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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern unterschiedlicher Art, z.B. MOSFET, IGBT. Außerdem ist in der Regel eine parallel geschaltete Freilaufdiode (auch als antiparallele Silizium-Diode bezeichnet) vorhanden.
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Im Stand der Technik sind Verfahren zur Restlebensdauerermittlung von Leistungshalbleiterbauelementen bekannt.
DE 10 2014 206 621 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters. Dabei werden Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters aufgezeichnet. Die Anmeldung beschreibt die kontinuierliche Ermittlung der aktuellen Temperatur des Leistungshalbleiters, die Identifizierung von Temperaturextrema im Temperaturverlauf mithilfe eines Filteralgorithmus. Durch Anwendung des Filteralgorithmus kann eine einstellbare Filtertemperatur definiert werden, die nur einen geringen Einfluss auf die Lebensdauer der Leistungshalbleiter hat.
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In der
DE 10 2020 214 607 A1 wird ein topologischer Halbleiterschalter zur Effizienzsteigerung beschrieben. Es wird vorgeschlagen, mindestens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und mindestens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial zu verwenden. Dies ermöglicht eine verbrauchsoptimierte Stromversorgung für Leistungselektronik in der Wechselstromerzeugung, da je nach Betriebsbereich die am besten geeigneten Leistungshalbleiter verwendet werden können.
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Aus der
DE 10 2020 208 156 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung eines Leistungsmoduls, das mehrere topologische Schalter mit parallelen Halbleiterbauteilen enthält, bekannt. Das Verfahren beinhaltet die Berechnung eines Referenzstromwerts basierend auf einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile.
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Die
DE 10 2020 116 424 A1 wird ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik mit mindestens einem Leistungstransistor beschrieben. Im aktiven Betrieb des Transistors werden dessen elektrische Parameter gemessen, um eine aktuelle Sperrschichttemperatur zu bestimmen. Eine automatische Rekalibrierung erfolgt durch die Messung von Durchlasswiderstand und Temperatur zu verschiedenen Zeitpunkten außerhalb des aktiven Betriebs, um die Zuordnung für zukünftige Betriebsphasen des Transistors zu aktualisieren.
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Der parallele Betrieb von zwei Leistungshalbleitern unterschiedlicher Art, nachfolgend kurz als Halbleiterarten bezeichnet, ist durch mehrere Ansteuerverfahren möglich. Die starre Parallelschaltung beider Halbleiterarten ist dabei die einfachste Möglichkeit, hat jedoch mehrere Nachteile, z.B. statische und dynamische Stromfehlverteilung, schlechte Ausnutzung der Halbleiterfläche, hohes Derating etc.. Durch die unterschiedliche Belastung der Halbleiterarten erfahren diese auch eine unterschiedliche thermische Belastung und haben damit einen unterschiedlichen Lebensdauerverbrauch. Dieser ist durch die unterschiedliche Erwärmung und thermische Beanspruchung der Aufbau- und Verbindungstechnik begründet. Der Chip der Halbleiterart mit den höheren thermischen Zyklen ist hier stärker beansprucht und fällt früher aus. Dadurch wird die Lebensdauer des gesamten Inverters reduziert.
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Basierend auf dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter bereitzustellen, welche eine verbesserte Lebensdauer der Halbleiterarten und damit des gesamten Inverters bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend mindestens einen topologischen Schalter, der mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter unterschiedlicher Halbleiterart aufweist, wobei in einer ersten, vorab ausgeführten Stufe für eine Art an topologischem Schalter und eine vorgegebene Verwendung in einem ersten Schritt ein Lebensdauermodell für jeden der vorhandenen Leistungshalbleiter erstellt wird, und basierend darauf in einem zweiten Schritt eine Berechnung eines Lebensdauerverbrauchs auf Basis eines vorgegebenen Belastungsprofils für jeden der vorhandenen Leistungshalbleiter erfolgt, und wobei in einem dritten Schritt eine Berechnung einer auf eine Lebensdauermaximierung beider Leistungshalbleiter optimierten Verlustleistungsverteilung zwischen den Leistungshalbleitern erfolgt.
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Somit kann durch ein entsprechend angepasstes Umschalten zwischen den Leistungshalbleitern eine maximierte Lebensdauer jedes einzelnen der Leistungshalbleiter erreicht werden.
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In einer Ausführung erfolgt in einer zweiten Stufe während einer Verwendung eines topologischen Schalters der in der ersten Stufe verwendeten Art eine kontinuierliche Überwachung vorgegebener Parameter, und es erfolgt eine Umschaltung zwischen den Leistungshalbleitern basierend auf der im dritten Schritt ermittelten Verlustleistungsverteilung.
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In einer Ausführung umfassen die vorgegebenen Parameter zumindest die Durchlass-Spannung, den von den Leistungshalbleitern geführten Strom und den thermischen Widerstand der Leistungshalbleiter.
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In einer Ausführung erfolgt in einer dritten Stufe eine kontinuierliche Anpassung von Lastzyklen der Leistungshalbleiter an die basierend auf der Verwendung erwartete Lebensdauer.
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In einer Ausführung erfolgt eine angepasste Verlustaufteilung während des Betriebs der Leistungshalbleiter, wenn der Betriebspunkt des Inverters von dem in der ersten Stufe vorgegebenen Belastungsprofil abweicht.
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In einer Ausführung wird für vorgegebene Arbeitspunkte, an denen jeder der Leistungshalbleiter verwendet werden kann, derjenige verwendet, der die größere Lebensdauererwartung hat.
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Ferner wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die Teil eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist, und mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter sowie mindestens eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Leistungshalbleiter anzusteuern, wobei in der Steuereinrichtung das Verfahren als Computerprogramm implementiert ist.
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In einer Ausführung wird die kontinuierliche Überwachung in der zweiten Stufe für mindestens einen der Leistungshalbleiter mittels einer Treiberschaltung der Steuereinrichtung ausgeführt, welche eine Stromquelle aufweist, die einen Strom in den Leistungshalbleiter einprägt, und eine Spannungsmesseinrichtung, welche einen durch den eingeprägten Strom ausgelösten Spannungsabfall an dem Leistungshalbleiter misst.
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Ferner wird ein Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter mit der beschriebenen Schaltungsanordnung aufweist. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer durch das vorgeschlagene Verfahren anzusteuernden Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Treiberschaltung zur kontinuierlichen Überwachung vorgegebener Parameter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Inverter und einer Steuereinrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist der parallele Betrieb von zwei Leistungshalbleitern unterschiedlicher Art, nachfolgend kurz als Halbleiterarten bezeichnet, durch mehrere Ansteuerverfahren möglich, wobei eine starre Ansteuerung einige Nachteile in Bezug auf den Lebensdauerverbrauch der Leistungshalbleiter aufweist.
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Deshalb wird nachfolgend ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter 1, 2 eines Inverters mit mindestens einer Phase vorgeschlagen. Die Leistungshalbleiter 1, 2 stellen jeweils eine voneinander verschiedene Halbleiterart dar, wobei in 1 der Leistungshalbleiter 1 als ein MOSFET 1 (mit Gate GMOSFET), und der Leistungshalbleiter 2 als ein IGBT 2 (mit Gate GIGBT1) gebildet ist. Außerdem ist noch eine antiparallele Freilaufdiode 3 gezeigt. Das Verfahren zielt darauf ab, die Lebensdauer der einzelnen Leistungshalbleiter 1, 2 des topologischen Schalters 100 zu erhöhen. Der Inverter weist vorteilhaft mindestens zwei topologische Schalter 100 mit mindestens zwei zueinander parallel geschalteten Leistungshalbleitern 1, 2 auf, von denen jeweils einer als Highside HS Schalter und einer als Lowside LS Schalter gebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführung beschrieben, in welcher der topologische Schalter 100 zwei Leistungshalbleiter 1, 2 unterschiedlicher Halbleiterart (hier unipolarer MOSFET und bipolarer IGBT) aufweist, deren Lebensdauererwartung verbessert werden soll. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Leistungshalbleitern 1, 2 angesteuert werden, wenn hier dasselbe, nachfolgend beschriebene Problem auftritt. In der in 1 gezeigten Ausführung ist der Leistungshalbleiter 1 als ein MOSFET 1 (d.h. als unipolarer Leistungshalbleiter), und der Leistungshalbleiter 2 als ein IGBT 2 (d.h. als bipolarer Leistungshalbleiter) gebildet.
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Die Erfindung verwendet die Erkenntnis, dass mit Hilfe von thermischen Modellen und der Belastung des Leistungshalbleiters 1, 2 während des Betriebs, und unter Verwendung von Lebensdauermodellen der Lebensdauerverbrauch jedes Leistungshalbleiters 1, 2 berechnet werden kann. Die Lebensdauermodelle basieren auf zeitgerafften Untersuchungen (Zählalgorithmen, welche die thermische Amplitude und die Anzahl der thermischen Zyklen berücksichtigen) mit Hilfe von Weibull Verteilungen. Mit Hilfe dieser Modelle wird eine Umschaltung zwischen den beiden Halbleiterarten (MOSFET 1 und IGBT 2) innerhalb eines topologischen Schalters 100 berechnet, welche den aufgrund der Berechnungen ermittelten geringsten Lebensdauerverbrauch des gesamten Inverters 400 ermöglicht.
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Der Ablauf des Verfahrens ist in 2 schematisch dargestellt. Das Verfahren ist in zwei Stufen S1, S2 unterteilt, wobei Stufe S1 (sozusagen als Qualifizierungsmaßnahme) vorab mit einem oder mehreren topologischen Schaltern 100 als sogenannte DUTs (devices under test) ausgeführt wird, d.h. vor der eigentlichen Verwendung. Dies ermöglicht es, für einen in seinem Aufbau definierten topologischen Schalter 100 eine Verlustleistungsoptimierung zur Lebensdauermaximierung zu berechnen und diese dann in Stufe S2 auf andere, gleichartige topologische Schalter 100 anzuwenden, so dass während der Verwendung lediglich eine (kontinuierliche) Überwachung der entsprechenden Parameter stattfinden muss, um zu entscheiden, wann eine Umschaltung erfolgt.
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Nachfolgend werden die einzelnen Stufen im Detail beschrieben.
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In der ersten Stufe S1 wird in einem ersten Schritt St1 für eine Art an topologischem Schalter 100, in dieser Ausführung einem topologischen Schalter 100 mit den Leistungshalbleitern 1, 2, ein Lebensdauermodell für jeden der vorhandenen Leistungshalbleiter 1, 2 (in dieser Ausführung MOSFET 1 und IGBT 2) erstellt. Zur Erstellung des Lebensdauermodells gibt es mehrere, dem Fachmann bekannte Verfahren, z.B. Rain-flow-Algorithmus, half-cycle-Algorithmus oder maximum edge Algorithmus.
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In einem zweiten Schritt St2 erfolgt die Berechnung des Lebensdauerverbrauchs für jeden der vorhandenen Leistungshalbleiter 1, 2 auf Basis eines vorgegebenen Belastungsprofils, z.B. basierend auf zeitgerafften Untersuchungen mit Hilfe von Weibull Verteilungen. Das Belastungsprofil beschreibt die Belastung der Leistungshalbleiter 1, 2 aufgrund einer bestimmten Verwendung des Inverters 400, z.B. in einem Elektromotor eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs 300. Das Belastungsprofil bestimmt die Lebensdauer der Leistungshalbleiter 1, 2 durch den durch die Belastung hervorgerufenen Temperaturverlauf.
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Die Berechnungen erfolgen, wie bereits oben beschrieben, über entsprechende (thermische) Modelle und Messungen (Belastung während des Betriebs).
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Basierend auf den oben genannten Modellen wird in Schritt St3 die optimale Verlustleistungsverteilung zwischen den Leistungshalbleitern 1, 2 zur Lebensdauermaximierung der Halbleiterarten (MOSFET 1, IGBT 2) berechnet. Das heißt, dass hier die Umschaltung zwischen den Leistungshalbleitern 1, 2 berechnet wird, welche basierend auf den vorangegangenen Schritten im geringsten Lebensdauerverbrauch des Inverters resultiert. Neben der Minimierung der allgemeinen Temperaturzyklen der Leistungshalbleiter 1, 2 kommt es dabei auch auf die jeweilige Aufbau- und Verbindungstechnik an. Je nach Verbindungstechnik ergeben sich unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Grenzschichten der verwendeten Materialen. Hier entsteht die hauptsächliche Belastung. Der Leistungshalbleiter 1, 2 mit höherer Lebensdauer oder geringerem Lebensdauerverbrauch wird dabei bevorzugt für Belastungen mit hohen thermischen Zyklen eingesetzt.
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In der zweiten Stufe S2 wird ein topologischer Schalter 100 während seiner Verwendung überwacht, um die Umschaltung zwischen den Leistungshalbleitern 1, 2 zur Lebensdauermaximierung basierend auf der in der ersten Stufe S1 ermittelten Verlustverteilung durchzuführen. Hierbei erfolgt eine Überwachung der Durchlassspannung und des von den Leistungshalbleitern 1, 2 geführten Stroms, um auf den thermischen Widerstand schließen zu können, jedes der Leistungshalbleiter 1, 2. Die kontinuierliche Überwachung kann beispielsweise mit der in 3 gezeigten und nachfolgend beschriebenen Treiberschaltung (mit Treiber T) realisiert werden.
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Die in Pfad P1 dargestellte Stromquelle mit Abkoppeldiode prägt einen Strom über das Bauteil (hier Leistungshalbleiter 1) ein, welcher zu einem Spannungsabfall führt. Dieser wird mit Hilfe des in Pfad P2 dargestellten Voltmeters V gemessen. Durch die zusätzliche Information des in Pfad P3 dargestellten Amperemeters A kann mit Hilfe von Kalibrierkurven auf die Temperatur des Bauteils (hier Leistungshalbleiter 1) geschlossen werden. Die eingespeiste Verlustleistung kann damit ebenfalls online bestimmt werden. Wenn der thermische Widerstand R_therm bekannt ist, kann mithilfe der Temperaturerhöhung ΔT die eingeprägte Leistung P_diss bestimmt werden: ΔT=R_therm*P_diss. Außerdem kann mit Hilfe eines Temperatursensors im Kühlwasser auch der thermische Widerstand bestimmt und über die Betriebsdauer nachverfolgt werden.
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Durch eine kontinuierliche Belastung der Leistungshalbleiter 1, 2 mit Lastzyklen ist eine Verschlechterung des thermischen Widerstands über die Lebensdauer zu erwarten. Auch können durch die Überwachung des thermischen Widerstands z.B. Ablösungen von Bonddrähten über Sprünge in der Spannungsmessung detektiert werden.
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Durch die Erfassung des thermischen Widerstands und der Spannung ist zur Lebensdauerverlängerung eine kontinuierliche Anpassung der Lastzyklen, also der Zeiten, in denen der Leistungshalbleiter 1 bzw. 2 aktiv ist, an die basierend auf der Verwendung erwartete Lebensdauer der Leistungshalbleiter 1 und 2 möglich. Diese kontinuierliche Anpassung der Lastzyklen kann in einer Stufe S3 erfolgen.
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Die Verlustaufteilung kann auch während des Betriebs angepasst werden, wenn der Betriebspunkt des Inverters 400 vom zu Grunde gelegten Arbeitspunkt abweicht, das Belastungsprofil also verändert ist. Dies kann dann nötig sein, wenn der Inverter 400 anders als im angenommenen Lebensdauermodell verwendet wird. Beispielsweise wird der Inverter 400 in einem Kraftfahrzeug 300 verwendet. Hier wird der WLTP (Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicles Test Procedure) als Lebensdauermodell angenommen. Wird das Kraftfahrzeug 300 nun anders als im WLTP vorgesehen verwendet, kann dies durch die kontinuierliche Überwachung in Stufe S2 erkannt werden und die Aufteilung der Verwendung der Leistungshalbleiter 1, 2 entsprechend angepasst werden, um deren Lebensdauer zu maximieren.
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Die Verlustaufteilung kann außerdem auch für spezielle Arbeitspunkte angepasst werden, z.B. für einen Boost Modus, eine prädiktive Fahrweise, etc.. Es gibt Arbeitspunkte, in denen eine Wahl des zu verwendenden Leistungshalbleiters 1, 2 möglich ist, oder keine Optimierung auf eine Halbleiterart erfolgt. In diesem Fall wird derjenige Leistungshalbleiter 1, 2 verwendet, der gemäß dem in Stufe S1 bestimmten Lebensdauermodell die längere Lebensdauer hat. Grund dafür ist, dass die XOR-Umschaltung auf Basis des maximalen Stromwertes erfolgt. Unterhalb des maximalen Stromwertes wird normalerweise SiC wegen der Effizienz verwendet. Aufgrund einer Lebensdaueroptimierung kann hier jedoch auch der IGBT (Si) verwendet werden. Oberhalb der Schwelle ist aufgrund des Gatewiderstands nur die Verwendung des IGBT zulässig.
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Die Leistungshalbleiter 1, 2 können sich nicht nur ihrer Halbleiterart unterscheiden, also als MOSFET, IGBT etc. gebildet sein, sondern auch in den verwendeten Materialien. So können beide Leistungshalbleiter 1, 2 aus demselben oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein, z.B. Si, SiC, GaN.
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Durch das vorgeschlagene Ansteuerverfahren einer in einer Steuereinrichtung 200 eines Inverters 400 verwendeten Schaltungsanordnung lässt sich ein hocheffizienter Inverter 400, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird, erreichen, bei dem die Lebensdauer der verwendeten Leistungshalbleiter 1, 2 eines topologischen Schalters 100 maximiert wird. Die Schaltungsanordnung, für die das Verfahren zur Ansteuerung vorgeschlagen wird, kann in einer Steuereinrichtung 200 eines Inverters 400 eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem Elektroantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs 300 verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter 400). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Inverter 400 für Elektroantriebe von Kraftfahrzeugen 300, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
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Anwendung findet die beschriebene Schaltungsanordnung beispielsweise in Invertern 400, die in Kraftfahrzeugen 300 verbaut sind, wie in 4 gezeigt. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere eine elektrisch angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- topologischer Schalter
- 1, 2
- Leistungshalbleiter
- 3
- Freilaufdiode
- 200
- Steuereinrichtung
- 300
- Kraftfahrzeug
- 400
- Inverter
- S1-S3
- Stufen 1-3
- St1-St3
- Schritte 1-3
- P1-P3
- Pfad
