WO2017133964A1 - Verbesserter stromrichter - Google Patents

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WO2017133964A1
WO2017133964A1 PCT/EP2017/051703 EP2017051703W WO2017133964A1 WO 2017133964 A1 WO2017133964 A1 WO 2017133964A1 EP 2017051703 W EP2017051703 W EP 2017051703W WO 2017133964 A1 WO2017133964 A1 WO 2017133964A1
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parallel
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Roman Hamerski
Carsten Riefle
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the present invention relates to an improved power converter for an electrically driven vehicle, in particular an improved inverter.
  • inverters In electrically driven vehicles, inverters are used to convert the direct current from an accumulator to a multiphase alternating current to drive an electric machine.
  • the principles of electric drives are known to the person skilled in the art and need not be described further here in the sense of conciseness.
  • Such converters typically use three half bridges, with two transistors connected in series in each half bridge.
  • the transistors are coupled together at one terminal.
  • the other terminals of the transistors are coupled to the positive potential and negative potential of the current source, respectively.
  • At a tap of the half-bridge a winding of the electric machine is connected.
  • the tap of each half-bridge is located between the two series-connected transistors.
  • Each transistor has a free-wheeling diode connected in parallel. It is also possible that each one
  • Power transistors such as MOSFET transistors, IGB transistors or the like used
  • Power transistors creates power loss. On the one hand, power loss occurs during the period during which the power transistor is switched on. These losses are essentially due to the flow of current in one
  • the parallel-connected transistors are switched simultaneously, i. synchronously modulated in terms of amplitude, frequency and pulse-pause ratio.
  • DE 40 05 168 A1 discloses a switching device for switching on and off with a high shading frequency for the purpose of inverting an electrical variable in connection with a transformer or motor, wherein a driver for switching parallel-connected MOSFET semiconductors and IGBT power semiconductors is provided.
  • DE 102 50 155 A1 discloses a switching power supply with a main switch and a standby switch to reduce losses in standby mode.
  • DE 102 50 154 A1 discloses a switching unit for a switching power supply, in which a main switch and a standby switch are provided, which are connected in parallel with each other.
  • JP-11150951 shows a device for modulating the voltage delivered to a load with two parallel connected modulation bridges controlled by a control module.
  • JP-07007935 shows two switches connected in parallel with each other on a rectifier converter circuit. At a comparatively low level
  • DE 10 2013 2012012 A1 relates to a converter having a multiplicity of parallel-connected central elements, wherein each central element has at least one
  • DE 693 15 903 T2 discloses that with a plurality of parallel-connected transistors of a bridge for driving an electric motor, the transistors are turned on at different times in order to reduce parasitic effects.
  • the invention has for its object to provide an improved power converter, in particular to provide a power converter with a reduced power loss.
  • the object of the invention is achieved by a power converter according to claim 1, an inverter according to claim 9 and an electric drive according to claim 10.
  • the dependent claims disclose preferred embodiments.
  • the power converter according to the invention is designed to convert a DC voltage of a power source into an AC voltage and / or a
  • the power converter comprises a bridge circuit and a control device.
  • the bridge circuit includes a first parallel circuit arrangement coupled to a higher potential of the current source and one having a lower potential of the
  • the bridge circuit includes a plurality of taps each coupled to the first and second parallel circuits. Each switching element of the first
  • Parallel connection arrangement and the second parallel connection arrangement comprises two line connections and a control connection which controls the flow of current from one line connection to the other line connection
  • Control device is designed to at least one in the partial load case
  • Switching device of a parallel circuit arrangement to control so that it is not turned on during a cycle.
  • the switching elements of a parallel circuit arrangement to control so that it is not turned on during a cycle.
  • Parallel circuit arrangement are thermally coupled together.
  • One cycle corresponds to one period of an AC signal.
  • AC voltage signal can be generated by the converter and delivered to the taps. But it is also possible that that
  • AC signal is applied to the taps. At least one
  • Switching element is not turned on during at least one cycle, the switching losses and thus the power loss can be reduced. Because the switching elements a parallel circuit arrangement are thermally coupled together, a more even current distribution over the switching elements can be achieved regardless of the operating point.
  • the switching elements of a parallel circuit arrangement may be thermally coupled to each other so that a heat flow from a switching element of a parallel circuit arrangement to another switching element of
  • Parallel circuit arrangement in operation is lower than with two separate (not thermally coupled) switching elements, in one embodiment
  • the control device may be configured so that when the current transformer is operated at partial load, a larger number of switching elements of
  • the switching losses can be reduced because so few switching elements are turned on, such as is required. Conversely, fewer switching elements are turned on during a cycle, the lower the load is.
  • the control device may be designed such that, in the partial load case, the number of switching elements of the parallel circuit arrangements, which are activated so that they are switched on during one cycle, is selected such that the at least one switching device which is switched on during one cycle becomes in each case as close as possible to the region of highest power output.
  • the control device may be designed so that in the partial load case, the number of switching elements of the parallel circuit arrangements, which are controlled so that they are turned on during a cycle, is selected so that the at least one switching device, which is turned on during a cycle in each case as possible located near the highest efficiency bodech which comprises the highest efficiency.
  • Switching element when the current transformer is operated at partial load, can in
  • a plurality of the switching elements of the first parallel circuit arrangement or of the second parallel circuit arrangement can be arranged on a chip and / or on a substrate.
  • the substrate may be a ceramic substrate and the
  • Transistors can be arranged on the substrate by means of a so-called clip-on-board technique (chip on the substrate). But it is also possible that a plurality of the switching elements of the first parallel circuit arrangement or the second parallel circuit arrangement are arranged in a common housing without lower housing. This allows a good heat transfer and thus a more even distribution of power can be achieved.
  • the power converter may comprise a half-bridge with a series connection of the first parallel-connection arrangements and the second parallel-connection arrangement, wherein a plurality of the switching elements of the
  • Parallel circuit arrangements are located on a chip and or on a substrate.
  • the series connection of the first parallel circuit arrangements and the second parallel connection arrangement may be located in a housing without a lower housing.
  • the switching elements may comprise a transistor, a bipolar transistor, a FET transistor, a MOSFET transistor and / or an IGB transistor. It is preferable that all the parallel connection arrangements have the same type of switching element.
  • Each of the parallel circuit arrangements may be connected in parallel with a freewheeling diode.
  • the freewheeling diode protects the switching element from currents and voltages from the coil of the electric machine when switching off the switching device.
  • the invention also discloses an inverter with the power converter described above.
  • the invention also relates to an electric drive with the inverter, wherein at least one winding of an electric machine to a tap of the
  • Switching frequencies and the switching times are not changed compared to a conventional power converter. Compared to a conventional power converter, only the number of transistors turned on during a cycle needs to be changed depending on the desired amplitude of the alternating current generated.
  • FIG. 1 shows a Schattplan of the power converter according to the invention
  • Figure 2 is a diagram showing how many transistors are driven with what load in response to the current delivered; and Figure 3 shows a schematic representation of a parallel circuit arrangement.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a power converter according to the invention.
  • an accumulator for example via an intermediate circuit memory and a DC / DC converter, or a DC link is connected.
  • a phase of the three-phase current for example, one winding of a
  • the power converter 100 functions as an inverter or a controlled rectifier.
  • the power converter 100 comprises one or more half bridges and, in the example shown in the figures, three half bridges.
  • the first half bridge is formed by the series connection of a first parallel circuit arrangement 110 having a plurality Transistors 112, 114, 116, 118 and a second parallel circuit arrangement 120 with a plurality of parallel-connected transistors 122, 124, 126, 128 is formed.
  • Each parallel circuit arrangement of the first half-bridge is a
  • Freewheeling diode 119, 129 connected in parallel
  • the second half-bridge is connected through the series circuit of the third parallel circuit arrangement 130 with a
  • Transistors 142, 144, 146, 148 are formed. Each parallel circuit arrangement of the second half-bridge is a free-wheeling diode 139, 149 connected in parallel.
  • a third half-bridge comprises a fifth parallel-connection arrangement 150 with a
  • Transistors 162, 164, 166, 168 are connected in parallel
  • each transistor 112-168 includes a gate 112g, a collector 112c an emitter 112e. The signal at the gate essentially controls the current between the collector and the emitter.
  • a controller 102 controls the gate electrodes of transistors 112-168 such that at taps 180, 182, 184 either no potential or the higher potential of the supply voltage supplied via terminal 170 or the lower potential of the supply voltage, the via terminal 172 is applied.
  • the pulse width of the pulse applied to the gate electrode 112g it can be controlled which power is provided to a tap 180, 182, 184.
  • the pulses can be applied to the respective gate electrode 112g several times within one cycle.
  • One cycle corresponds to a period of an AC signal generated by the power converter 100.
  • the period or the frequency of the AC signal depend on the current speed of a shaft of an electric machine.
  • inverters inverters
  • each parallel circuit arrangement 110, 120, 130, 140, 150, 160 comprises four transistors connected in parallel. The number of parallel-connected transistors can be selected depending on the design (maximum load) of the converter.
  • the parallel-connected transistors which are turned on during one cycle are turned on and off synchronously.
  • the basic operation of the control device 102 in driving the transistors is explained with reference to FIG. 2.
  • the abscissa is the quotient of the actual current intensity and the maximum current value of all activated ones Transistors applied.
  • the ordinate plots the quotient of the current and the maximum current of a switched-on transistor.
  • Converters 100 are to be generated, two transistors each
  • Maximum load operated to about 100% of its maximum load to produce an alternating current between about 25% to about 50% of the maximum current. If more than about 50% and less than about 75% of the maximum current is to be supplied by the power converter 100 (area 3), three transistors of each parallel circuit arrangement must be synchronously turned on and off. The three transistors of each shunt arrangement operate at about 66.67% of their maximum load, up to about 100% of their maximum load, to allow the power converter to deliver about 50% to about 75% of the maximum current. If more than about 75% of the maximum current is to be supplied by the power converter 100 (area 4), four transistors of each parallel circuit arrangement 110, 120, 130, 140, 150, 160 are turned on and off during one cycle. If the power converter 100 is between about 75% and should deliver about 100% of the maximum current, the four become synchronous controlled transistors of each parallel connection arrangement between 75% and 100% of their maximum load loaded by this operation of the
  • Control device can be ensured that turned on at each operating point as few transistors during a cycle and
  • FIG. 3 shows an arrangement of a half-bridge 200 on a substrate 202.
  • the half-bridge comprises a first one
  • the second parallel connection arrangement 120 comprises parallel-shaded transistors 122, 124, 126, 128.
  • Transistors 112, 114, 116, 118, 122, 124, 126, 128 are on a ceramic substrate 202 is applied (chip-on-board).
  • the terminals of the transistors 122 to 128 are connected to the substrate 202, for example by bonding techniques. This can ensure that all transistors have substantially the same temperature, since the substrate 202 ensures good thermal coupling
  • the parallel circuit arrangements 110 and 120 are located in a housing 250 without further sub housing or separating housing element. Thus, the individual transistors 112-128 of the parallel circuit arrangements 110 and 120 are separated by no housing element. This again ensures that all the transistors 112 to 226 are substantially the same Have temperature.
  • the control device 102 includes a first control element 102a that controls the transistor 112, a second control element 102b that controls the
  • Transistor 114 controls a third control element 102c that controls transistor 116 and a fourth control element 102d that controls transistor 118.
  • the present invention has the advantage that the power loss of a

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Abstract

Die Erfindung offenbart einen Stromrichter, der dazu ausgebildet ist, ein Gleichstrom einer Stromquelle in einen Wechselstrom zu wandeln und/oder eine Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln, umfassend: - eine Brückenschaltung mit - einer mit einem höheren Potential der Stromquelle gekoppelten ersten Parallelschaltungsanordnung mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Schaltelemente; - einer mit einem niedrigeren Potential der Stromquelle gekoppelten zweiten Parallelschaltungsanordnung mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Schaltelemente; und - einer Mehrzahl Abgriffe, die je mit der ersten und zweiten Parallelschaltungsanordnung gekoppelt ist; - wobei jedes Schaltelement der ersten und der zweiten Parallelschaltungsanordnung zwei Leitungsanschlüsse und einen Steueranschluss, der den Stromfluss von einem Leitungsanschluss zum anderen Leitungsanschluss steuert, aufweist; und; - eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, dass - wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, zumindest ein Schaltelement einer Parallelschaltungsanordnung so angesteuert wird, dass er während zumindest eines Zyklus nicht eingeschaltet wird; - wobei die Schaltelemente einer Parallelschaltungsanordnung thermisch miteinander gekoppelt sind.

Description

Verbesserter Stromrichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Stromrichter für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere einen verbesserten Wechselrichter.
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Wechselrichter verwendet, um den Gleichstrom von einem Akkumulator in einen mehrphasigen Wechselstrom zum Antrieb einer elektrischen Maschine umzuwandeln. Die Prinzipien elektrischer Antriebe sind dem Fachmann bekannt und müssen hierin im Sinne der Prägnanz nicht weiter beschrieben werden.
Derartige Stromrichter verwenden typischerweise drei Halbbrücken, wobei in jeder Halbbrücke zwei Transistoren in Serie geschaltet sind. Die Transistoren sind an einem Anschluss miteinander gekoppelt. Die anderen Anschlüsse der Transistoren sind mit dem positiven Potenzial bzw. negativen Potenzial der Stromquelle gekoppelt. An einen Abgriff der Halbbrücke ist eine Wicklung der elektrischen Maschine angeschlossen. Der Abgriff einer jeden Halbbrücke befindet sich zwischen den beiden in Serie geschalteten Transistoren. Jedem Transistor ist eine Freilaufdiode parallel geschaltet Es ist auch möglich, dass jeder
Parallelschaltungsanordnung Freilaufdioden parallel geschaltet sind.
Die Anwendung derartiger Wechselrichter bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug stellt hohe Anforderungen an die elektronischen Bauteile. Als
elektronische Bauteile werden Leistungstransistoren, beispielsweise MOSFET- Transistoren, IGB-Transistoren oder dergleichen, verwendet
Zur Steigerung der Leistung der Wechselrichter werden mehrere
Leistungstransistoren parallel geschaltet Während des Betriebs der
Leistungstransistoren entsteht Verlustleistung. Zum einen entsteht Verlustleistung während des Zeitraumes, während dem der Leistungstransistor eingeschaltet ist. Diese Verluste werden im Wesentlichen durch den Stromfluss in einem
Kanalbereich des Transistors und der darüber abfallenden Spannung verursacht. Ferner gibt es Schaltverluste, die beim Einschalten und Ausschalten des Transistors entstehen. Derartige stromunabhängige Schaltverluste entstehen durch das Überlappen einer hohen Stromdichte und einer hohen anliegenden Spannung am Transistor. Die Schaitveriuste treten lediglich während sehr kurzer Intervalle bei Einschalten, während des Zunehmens des Stromflusses, und beim Ausschalten, während des Reduzierens des Stromflusses, auf. Diese Schaitveriuste haben bei einer steigenden Schaltfrequenz und insbesondere bei kleinen Strömen einen wesentlichen Anteil an der Gesamtverlustleistung.
Im Stand der Technik werden die parallel geschalteten Transistoren gleichzeitig geschaltet d.h. synchron hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Impuls-Pausen- Verhältnis moduliert.
Die DE 40 05 168 A1 offenbart ein Schaltgerät zum Einschalten und Ausschalten mit einer hohen Schattfrequenz zum Wechselrichten einer elektrischen Größe in Verbindung mit einem Transformator oder Motor, wobei ein Treiber zum Schalten parallel geschalteter MOSFET-Halbleiter und IGBT-Leistungshalbleiter vorgesehen ist.
Die DE 102 50 155 A1 offenbart ein Schaltnetzteil mit einem Hauptschalter und einem Bereitschaftsschalter, um Verluste im Bereitschaftsmodus zu reduzieren. Die DE 102 50 154 A1 offenbart eine Schalteinheit für ein Schaltnetzteil, bei dem ein Hauptschalter und ein Bereitschaftsschalter vorgesehen sind, die zueinander parallel geschaltet sind.
Die DE 10 2012 013938 A1 offenbart einen Übertragerkopf und ein System zur kontaktlosen Energieübertragung, das parallel geschaltete Halbbrücken aufweist wobei jede Halbbrücke aus einer Reihenschaltung von ansteuerbaren
Halbleiterschaltern gebildet wird.
Die JP-11150951 zeigt eine Vorrichtung zur Modulation der Spannung, die an eine Last abgegeben wird, mit zwei parallel verbundenen Modulationbrücken, die durch ein Steuermodul gesteuert werden.
Die JP-07007935 zeigt zwei parallel zueinander geschaltete Schalter an einem Gleichrichter-Wandlerschaltkreis. Bei einer vergleichsweise niedrigen
Eingangsspannung wird zunächst ein zweiter Schalttransistor angesteuert Falls die Ausgangsspannung des Schaltkreises einen bestimmten vorgegebenen Wert überschreitet wird der erste Schalttransistor angesteuert. Die DE 10 2013 2012012 A1 betrifft einen Umrichter mit einer Vielzahl parallel geschalteter Zentralelemente, wobei jedes Zentralelement zumindest eine
Halbbrücke aufweist
Die DE 693 15 903 T2 offenbart, dass bei einer Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren einer Brücke zum Ansteuern eines Elektromotors die Transistoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeschaltet werden, um parasitäre Effekte zu reduzieren.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, einen verbesserten Stromrichter zu schaffen, insbesondere einen Stromrichter mit einer reduzierten Verlustleistung zu schaffen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Stromrichter nach Anspruch 1 , einen Wechselrichter nach Anspruch 9 und einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 10 gelöst Die abhängigen Ansprüche offenbaren bevorzugte Ausführungsformen. Der erfindungsgemäße Stromrichter ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung einer Stromquelle in eine Wechselspannung zu wandeln und/oder eine
Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Der Stromrichter umfasst eine Brückenschaltung und eine Steuerungseinrichtung. Die Brückenschaltung umfasst eine mit einem höheren Potenzial der Stromquelle gekoppelte erste Parallelschaltungsanordnung und eine mit einem niedrigeren Potenzial der
Stromquelle gekoppelten zweiten Parallelschaltungsanordnung.
Die Brückenschaltung umfasst eine Mehrzahl Abgriffe, die je mit der ersten und der zweiten Parallelschaltung gekoppelt sind. Jedes Schaltelement der ersten
Parallelschaltungsanordnung und der zweiten Parallelschaltungsanordnung umfasst zwei Leitungsanschlüsse und einen Steueranschluss, der den Stromfluss von einem Leitung sanschluss zum anderen Leitungsanschluss steuert Die
Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, im Teillastfall zumindest eine
Schalteinrichtung einer Parallelschaltungsanordnung so anzusteuern, dass er während eines Zyklus nicht eingeschaltet wird. Die Schaltelemente einer
Parallelschaltungsanordnung sind thermisch miteinander gekoppelt.
Ein Zyklus entspricht einer Periode eines Wechselspannungssignals. Das
Wechselspannungssignal kann vom Stromrichter erzeugt werden und an den Abgriffen abgegeben werden. Es ist aber auch möglich, dass das
Wechselspannungssignal an den Abgriffen angelegt wird. Da zumindest ein
Schaltelement während zumindest eines Zyklus nicht eingeschaltet wird, lassen sich die Schaltverluste und somit die Verlustleistung reduzieren. Da die Schaltelemente einer Parallelschaltungsanordnung thermisch miteinander gekoppelt sind, kann unabhängig vom Arbeitspunkt eine gleichmäßigere Stromverteilung über die Schaltelemente erreicht werden.
Die Schaltelemente einer Parallelschaltungsanordnung können so miteinander thermisch gekoppelt sein, dass ein Wärmefluss von einem Schaltelement einer Parallelschaltungsanordnung zu einem anderen Schaltelement der
Parallelschaltungsanordnung stattfindet. Der Wärmefluss kann bewirken, dass die Temperaturdifferenz zwischen zwei Schaltelementen der
Parallelschaltungsanordnung im Betrieb niedriger als bei zwei separaten (nicht thermisch gekoppelten) Schaltelementen ist, bei einer Ausführungsform
beispielsweise niedriger als etwa 5 °C, vorzugsweise niedriger als etwa 2,5 °C, mehr bevorzugt niedriger als etwa 1 °C ist
Die Steuerungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass, wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, eine größere Anzahl von Schaltelementen der
Parallelschaltungsanordnungen so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, je höher die Last ist Da die Anzahl der Schaltelemente, die während eines Zyklus eingeschaltet sind, von der Last abhängt, können die Schaltverluste reduziert werden, da so wenige Schaltelemente eingeschaltet werden, wie erforderlich ist. Umgekehrt werden weniger Schaltelemente während eines Zyklus eingeschaltet, je niedriger die Last ist.
Die Steuerungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass im Teillastfall die Anzahl von Schaltelementen der Parallelschaltungsanordnungen, die so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, so gewählt wird, dass sich die zumindest eine Schalteinrichtung, die während eines Zyklus eingeschaltet ist, sich jeweils möglichst nahe dem Bereich der höchsten Leistungsabgabe bzw. Stromabgabe befindet. Je weniger Schalteinrichtungen während eines Zyklus eingeschaltet und ausgeschaltet werden müssen, desto niedriger sind die
Schaltverluste. Die Steuerungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass im Teillastfall die Anzahl von Schaltelementen der Parallelschaltungsanordnungen, die so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, so gewählt wird, dass sich die zumindest eine Schalteinrichtung, die während eines Zyklus eingeschaltet ist sich jeweils möglichst nahe dem Boreich des höchsten Wirkungsgrades, der den höchsten Wirkungsgrad umfasst, befindet Der Bereich der höchsten Leistungsabgabe bzw. Strom abgäbe eines
Schaltelements, wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, kann im
Wesentlichen dem Bereich der maximalen Leistungsabgabe bzw. Stromabgabe entsprechen, wenn der Stromwandler bei Volllast betrieben wird.
Eine Mehrzahl der Schaltelemente der ersten Parallelschaltungsanordnung oder der zweiten Parallelschaltungsanordnung können auf einem Chip und/oder auf einem Substrat angeordnet sein. Dadurch wird eine besonders gute thermische Kopplung erreicht Beispielsweise kann das Substrat ein Keramiksubstrat sein und die
Transistoren können mittels einer so genannten Clip-On-Board-Technik (Chip auf dem Substrat) auf dem Substrat angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass eine Mehrzahl der Schaltelemente der ersten Parallelschaltungsanordnung oder der zweiten Parallelschaltungsanordnung in einem gemeinsamen Gehäuse ohne Untergehäuse angeordnet sind. Dadurch kann ein guter Wärmeübergang und somit eine gleichmäßigere Stromaufteilung erreicht werden.
Der Stromrichter kann eine Halbbrücke mit einer Serienschaltung aus der ersten Parallelschaltungsanordnungen und der zweiten Parallelschaltungsanordnung aufweisen, wobei sich eine Mehrzahl der Schaltelemente der
Parallelschaltungsanordnungen auf einem Chip und oder auf einem Substrat befindet. Die Serienschaltung aus der ersten Parallelschaltungsanordnungen und der zweiten Parallelschaltungsanordnung kann sich in einem Gehäuse ohne Untergehäuse befinden. Dadurch kann eine bessere thermische Kopplung zwischen den Schaltelementen erreicht werden, was zu einer gleichmäßigeren Aufteilung des Stromflusses über die Schaltelemente führt
Die Schaltelemente können einen Transistor, einen Bipolartransistor, einen FET- Transistor, einen MOSFET-Transistor und/oder einen IGB-Transistor aufweisen. Es ist bevorzugt dass alle Parallelschaltungsanordnungen den gleichen Typ von Schaltelement aufweisen.
Jeder der Parallelschaltungsanordnungen kann eine Freilaufdiode parallel geschaltet sein. Die Freilaufdiode schützt das Schaltelement vor Strömen und Spannungen von der Spule der elektrischen Maschine beim Ausschalten der Schalteinrichtung.
Die Erfindung offenbart auch einen Wechselrichter mit dem zuvor beschriebenen Stromrichter. Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Antrieb mit dem Wechselrichter, wobei zumindest eine Wicklung einer elektrischen Maschine an einen Abgriff des
Wechselrichters angeschlossen ist
Der erfindungsgemäße Stromwandler schaltet während er sich im Teillastbetrieb befindet verglichen mit dem Stand der Technik weniger Transistoren jeder
Parallelschaltungsanordnung während eines Zyklus ein und aus. Dadurch lassen sich die Verlustleistung verringern und der Wirkungsgrad erhöhen. Im Volllastbetrieb werden alle Transistoren einer Parallelschaltungsanordnung während eines Zyklus eingeschaltet Somit kann die Verlustleistung reduziert werden, ohne die
Funktionalität einzuschränken. Femer erfordert die Erfindung nur eine
vergleichsweise kleine Modifikation der Steuerungseinrichtung, da die
Schaltfrequenzen und die Schaltzeitpunkte verglichen mit einem herkömmlichen Stromrichter nicht verändert werden. Gegenüber einem herkömmlichen Stromrichter muss lediglich die Anzahl der während eines Zyklus eingeschalten Transistoren in Abhängigkeit der gewünschten Amplitude des erzeugten Wechselstroms verändert werden.
Die Erfindung wird anschließend unter [Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die nicht beschränkende Ausfuhrungsformen der Erfindung zeigen, detaillierter beschrieben, wobei
Figur 1 einen Schattplan des erfindungsgemäßen Stromrichters zeigt
Figur 2 ein Diagramm zeigt, das darstellt, wie viele Transistoren mit welcher Last in Abhängigkeit vom abgegebenen Strom angesteuert bzw. belastet werden; und Figur 3 eine schematische Darstellung einer Parallelschaltungsanordnung zeigt. Figur 1 zeigt eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Stromrichters. An den Anschlüssen 170 und 172 ist ein Akkumulator, beispielsweise über einen Zwischenkreisspeicher und einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, oder einen Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossen. An den Abgegriffen 180, 182, 184 kann eine Phase des Drehstroms, beispielsweise je eine Wicklung einer
elektrischen Maschine zum Antreiben eines Fahrzeuges angeschlossen sein. Der Stromrichter 100 fungiert als Wechselrichter oder gesteuerter bzw. geregelter Gleichrichter.
Der Stromrichter 100 umfasst eine oder mehrere Halbbrücken und bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel drei Halbbrücken. Die erste Halbbrücke wird durch die Serienschaltung einer ersten Parallelschaltungsanordnung 110 mit einer Mehrzahl Transistoren 112, 114, 116, 118 und einer zweiten Parallelschaltungsanordnung 120 mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren 122, 124, 126, 128 gebildet. Jeder Parallelschaltungsanordnung der ersten Halbbrücke ist eine
Freilaufdiode 119, 129 parallel geschaltet Die zweite Halbbrücke wird durch die Serienschaltung aus der dritten Parallelschaltungsanordnung 130 mit einer
Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren 132, 134, 136, 138 und der vierten Parallelschaltungsanordnung 140 mit einer Mehrzahl parallel geschalteter
Transistoren 142, 144, 146, 148 gebildet. Jeder Parallelschaltungsanordnung der zweiten Halbbrücke ist eine Freilaufdiode 139, 149 parallel geschaltet Eine dritte Halbbrücke umfasst eine fünfte Parallelschaltungsanordnung 150 mit einer
Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren 152, 154, 156, 158 und eine sechste Parallelschaltungsanordnung 160 mit einer Mehrzahl parallel geschalteter
Transistoren 162, 164, 166, 168. Jeder Parallelschaltungsanordnung der dritten Halbbrücke ist eine Freilaufdiode 159, 169 parallel geschaltet
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die Transistoren 112 bis 168 so genannte IGB-Transistoren (insolated-gate bipolar Transistor - Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode). Rgur 3 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 1, bei dem die Ansteuerung detaillierter betrachtet wird. Jeder Transistor 112 bis 168 umfasst ein Gate 112g, einen Kollektor 112c einen Emitter 112e. Das Signal am Gate steuert im Wesentlichen den Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter.
Eine Steuerungseinrichtung 102 steuert die Gate-Elektroden der Transistoren 112 bis 168 so, dass an den Abgriffen 180, 182, 184 entweder kein Potenzial oder das höhere Potenzial der Versorgungsspannung, das über den Anschluss 170 eingespeist wird, oder das niedrigere Potenzial der Versorgungsspannung, das über den Anschluss 172 eingespeist wird, anliegt. Durch die Impulsbreite des an die Gate-Elektrode 112g angelegten Impulses kann gesteuert werden, welche Leistung einem Abgriff 180, 182, 184 zur Verfügung gestellt wird. Die Impulse können mehrfach innerhalb eines Zyklus an die jeweilige Gate-Elektrode 112g angelegt werden. Ein Zyklus entspricht einer Periode eines Wechselstromsignals, das durch den Stromrichter 100 erzeugt wird. Die Periodendauer bzw. die Frequenz des Wechselstromsignals hängen von der aktuellen Drehzahl einer Welle einer elektrischen Maschine ab. Im Übrigen sind die Arbeitsweise von Wechselrichtern (Inverter) einem Fachmann bekannt und müssen hierin nicht weiter beschrieben werden. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des Stromrichters 100 umfasst jede Parallelschaltungsanordnung 110, 120, 130, 140, 150, 160 vier parallel geschaltete Transistoren. Die Anzahl der parallel geschalteten Transistoren kann je nach Auslegung (maximale Last) des Stromrichters gewählt werden.
Die Anzahl parallel geschalteter Transistoren, die während eines Zyklus
eingeschaltet werden, hängt von der Last ab. Bei Volllast werden alle Transistoren einer Parallelschaltungsanordnung eingeschaltet Bei niedriger Last werden während eines Zyklus nur ein Teil der parallel geschalteten Transistoren
eingeschaltet Diejenigen parallel geschalteten Transistoren, die während eines Zyklus eingeschaltet werden, werden synchron eingeschaltet und ausgeschaltet Die prinzipielle Arbeitsweise der Steuerungseinrichtung 102 beim Ansteuern der Transistoren wird unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert Auf der Abszisse ist der Quotient der aktuellen Stromstärke und der maximalen Stromstärke aller aktivierten Transistoren aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Quotient aus dem aktuellen Strom und dem Maximalstrom eines eingeschalteten Transistors aufgetragen.
In einem Bereich 1 , in dem weniger als etwa ein viertel des Maximalstroms von Umrichter 100 angefordert werden, ist lediglich ein Transistor einer
Parallelschaltungsanordnung 110, 120, 130, 140, 150, 160, eingeschaltet Sobald mehr als etwa 25 % und weniger als etwa 50% des Maximalstroms vom
Stromrichter 100 zu erzeugen sind, werden zwei Transistoren jeder
Parallelschaltungsanordnung synchron eingeschaltet und ausgeschaltet (Bereich 2). Diese beiden Transistoren werden jeweils mit mindestens etwa 50 % der
Maximallast bis etwa 100 % ihrer Maximallast betrieben, um einen Wechselstrom zwischen etwa 25 % bis etwa 50 % des Maximalstroms zu erzeugen. Sind mehr als etwa 50 % und weniger als etwa 75% des Maximalstroms von dem Stromrichter 100 zu liefern (Bereich 3), müssen drei Transistoren jeder Parallelschaltungsanordnung synchron eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die drei Transistoren jeder Parallelschaltungsanordnung werden mit etwa 66,67 % ihrer Maximallast bis zu etwa 100 % ihrer Maximallast betrieben, damit der Stromrichter etwa 50 % bis etwa 75 % des Maximalstroms liefern kann. Falls mehr als etwa 75 % des Maximalstroms von dem Stromrichter 100 zu liefern sind (Bereich 4), werden vier Transistoren jeder Parallelschaltungsanordnung 110, 120, 130, 140, 150, 160 während eines Zyklus eingeschaltet und ausgeschaltet Falls der Stromrichter 100 zwischen etwa 75 % und etwa 100 % des Maximalstroms liefern soll, werden die vier synchron angesteuerten Transistoren jeder Parallelschaltungsanordnung zwischen 75 % und 100 % ihrer Maximallast belastet Mittels dieser Arbeitsweise der
Steuerungseinrichtung kann sichergestellt werden, dass an jedem Betriebspunkt möglichst wenige Transistoren während eines Zyklus eingeschaltet und
ausgeschaltet werden. Daraus ergibt sich die Kurve 192 in Figur 2. Dadurch können die Schaltverluste reduziert werden. Unter Beachtung der Durchlassverluste können Umschattpunkte bezüglich der Gesamtverluste des Stromrichters optimiert werden, was mit der Kurve 190 in Figur 2 dargestellt ist
Es wird auf Figur 3 Bezug genommen, die eine Anordnung einer Halbbrücke 200 auf einem Substrat 202 zeigt Die Halbbrücke umfasst eine erste
Parallelschaltungsanordnung 110 mit den parallel geschalteten Transistoren 112, 114, 116, 118. Die zweite Parallelschaltungsanordnung 120 umfasst parallel geschattete Transistoren 122, 124, 126, 128. Die Transistoren 112, 114, 116, 118, 122, 124, 126, 128 sind auf ein Keramiksubstrat 202 aufgebracht (Chip-on-board). Die Anschlüsse der Transistoren 122 bis 128 sind mit dem Substrat 202 verbunden, beispielsweise mittels Bond-Techniken. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle Transistoren im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen, da das Substrat 202 eine gute thermische Kopplung sicherstellt
Die Parallelschaltungsanordnungen 110 und 120 befinden sich in einem Gehäuse 250 ohne weiteres Untergehäuse oder trennendes Gehäuseelement Somit sind die einzelnen Transistoren 112-128 der Parallelschaltungsanordnungen 110 und 120 durch kein Gehäuseelement separiert Dadurch kann nochmals sichergestellt werden, dass alle Transistoren 112 bis 226 im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen.
Die Steuerungseinrichtung 102 umfasst ein erstes Steuerungselement 102a, das den Transistor 112 steuert, ein zweites Steuerungselement 102b, das den
Transistor 114 steuert, ein drittes Steuerungselement 102c, das den Transistor 116 steuert, und ein viertes Steuerungselement 102d, das den Transistor 118 steuert. Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Verlustleistung eines
Stromrichters ohne Einschränkung der Funktionalität reduziert wird, indem die Schaltverluste reduziert werden.

Claims

Patentansprüche
Stromrichter (100), der dazu ausgebildet ist, einen Gleichstrom einer Stromquelle in einen Wechselstrom zu wandeln und/oder einen
Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln, umfassend:
- eine Brückenschaltung mit
- einer mit einem höheren Potential der Stromquelle gekoppelten ersten Parallelschaltungsanordnung (110, 130, 150) mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Schaltelemente (112-118, 132- 138, 152-158);
- einer mit einem niedrigeren Potential der Stromquelle
gekoppelten zweiten Parallelschaltungsanordnung (120, 140, 180) mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Schaltelemente (122-128, 142-148, 162-168); und
- einer Mehrzahl Abgriffe (180, 182, 184), die je mit der ersten Parallelschaltungsanordnung (110, 130, 150) und zweiten Parallelschaltungsanordnung (120, 140, 180) gekoppelt ist;
- wobei jedes Schaltelement der ersten
Parallelschaltungsanordnung (110, 130, 150) und der zweiten Parallelschaltungsanordnung (120, 140, 160) zwei
Leitungsanschlüsse (112c, 112e) und einen Steueranschluss (112g), der den Stromfluss von einem Leitung sanschluss zum anderen Leitungsanschluss steuert, aufweist; und;
- eine Steuerungseinrichtung (102), die dazu ausgebildet ist, dass
- wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, zumindest ein Schaltelement einer Parallelschaltungsanordnung (110, 120, 130, 140, 150, 160) so angesteuert wird, dass es während zumindest eines Zyklus nicht eingeschaltet wird;
- wobei die Schaltelemente einer Parallelschaltungsanordnung ( 110, 120, 130, 140, 150, 160) thermisch miteinander gekoppelt sind.
Stromrichter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass, wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, eine größere Anzahl von Schaltelemente der Parallelschaltungsanordnungen (110, 120, 130, 140, 150, 160) so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, je höher die Last ist.
3. Stromrichter (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass, wenn der Stromrichter bei Teillast betrieben wird, die Anzahl von Schaltelementen der
Parallelschaltungsanordnungen (110, 120, 130, 140, 150, 160), die so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, so gewählt wird, dass sich die zumindest eine Schalteinrichtung, die während eines Zyklus eingeschaltet ist, jeweils möglichst nahe dem Bereich der höchsten Leistungsabgabe befindet.
4. Stromrichter (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist dass, wenn der Stromwandler bei Teillast betrieben wird, die Anzahl von Schaltelemente der
Parallelschaltungsanordnungen (110, 120, 130, 140, 150, 160), die so angesteuert werden, dass sie während eines Zyklus eingeschaltet sind, so gewählt wird, dass sich die zumindest eine Schalteinrichtung, die während eines Zyklus eingeschattet ist jeweils möglichst nahe dem Bereich des höchsten Wirkungsgrades befindet
5. Stromrichter (100) nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass sich eine Mehrzahl der Schaltelemente der ersten Parallelschaltungsanordnungen (110, 130, 150) oder der zweiten
Parallelschaltungsanordnungen (120, 140, 160) auf einem Substrat (202) befindet
6. Stromrichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Halbbrücke mit einer Serienschaltung aus der ersten
Parallelschaltungsanordnung (110, 130, 150) und der zweiten
Parallelschaltungsanordnung (120, 140, 160), wobei sich eine Mehrzahl der Schaltelemente der Parallelschaltungsanordnungen auf einem Substrat (202) befindet
7. Stromrichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltelemente zumindest eines von Folgendem aufweisen:
- einen Transistor;
- einen Bipolartransistor;
- einen FET-Transiston
- einen MOSFET-Transistor; und
- einen IGBT-Transistor. 8. Stromrichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass jeder Parallelschaltungsanordnung (110, 120, 130, 140, 150, 160) eine Freilaufdiode (119, 129, 139, 149, 159, 169) parallel geschaltet ist 9. Wechselrichter, aufweisend den Stromrichter (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis 8. 10. Elektrischer Antrieb aufweisend den Wechselrichter nach Anspruch 9,
wobei zumindest eine Wicklung einer elektrischen Maschine an einen Abgriff des Wechselrichters angeschlossen ist
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