasen P1, P2 und P3 zu gewährleisten. So vergrößert sich auch die Fläche, an der Verlustwärme entsteht, so dass die Leistungsschalter S11-S32 leichter gekühlt werden können. Jeder topologische Leistungsschalter S11-S32 weist einen Steueranschluss G (Gate-Anschluss) und ein Bezugspotential-Anschluss K für das am Steueranschluss G anliegende Steuersignal.
  • In 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Anzahl aktiver Halbleiterchips pro Leistungsschalter, welche auf der x-Achse aufgetragen ist, in Relation mit der Verlustleistung eines Wechselrichters, welche auf der linken Ordinate in Watt aufgetragen ist, und der Sperrschicht-Temperatur der aktiven Halbleiterchips in Grad Celsius gesetzt ist, welche auf der rechten Ordinate aufgetragen ist. Den Ergebnissen liegt ein vordefinierter Referenzpunkt zugrunde.
  • Die erste Kurve K1 gibt die Verlustleistung in Abhängigkeit von der Anzahl der angesteuerten bzw. aktiv verwendeten (also im Schaltbetrieb arbeitenden) Halbleiterchips an. Bei den meisten zu Referenzpunkten dazugehörigen Drehmoment/Drehzahl Tupeln handelt es sich um ein konvexes Optimierungsproblem. Daher kann eine optimale Anzahl an zu betreibenden Leistungshalbleitern berechnet werden.
  • Die zweite Kure K2 gibt die Sperrschicht-Temperatur der aktiv betriebenen Halbleiterchips an und kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt ebenfalls berücksichtigt werden. Diese Temperatur hat Einfluss auf die Lebensdauer des Leistungsschalter und damit des gesamten Leistungsmoduls. Wie dem Diagramm entnommen werden kann, liegt die Sperrschicht-Temperatur bei dem betrachteten -vordefinierten Referenzpunkt, jedoch auch bei der gewählten optimalen Anzahl der Leistungschips, nämlich drei, in einem akzeptablen Bereich. Die Sperrschicht-Temperatur ist Folge der daran anfallenden Verlustleistung und ergibt sich näherungsweise aus der Leistung, die an einem Leistungschip anliegt, multipliziert mit seinem Wärmewiderstand. Ferner kann noch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden, in diesem Fall die Temperatur des Kühlfluids.
  • 3 zeigt ein Diagramm, in dem die optimale Anzahl von Halbleiterchips pro Leistungsschalter innerhalb eines Drehmoment/Drehzahl-Kennfeldes aufgetragen ist. Auf der x-Achse ist eine normierte Drehzahl aufgetragen, auf der Ordinate ist ein normiertes Drehmoment aufgetragen. Die Kurven K31-K37 grenzen Flächen im Kennfeld gegeneinander ab, in denen jeweils eine andere Anzahl von aktiven Halbleiterchips pro Leistungsschalter im Hinblick auf die Verlustleistung des Wechselrichters optimal ist.
  • In 4 ist auf der linken Seite ein Leistungsschalter Sxx gezeigt, wie er zum Aufbau des in 1 gezeigten Wechselrichters verwendet wird. Während des Betriebs des Wechselrichters kann es vorkommen, dass der mittels des Pfeils 43 angedeutete Stromfluss über die Body-Diode BD des Leistungsschalters Sxx nicht durch eine geeignete Gate-Ansteuerung unterbunden werden kann, insbesondere in Fällen, wenn der Leistungsschalter Sxx nicht aktiv angesteuert wird.
  • Daher kann es von Vorteil sein, wenn anstatt dem auf der linken Seite gezeigten konventionellen Leistungsschalter Sxx ein bidirektionaler Leistungsschalter S40 verwendet wird. Der auf der rechten Seite von 4 gezeigte bidirektionale Leistungsschalter S40 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung aus einem ersten Leistungsschalter S41 und einem zweiten Leistungsschalter S42 auf, wobei diese in entgegengesetzter Richtung miteinander verschaltet sind, so dass ihre entsprechenden Body-Dioden BD1, BD2 in entgegengesetzte Richtungen gepolt sind. Dadurch ist immer eine der Beiden Body-Dioden BD1, BD2 eines der beiden Leistungsschalter S41, S42 in Sperrrichtung angeordnet, wodurch der parasitäre Stromfluss S43 (beim Leistungsschalter Sxx auf der linken Seite angedeutet) durch eine der Body-Dioden BD1, BD2 innerhalb des bidirektionalen Leistungsschalters S40 verhindert wird.
  • In der bauteilmäßigen Ausführung müssen nicht alle parallel verschalteten Leistungs-Halbleiter innerhalb eines Leistungsschalters Sxx bidirektional ausgeführt sein. Unter den parallel verschalteten Leistungshalbleitern können einige bidirektional ausgeführt sein und die übrigen können konventionell, also als einzelne Transistoren vorliegen. Wenn nicht alle parallel verschalteten Leistungshalbleiter als bidirektionale Schalter ausgeführt sind, können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren nur diejenigen Leistungshalbleiter innerhalb eines Leistungsschalters Sxx zwecks Optimierung des Betriebs des Wechselrichters stillgelegt werden, die bidirektional ausgeführt sind, also den auf der rechten Seite von 4 veranschaulichten Grundaufbau aufweisen.
  • Zweckmäßigerweise kann der Anteil bzw. die Anzahl der bidirektional ausgeführten Leistungshalbleiter bei den Leistungsschaltern S1x einer Halbbrücke gleich sein. Beispielsweise kann jeder der Leistungsschalter Sxx zehn parallel verschaltete Halbleiter-Chips aufweisen, wovon sechs als einfache Schalter und vier als bidirektionale Schalter ausgeführt sind. Für eine dynamische Ab- und Zuschaltung können bevorzugt die bidirektional ausgeführten Halbleiterchips innerhalb der Leistungsschalter Sxx verwendet werden. Hierbei kann ein gemischt aufgebauter Leistungsschalter S1x mit eine möglichst homogene Verteilung der Halbleiter-Chips aufweisen, so dass sich in mindestens einem Teilbereich ein bidirektional ausgeführter Leistungshalbleiter mit einem nicht bidirektional ausgeführten Leistungshalbleiter abwechseln, also alternierend angeordnet sind.
  • Ein bidirektionaler Leistungsschalter S40 kann zwei diskrete Halbleiter-Chips aufweisen oder als monolithisches Bauelement vorliegen. Der parasitäre Stromfluss S43 über die Body-Diode BD der nicht aktiven Leistungsschalter Sxx hat einen Einfluss auf die Verlustleistung und somit auf die Optimierung der Anzahl der aktiven Halbleiter-Chips innerhalb der Leistungsschalter Sxx. Um den Effekt des Verbrauchsvorteils durch die Ansteuerung des Wechselrichters mit einer variablen Anzahl der Halbleiter-Chips zu maximieren, können in dem in 1 gezeigten Aufbau bidirektionale Schalter S40 verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017206553 A1 [0006]
    • EP 3224934 B1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs, wobei der Wechselrichter mittels 2n Leistungsschaltern n Phasenspannungen für den Betrieb eines n-phasigen Elektromotors erzeugt, wobei jeder Leistungsschalter mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter aufweist, wovon jeder einen von einer Steuereinheit separat ansteuerbaren Steueranschluss aufweist; wobei das Verfahren aufweist: Ermitteln einer Verlustleistung, die an einem Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von einem Lastpunkt auftritt, welcher einer aktuellen Fahrsituation zugeordnet wird, und in Abhängigkeit von einer Anzahl der in einem Leistungsschalter angesteuerten Leistungshalbleiter; Ansteuern einer Anzahl von Leistungshalbleitern in jedem der Leistungsschalter, bei der die ermittele Verlustleistung minimal ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die in einem Lastpunkt auftretende Verlustleistung auf Basis einer Simulation von Verlusteffekten ermittelt wird, die an einem Leistungshalbleiter lastpunktabhängig auftreten.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die in einem Lastpunkt auftretende Verlustleistung auf Basis von im Vorfeld experimentell durchgeführten Messungen der lastpunktabhängigen Verlustleistung ermittelt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die angesteuerte Anzahl der Leistungshalbleiter pro Leistungsschalter einer Anzahl entspricht, bei der jeder der angesteuerten Leistungshalbleiter innerhalb seines Arbeitsbereiches betrieben wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die angesteuerte Anzahl der Leistungshalbleiter pro Leistungsschalter einer Anzahl entspricht, bei der die Temperatur einer Sperrsicht jedes der Leistungshalbleiter unterhalb eines Grenzwerts liegt.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: Ansteuern einer ersten Untergruppe von Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters für eine erste Zeitdauer, und Ansteuern einer zweiten Untergruppe von Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters für eine zweite Zeitdauer; wobei sich die erste Untergruppe von der zweiten Untergruppe unterscheidet.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Leistungshalbleiter einer Untergruppe gemäß Zufallsprinzip aus den Leistungshalbleitern eines Leistungsschalters ausgewählt werden.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die aktuelle Fahrsituation einem durch typischerweise in einem entsprechenden Land verwendete Geschwindigkeitsbegrenzungen definierten Referenzpunkt zugeordnet wird und die Verlustleistung bezüglich dem dazugehörigen Lastpunkt ermittelt wird.
  9. Wechselrichter, aufweisend: 2n Leistungsschalter zur Bereitstellung von n Phasenspannungen für einen Betrieb eines n-phasigen Elektromotors, wobei jeder Leistungsschalter mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter aufweist, wovon jeder einen Steueranschluss aufweist; eine Steuereinheit, welche mit jedem Steueranschluss der der Leistungshalbleiter separat gekoppelt ist und eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  10. Wechselrichter gemäß Anspruch 9, wobei mindestens ein Leistungsschalter als bidirektionale Schalter ausgeführt ist.
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