DE102022200634A1

DE102022200634A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen eines Wechselrichters

Info

Publication number: DE102022200634A1
Application number: DE102022200634.8A
Authority: DE
Inventors: Hadiuzzaman Syed; Manuel Horvath; Stephan SCHWAIGER; Sebastian Strache; Karl Oberdieck; Marco Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: JP2023106341A; US20230231400A1; CN116470782A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen eines Wechselrichters. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln einer Anforderung zum Laden einer Batterie (40) eines elektrischen Systems, welches wenigstens die Batterie (40), den Wechselrichter (30) und eine elektrische Maschine (50) aufweist, wobei der Wechselrichter (30) auf Basis wenigstens einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement (10) und einem zweiten Halbleiterbauelement (20) eingerichtet ist, eine durch die Batterie (40) bereitgestellte Gleichspannung (Ubat) in eine für die elektrische Maschine (50) geeignete Wechselspannung (Uac) umzuwandeln und dieser bereitzustellen und Anpassen einer Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements (10) und/oder einer Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements (20), um einen Stromfluss zwischen der Batterie (40) und der elektrischen Maschine (50) während des Ladens der Batterie (40) im Wesentlichen zu unterbrechen, wobei eine Spannungsbelastung einer Gate-Oxidschicht der jeweiligen Halbeiterbauelemente (10, 20) durch Verringern der jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Hableiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) reduziert wird und/oder wobei eine Spannungsbelastung einer Drain-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) aneinander angeglichen wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen eines Wechselrichters und insbesondere eines Dreiphasenwechselrichters.
In einem Ladebetrieb einer Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, welches ein elektrisches System umfassend die Batterie, einen Antriebswechselrichter und einen Elektromotor aufweist, ist der Antriebswechselrichter in der Regel inaktiv. Dabei sind grundsätzlich zwei Systemkonzepte zur Anbindung des Antriebswechselrichters bekannt. Entweder wird der Antriebswechselrichter über zusätzliche Schalter abgetrennt oder er wird in einen inaktiven Modus versetzt bzw. in diesem belassen.
Aus Kostengründen wird häufig auf solche zusätzlichen Schalter verzichtet, so dass im Wechselrichter verwendete Halbleiter während des Ladebetriebs durch ein Anliegen einer negativen Gate-Source-Spannung und durch ein Anliegen eines Teils der sogenannten DC-Link-Spannung belastet werden.
Aus dem Stand der Technik sind zudem Fahrzeuge bekannt, welche einen bidirektionalen Ladebetrieb ermöglichen, in welchem in einer Batterie eines Fahrzeugs gespeicherte elektrische Energie auch in umgekehrter Richtung zu einer externen Ladestation fließen kann. D.h., dass zusätzlich auch in Zeiträumen eines umgekehrten Energieflusses eine wie oben beschrieben Belastung von Halbleitern von Antriebswechselrichtern vorliegt, sofern diese nicht über zusätzliche Schalter galvanisch von der Batterie getrennt sind.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen eines Wechselrichters, welcher beispielsweise ein Antriebswechselrichter eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist, vorgeschlagen.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anforderung zum Laden einer Batterie eines elektrischen Systems, welches wenigstens die Batterie, den Wechselrichter und eine elektrische Maschine aufweist, ermittelt. Für den Fall, dass das elektrische System ein Bestandteil eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs ist, ist die elektrische Maschine beispielsweise ein Elektromotor eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, wobei das elektrische System nicht auf eine solche Anwendung und nicht auf eine Anwendung in einem Fahrzeug beschränkt ist.
Die Anforderung zum Laden der Batterie wird beispielsweise von einer Ladevorrichtung erzeugt, welche im Falle eines Ladevorgangs eines Fahrzeugs elektrisch mit dem Fahrzeug verbunden ist.
Der Wechselrichter ist auf Basis wenigstens einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement eingerichtet, eine durch die Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine für die elektrische Maschine geeignete Wechselspannung umzuwandeln und dieser bereitzustellen. Die Halbleiterbauelemente sind beispielsweise als MOSFETs, SiC-MOSFETs und/oder als Leistungshalbleiter ausgebildet. Es ist zudem möglich, dass zum ersten Halbleiterbauelement und/oder zum zweiten Hableiterbauelement jeweils weitere Halbleiterbauelemente parallelgeschaltet sind, um beispielsweise hohe Lastströme zu schalten. Vorzugsweise werden in einem solchen Fall sämtliche Halbleiterbauelemente innerhalb einer jeweiligen Parallelschaltung identisch und zeitgleich angesteuert. Eine Ansteuerung der jeweiligen Halbleiterbauelemente erfolgt vorzugsweise mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit und/oder mittels separater Gate-Treiber, welche informationstechnisch mit einer solchen Auswerteeinheit verbunden sein können.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Gate-Spannung (kurz für „Gate-Source-Spannung“) des ersten Halbleiterbauelements und/oder eine Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements angepasst, um einen Stromfluss zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine während des Ladens der Batterie im Wesentlichen zu unterbrechen. „Im Wesentlichen“ bezieht sich hier auf normalerweise vorhandene Leckströme, die auch im ausgeschalteten Zustand der Halbleiterbauelemente über eine Source-Drain-Strecke der Halbleiterbauelemente fließen können. Entsprechend repräsentiert das Unterbrechen des Stromflusses hier einen ausgeschalteten Zustand des ersten Halbleiterbauelements und/oder des zweiten Halbleiterbauelements.
Das Anpassen der Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements und/oder der Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements erfolgt derart, dass eine Spannungsbelastung einer Gate-Oxidschicht der jeweiligen Halbeiterbauelemente durch Verringern der jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Hableiterbauelements und des zweiten Halbleiterbauelements reduziert wird.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Anpassen der Gate-Spannungen derart, dass eine Spannungsbelastung einer Drain-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterbauelemente aneinander angeglichen wird. Unterschiedliche Spannungsbelastungen der beiden Halbleiterbauelemente können sich aufgrund abweichender Leitwerte der jeweiligen Drain-Source-Strecken der Halbleiterbauelemente ergeben, welche entsprechend unterschiedliche Spannungsabfälle über den beiden Halbleiterbauelementen bewirken.
Für das Angleichen der Spannungsbelastungen der Drain-Source-Strecken der jeweiligen Halbleiterbauelemente werden Spannungsmessungen mittels geeigneter Spannungssensoren durchgeführt, auf deren Basis jeweilige Abweichungen der Spannungsbelastungen ermittelt werden. Hierfür sind die jeweiligen Spannungssensoren beispielsweise informationstechnisch mit der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit verbunden.
Aufgrund der reduzierten und/oder aneinander angeglichenen Spannungsbelastungen der Halbleiterbauelemente lässt sich auf diese Weise vorteilhaft eine höhere Lebensdauer für den Wechselrichter erzielen, wenn aus Kosten- und/oder Platzgründen usw. keine Schalter für eine galvanische Trennung des Wechselrichters im Ladebetrieb vorgesehen sind. Zudem lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Fertigungstoleranzen der Halbleiterbauelemente ausgleichen, so dass Toleranzanforderungen an die Halbeiterbauelemente reduziert werden können, wodurch sich entsprechend auch Herstellungskosten der Halbleiterbauelemente reduzieren lassen.
Diese Vorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die eingesetzten Halbeiterbauelemente bezogen auf eine Gesamtnutzungsdauer anteilsmäßig überwiegend im ausgeschalteten Zustand betrieben werden. Dies kann insbesondere oben genannte elektrisch antreibbare Fahrzeuge betreffen, deren Nutzungszeiträume i. d. R. deutlich kleiner sind als deren Ladezeiträume.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden jeweilige Drain-Source-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements und des zweiten Halbleiterbauelements während des Ladens der Batterie durchgehend auf einen im Wesentlichen identischen Wert eingestellt. Mit anderen Worten wird somit nicht nur eine Annäherung der Drain-Source-Spannungen aneinander, sondern eine identische Ausprägung der Drain-Source-Spannungen erzeugt.
Alternativ dazu werden das erste Halbleiterbauelement und das zweite Halbleiterbauelement während des Ladens der Batterie jeweils alternierend zwischen einem leitenden Betrieb und einem nichtleitenden Betrieb umgeschaltet, wobei sich jeweils nur eines der beiden Halbleiterbauelemente in einem leitenden Betrieb befindet, während sich das jeweils andere der beiden Halbleiterbauelemente in einem nichtleitenden Betrieb befindet und wobei eine jeweilige Gesamtdauer des leitenden Betriebs der beiden Halbeiterbauelemente während des Ladens der Batterie im Wesentlichen identisch ist. Mit anderen Worten wird hierdurch über die Zeit ebenfalls eine gleichmäßige Spannungsbelastung der beiden Halbleiterbauelemente erreicht. Dies bietet insbesondere im Zusammenhang mit einer nachfolgend beschriebenen mehrphasigen Auslegung des Wechselrichters besondere Vorteile, da sich die Belastung der einzelnen Halbleiter nacheinander auf die Halbleiter unterschiedlicher Phasen aufteilen lässt, so dass eine Einzelbelastung der jeweiligen Halbleiter entsprechend reduziert wird.
Besonders bevorzugt werden die jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements und des zweiten Halbleiterbauelements zur Reduzierung der Spannungsbelastung der jeweiligen Gate-Oxidschicht der Halbleiterbauelemente auf 0 V gesetzt oder an 0 V angenähert.
Vorteilhaft werden die jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements und des zweiten Halbleiterbauelements zum Angleichen der Spannungsbelastung der jeweiligen Drain-Source-Strecke der Halbleiterbauelemente ausschließlich innerhalb eines Spannungsbereichs angepasst, welcher von negativen Gate-Spannungswerten bis zu einem vordefinierten Schwellenwert reicht, wobei der vordefinierte Schwellenwert unterhalb einer Schwellenspannung der jeweiligen Halbeiterbauelemente liegt. Vorzugsweise liegt der vordefinierte Schwellenwert mindestens 1 V unterhalb der Schwellenspannung der Halbleiterbauelemente, so dass ein Leckstrom geringgehalten werden kann wird und/oder die jeweiligen Halbleiter nicht ungewollt in den eingeschalteten Zustand versetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese erfindungsgemäße spannungsbelastungsreduzierende Ansteuerung der Halbleiterbauelemente hinsichtlich einer Höhe des Leckstroms auch bei einer Annäherung der Gate-Spannung an den Schwellenwert i. d. R. kein Problem darstellt, da diese Ansteuerung während eines Lademodus der Batterie erfolgt, in welchem eine Verlustleistung durch den Leckstrom zu Lasten einer Ladevorrichtung und nicht zu Lasten der Batterie geht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Wechselrichter eine Vielzahl von Reihenschaltungen (z. B. zwei oder drei oder mehr Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen) aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbeiterbauelement auf, wobei jede Reihenschaltung eingerichtet ist, jeweils eine Phase einer mehrphasigen elektrischen Maschine (z. B. ein Dreiphasen-Elektromotor) anzusteuern, wobei die Spanungsbelastungen sämtlicher dieser Halbeiterbauelemente während des Ladens der Batterie reduziert und/oder angeglichen werden. Das Angleichen führt vorzugsweise zu einem Spannungsunterschied von 0 V zwischen den jeweiligen Phasen.
Vorteilhaft werden die jeweiligen Gate-Spannungen auf Basis einer ersten Spannungsmessung, welche einen Gesamtspanungsabfall über der wenigstens eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Halbleiterbauelementen repräsentiert und auf Basis einer zweiten Spannungsmessung, welche einen Spannungsabfall über dasjenige Halbleiterbauelement repräsentiert, das in der Reihenschaltung auf der Seite des niedrigeren Potentials liegt (d. h., das „low-side“-Halbleiterbauelement), angepasst. In einem Antriebswechselrichter sind i. d. R. drei parallele Phasen vorgesehen, welche über eine Stator-Streuinduktivität eines Elektromotors kurzgeschlossen sind. Dadurch ist es möglich, in erster Näherung anzunehmen, dass die Spannung an allen drei Phasen identisch ist. Somit reicht die vorstehend beschriebene Verwendung eines einzelnen Phasenspannungssensors, um die Spannung über alle Halbleiter zu messen. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, da trotz einer Auslegung des Wechselrichters für mehrere Phasen nur ein Phasenspannungssensor erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Spannungsabfall über das Halbleiterbauelement auf der Seite des niedrigeren Potentials auf Basis eines Messwertes eines NTC-Widerstandes, welcher für eine Temperaturerfassung dieses Halbleiterbauelements vorgesehen ist und auf Basis einer geschätzten Temperatur dieses Halbleiterbauelements ermittelt. Dies bietet den Vorteil, dass für die Spannungsmessung über das Halbleiterbauelement kein zusätzlicher Spannungssensor angeordnet werden muss, da eine vorliegende Spannungsmessung über den NTC-Widerstand zum Ermitteln der Temperatur des Halbleiterbauelements häufig bereits vorhanden ist. Indem der NTC-Widerstand über einen hochohmigen Widerstand mit dem Drain-Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden wird, lässt sich somit eine besonders einfache und kostengünstige Spannungsmessung des Halbleiterbauelements auf Basis eines dadurch ausgebildeten Spannungsteilers umsetzen.
Weiter vorteilhaft erfolgt das Angleichen der Spannungsbelastungen der jeweiligen Halbleiterbauelemente unter Berücksichtigung einer vorliegenden Degradation der jeweiligen Halbleiterbauelemente, welche insbesondere mittels Gate-Spannungsvariationen ermittelt wird. Hierfür ist eine Variation der Gate-Spannung der Halbleiterbauelemente in einem Spannungsbereich unterhalb der Schwellenspannung (auch als „sub-threshold“-Bereich bezeichnet) der Halbleiterbauelemente vorgesehen, um Veränderungen der Kennlinie der Halbleiterbauelemente zu identifizieren. Evtl. festgestellte Veränderungen der Kennlinie lassen sich anschließend vorteilhaft bei der Reduzierung der Spannungsbelastung der Halbleiterbauelemente berücksichtigen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen eines Wechselrichters vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist ein erstes Halbeiterbauelement, ein zweites Halbeiterbauelement und eine Auswerteinheit auf. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet und vorzugsweise informationstechnisch mit einem ersten Gate-Treiber und einem zweiten Gate-Treiber verbunden, welche jeweils mit Steuereingängen (Gates) der beiden Halbleiterbauelement verbunden sind. Der erste Gate-Treiber und der zweite Gate-Treiber sind beispielsweise in die Auswerteeinheit integriert und/oder als separate Komponenten ausgebildet. Die Auswerteinheit ist eingerichtet, eine Anforderung zum Laden einer Batterie eines elektrischen Systems, welches wenigstens die Batterie, den Wechselrichter und eine elektrische Maschine (z. B. einen Elektromotor) aufweist zu ermitteln, wobei der Wechselrichter auf Basis wenigstens einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement (z. B. jeweils MOSFETs) eingerichtet ist, eine durch die Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine für die elektrische Maschine geeignete Wechselspannung umzuwandeln und dieser bereitzustellen. Die Auswerteinheit ist weiter eingerichtet (vorzugsweise mittels des ersten Gate-Treibers) eine Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements und/oder (vorzugsweise mittels des zweiten Gate-Treibers) eine Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements anzupassen, um einen Stromfluss zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine während des Ladens der Batterie im Wesentlichen zu unterbrechen, wobei eine Spannungsbelastung einer Gate-Oxidschicht der jeweiligen Halbeiterbauelemente durch Verringern der jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Hableiterbauelements und des zweiten Halbleiterbauelements reduziert wird und/oder wobei eine Spannungsbelastung einer Drain-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterbauelemente aneinander angeglichen wird. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 ein Schaltbild, welches eine beispielhafte erfindungsgemäße Phasenspannungsmessung veranschaulicht.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Wechselrichter 30 auf, welcher eingerichtet ist, eine Gleichspannung einer Batterie 40 in eine Dreiphasenwechselspannung Uac zu wandeln. Die jeweiligen Schaltungen der drei Phasen P1, P2, P3 sind aus Gründen einer vereinfachten Darstellung durch gestrichelte Rechtecke repräsentiert, wobei nur die Schaltung der ersten Phase P1 stellvertretend für alle drei Phasen P1, P2, P3 im Detail gezeigt ist. Die weiteren Phasen P2, P3 sind analog zur ersten Phase P1 ausgebildet.
Die Schaltung der ersten Phase P1 weist zwei parallel geschaltete erste MOSFETs 10 auf, welche in Reihe zu zwei parallel geschalteten zweiten MOSFETs 20 geschaltet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die MOSFETs 10, 20 hier vereinfacht als steuerbare Widerstände dargestellt sind, welche jeweils den Widerstand der Drain-Source-Strecken der Halbleiterbauelemente 10, 20 repräsentieren. Jeweilige Mittelpunktanschlüsse 35 der Schaltungen der drei Phasen P1, P2, P3 sind elektrisch mit einem Elektromotor 50 verbunden, so dass der Wechselrichter 30 auf diese Weise eingerichtet ist, den Elektromotor 50 mittels einer Dreiphasenwechselspannung Uac zu versorgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiter eine Auswerteinheit 60, welche hier als ASIC ausgebildet ist und welche informationstechnisch mit einem ersten Gate-Treiber 70 und einem zweiten Gate-Treiber 75 verbunden ist. Die Gate-Treiber 70, 75 sind wiederum mit jeweils korrespondierenden Halbleiterbauelementen 10, 20 elektrisch verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Schaltungen der zweiten Phase P2 und der dritten Phase P3 analog hierzu ausgelegt sind, dass deren Gate-Treiber und jeweilige elektrische Verbindungen aber aus Gründen der Übersichtlichkeit ausgelassen sind.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter 30 ist nicht dauerhaft elektrisch mit einer Batterie 40 verbunden, wobei die Batterie 40 eingerichtet ist, dem Wechselrichter 30 eine Gleichspannung Ubat bereitzustellen.
Die Auswerteinheit 60 ist zusätzlich eingerichtet, informationstechnisch mit einer externen Ladevorrichtung 80 verbunden zu werden, sobald die Ladevorrichtung 80 über ein (nicht gezeigtes) Ladekabel elektrisch mit der Batterie 40 verbunden wird.
Auf Basis der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die Auswerteinheit 60 eingerichtet, eine Anforderung zum Laden der Batterie 40, welche von der Ladevorrichtung 80 in Form eines Signals ausgegeben wird, zu ermitteln und im Fall einer vorliegenden Anforderung zum Laden der Batterie 40, mittels des ersten Gate-Treibers 10 eine Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements 10 und/oder und mittels des zweiten Gate-Treibers 20 eine Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements 20 anzupassen, um einen Stromfluss zwischen der Batterie 40 und der elektrischen Maschine 50 während des Ladens der Batterie 40 im Wesentlichen zu unterbrechen.
Um eine Spannungsbelastung jeweiliger Drain-Source-Strecken der Halbleiterbauelemente 10, 20 zu reduzieren, werden die angepassten Gate-Spannungen derart festgelegt, dass jeweilige Widerstandswerte der Drain-Source-Strecken (bzw. die über diese Strecken abfallenden Drain-Source-Spannungen) der ersten Halbeiterbauelemente 10 bezüglich der zweiten Halbeiterbauelemente 20 soweit wie möglich aneinander angeglichen werden, während die jeweiligen Gate-Spannungen soweit wie möglich an einen Wert von 0 V angenähert werden, um gleichzeitig eine Spanungsbelastung von Gate-Oxidschichten der Halbleiterbauelemente 10, 20 zu reduzieren.
Als Grundlage für das Anpassen der jeweiligen Gate-Spannungen werden Spannungsmessungen durchgeführt, um Spannungsabweichungen zwischen den ersten Halbleiterschaltern 10 und den zweiten Halbleiterschaltern 20 zu ermitteln. Hierfür wird einerseits eine über den Reihenschaltungen des Wechselrichters 30 anliegende erste Spannung und andererseits eine die Spannung der ersten Phase P1 repräsentierende zweite Spannung ermittelt. Jeweilige Spannungssensoren sind hier aus Gründen der übersichtlichen Darstellung nicht gezeigt.
Vorteilhaft werden die Halbleiterbauelemente 10, 20 alternierend zum Öffnen und zum Schließen angesteuert, so dass die jeweiligen Spannungsbelastungen der einzelnen Halbleiterbauelemente 10, 20 über die Zeit reduziert werden.
Für das Angleichen der Drain-Source-Spannungen ist der Bereich, innerhalb dessen die jeweiligen Gate-Spannungen angepasst werden, auf einen Bereich von negativen Werten bis zu einem vordefinierten Schwellenwert beschränkt, welcher hier 1 V unterhalb einer Schwellenspannung der Halbleiterbauelemente 10, 20, liegt.
2 zeigt ein Schaltbild, welches eine beispielhafte erfindungsgemäße Phasenspannungsmessung veranschaulicht. Für eine bessere Übersichtlichkeit ist in 2 lediglich ein erstes Halbleiterbauelement 10 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters 30 gezeigt, welcher darüber hinaus ein in Reihe zum ersten Halbleiterschaltelement 10 angeordnetes zweites Halbleiterbauelement 20 aufweist.
Zudem ist eine bekannte Konfiguration zur Messung einer Temperatur des ersten Halbleiterbauelements 10 mittels eines NTC-Widerstandes 100 gezeigt, welcher thermisch mit dem ersten Halbleiterbauelement 10 gekoppelt ist. Der NTC-Widerstand 100 wird hierfür normalerweise über eine Stromquelle 110 gespeist, so dass ein Spannungsabfall über dem NTC-Widerstand 100 mittels eines Analog-Digitalwandlers 90 erfasst werden kann.
Ein Kondensator 120, welcher parallel zum NTC-Widerstand 100 geschaltet ist, ist exemplarisch für eine Filterung der Spannung und einen Überspannungsschutz angeordnet.
Erfindungsgemäß ist vorstehende bekannte Konfiguration um einen hochohmigen Widerstand 130 (zum Beispiel in Höhe von 1 Megaohm) erweitert, welcher in Verbindung mit dem NTC-Widerstand 100 einen Spannungsteiler ausbildet, der parallel zum ersten Halbeiterbauelement 10 (hier ein MOSFET) geschaltet ist und somit eingerichtet ist, eine DC-Link-Spannungsmessung des Wechselrichters 30 durchzuführen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Auswerteeinheit 60 vorgesehen, welche eingerichtet ist, durch den Analog-Digitalwandler 90 erfasste Spannungswerte zu empfangen und auf Basis dieser Spannungswerte und einer Information über eine aktuelle Temperatur des NTC-Widerstandes 100 die Halbleiterbauelemente 10, 20 erfindungsgemäß anzusteuern. Die Information über die aktuelle Temperatur des NTC-Widerstandes 100 lässt sich beispielsweise auf Basis von Temperatursensoren benachbarter Phasen und/oder auf Basis von Temperatursensoren ermitteln, die eine Temperatur eines Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung der Hableiterbauelemente 10, 20 messen. Die Auswerteeinheit 60 ist zudem eingerichtet, die Stromquelle 110 während eines Ladebetriebs einer mit dem Wechselrichter 30 gekoppelten Batterie 40 zu deaktivieren, so dass der NTC-Widerstand 100 zur Messung der Phasenspannung eingesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen (10, 20) eines Wechselrichters (30) aufweisend die Schritte: • Ermitteln einer Anforderung zum Laden einer Batterie (40) eines elektrischen Systems, welches wenigstens die Batterie (40), den Wechselrichter (30) und eine elektrische Maschine (50) aufweist, wobei der Wechselrichter (30) auf Basis wenigstens einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement (10) und einem zweiten Halbleiterbauelement (20) eingerichtet ist, eine durch die Batterie (40) bereitgestellte Gleichspannung (Ubat) in eine für die elektrische Maschine (50) geeignete Wechselspannung (Uac) umzuwandeln und dieser bereitzustellen, und • Anpassen einer Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements (10) und/oder einer Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements (20), um einen Stromfluss zwischen der Batterie (40) und der elektrischen Maschine (50) während des Ladens der Batterie (40) im Wesentlichen zu unterbrechen, wobei ◯ eine Spannungsbelastung einer Gate-Oxidschicht der jeweiligen Halbeiterbauelemente (10, 20) durch Verringern der jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Hableiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) reduziert wird, und/oder ◯ eine Spannungsbelastung einer Drain-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) aneinander angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeweilige Drain-Source-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) während des Ladens der Batterie (40) durchgehend auf einen im Wesentlichen identischen Wert eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Halbleiterbauelement (10) und das zweite Halbleiterbauelement (20) während des Ladens der Batterie (40) jeweils alternierend zwischen einem leitenden Betrieb und einem nichtleitenden Betrieb umgeschaltet werden, wobei • sich jeweils nur eines der beiden Halbleiterbauelemente (10, 20) in einem leitenden Betrieb befindet, während sich das jeweils andere der beiden Halbleiterbauelemente (10, 20) in einem nichtleitenden Betrieb befindet, und • eine jeweilige Gesamtdauer des leitenden Betriebs der beiden Halbeiterbauelemente (10, 20) während des Ladens der Batterie (40) im Wesentlichen identisch ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) zur Reduzierung der Spannungsbelastung der jeweiligen Gate-Oxidschicht der Halbleiterbauelemente (10, 20) auf 0 V gesetzt oder an 0 V angenähert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Halbleiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) zum Angleichen der Spannungsbelastung der jeweiligen Drain-Source-Strecke der Halbleiterbauelemente (10, 20) ausschließlich innerhalb eines Spannungsbereichs angepasst werden, welcher von negativen Gate-Spannungswerten bis zu einem vordefinierten Schwellenwert reicht, wobei der vordefinierte Schwellenwert unterhalb einer Schwellenspannung der jeweiligen Halbeiterbauelemente (10, 20) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (30) eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement (10) und einem zweiten Halbeiterbauelement (20) aufweist, wobei jede Reihenschaltung eingerichtet ist, jeweils eine Phase einer mehrphasigen elektrischen Maschine (50) anzusteuern, wobei die Spanungsbelastungen sämtlicher dieser Halbeiterbauelemente (10, 20) während des Ladens der Batterie (40) reduziert und/oder angeglichen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Gate-Spannungen auf Basis einer ersten Spannungsmessung, welche einen Gesamtspanungsabfall über die wenigstens eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Halbleiterbauelementen (10, 20) repräsentiert und einer zweiten Spannungsmessung, welche einen Spannungsabfall über dasjenige Halbleiterbauelement (10, 20) repräsentiert, das in der Reihenschaltung auf der Seite des niedrigeren Potentials liegt, angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spannungsabfall über das Halbleiterbauelement (10, 20) auf der Seite des niedrigeren Potentials auf Basis eines Messwertes eines NTC-Widerstandes, welcher für eine Temperaturerfassung dieses Halbleiterbauelements (10, 20) vorgesehen ist, und auf Basis einer geschätzten Temperatur dieses Halbleiterbauelements (10, 20) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Angleichen der Spannungsbelastungen der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) unter Berücksichtigung einer vorliegenden Degradation der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) erfolgt, welche insbesondere auf Basis von Gate-Spannungsvariationen ermittelt wird.
Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungsbelastungen von Halbleiterbauelementen (10, 20) eines Wechselrichters (30) aufweisend: • ein erstes Halbeiterbauelement (10), • ein zweites Halbeiterbauelement (20), und • eine Auswerteinheit (60), wobei die Auswerteinheit (60) eingerichtet ist, • eine Anforderung zum Laden einer Batterie (40) eines elektrischen Systems, welches wenigstens die Batterie (40), den Wechselrichter (30) und eine elektrische Maschine (50) aufweist zu ermitteln, wobei der Wechselrichter (30) auf Basis wenigstens einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Halbleiterbauelement (10) und einem zweiten Halbleiterbauelement (20) eingerichtet ist, eine durch die Batterie (40) bereitgestellte Gleichspannung (Ubat) in eine für die elektrische Maschine (50) geeignete Wechselspannung (Uac) umzuwandeln und dieser bereitzustellen, und • eine Gate-Spannung des ersten Halbleiterbauelements (10) und/oder eine Gate-Spannung des zweiten Halbleiterbauelements (20) anzupassen, um einen Stromfluss zwischen der Batterie (40) und der elektrischen Maschine (50) während des Ladens der Batterie (40) im Wesentlichen zu unterbrechen, wobei ◯ eine Spannungsbelastung einer Gate-Oxidschicht der jeweiligen Halbeiterbauelemente (10, 20) durch Verringern der jeweiligen Gate-Spannungen des ersten Hableiterbauelements (10) und des zweiten Halbleiterbauelements (20) reduziert wird, und/oder ◯ eine Spannungsbelastung einer Drain-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) aneinander angeglichen wird.