Entlastung von höherbelasteten Schaltelementen in Traktionsinvertern durch Tastverhältnisanpassung

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb verfügen über einen Traktionsinverter, der eine daran angeschlossene elektrische Maschine, die zur Traktion dient, mit Strom versorgt. Hierbei erzeugt der Traktionsinverter mittels mehrerer Halbbrücken durch getaktetes Schalten dieser Halbbrücken einen (mehrphasigen) Drehstrom, der in der elektrischen Maschine zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes führt.

Auf Grund der hierbei verwendeten Leistungen von mehr als 100 kW sind die im Traktionsinverter verwendeten Schaltelemente einer hohen thermalen Belastung ausgesetzt. Insbesondere bei langsamem Fahren und vor allem bei hohen Drehmomenten, die beim langsamen Befahren von Stufen (etwa ein Bordstein) auftreten können, werden einzelne Schaltelemente des Traktionsinverters stärker belastet als andere Schaltelemente des Traktionsinverters. Eine Auslegung aller Schaltelemente für derartige hohe Einzellasten wäre ineffizient und würde zu hohen Kosten führen, so dass es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die hohe thermale Belastung einzelner Schaltelemente verringern lässt.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 . Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.

Es wird vorgeschlagen, diejenige Phase eines Traktionsinverters, die die höchste (einseitige) Strombelastung trägt, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten zu entlasten durch Verschieben des Tastverhältnisses in Richtung von 50%. Insbesondere das Tastverhältnis der Phase, die den Transistor mit der höchsten Strombelastung aufweist, wird verschoben in Richtung eines Tastverhältnisses von 50%. Dies betrifft insbesondere die Phase bzw. den Transistor, der gemittelt (über eine vorgegebene Zeitdauer) die höchste Strombelastung trägt. Die einzelnen Phasen des Traktionsinverters weisen jeweils eine Halbbrücke auf, die über einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor verfügen. Gerade bei langsamen Fahrten kann der Highside-Transistor (oder der Lowside-Transistor) für eine relativ lange Zeitdauer deutlich stärker belastet werden als der andere Transistor der gleichen Halbbrücke. Eine Verschiebung des Tastverhältnisses in Richtung 50% verringert diese hohe thermische Belastung des einzelnen Highside- oder Lowside-Transistors. Um das Drehfeld zu wahren, werden auch die anderen Phasen des Transistors mit entsprechend angepassten Tastverhältnissen angesteuert.

Ein entsprechender mehrphasiger Traktionsinverter weist für jede Phase eine Halbbrücke auf mit einem Highside-Transistor und einem Lowside-Transistor, die in Reihe geschaltet sind. Der Highside-Transistor weist ein Ende (in der Leistungsstrecke) auf, das mit einem positiven Gleichspannungsversorgungspotential verbunden ist und der Lowside-Transistor weist ein Ende (in der Leistungsstrecke) auf, das mit einem negativen Gleichspannungsversorgungspotential. Die Halbbrücke erstreckt sich zwischen diesen beiden Potentialen. Die beiden Transistoren der Halbbrücke sind über einen Verbindungspunkt verknüpft, der den Phasenanschluss für die elektrische Maschine bildet. Die beiden Transistoren jeder Halbbrücke weisen jeweils ein weiteres Ende (in der Leistungsstrecke) auf, wobei diese Enden der beiden Transistoren am Verbindungspunkt miteinander verbunden sind.

Bei sehr langsamer Fahrt und bei hohem angefordertem Drehmoment kann eine Phase mit einem von 50 % stark verschiedenen Tastverhältnis angesteuert werden, wobei dann einer der beiden Transistoren der Phase deutlich mehr als 50 % der Periodendauer angeschaltet ist und den Strom trägt. Durch die erfindungsgemäße Verschiebung reduziert sich dieser zeitliche Anteil, so dass die Drehmomenterzeugung gleichmäßiger auf alle Transistoren verteilt wird, insbesondere auch gleichmäßiger auf die beiden Transistoren derjenigen Halbbrücke, welche die höchste Strombelastung trägt. Durch Anpassen der Tastverhältnisse der anderen Phasen wird eine kontinuierliche Erzeugung eines Drehmoments gewährleistet.

Es wird daher ein Verfahren zur Steuerung eines mehrphasigen Traktionsinverters eines Kraftfahrzeugs mit den folgenden Schritten beschrieben. Zunächst wird bestimmt, ob eine elektrische Frequenz des Ausgangssignals des Traktionsinverters unter einer vorgegebenen Grenze liegt. Diese elektrische Frequenz kennzeichnet die Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. die elektrische Drehzahl des vom Traktionsinverters ausgegebenen Drehstroms. Die vorgegebene Grenze gibt eine Drehzahl oder Fahrgeschwindigkeit wieder, unterhalb der bei einem Tastverhältnis deutlich abweichend von 50 % einer der Transistoren sich signifikant mehr erwärmt als die anderen Transistoren. Die vorgegebene Grenze hierbei einer Temperaturstreuung bzw. einer zu erwartenden Temperaturstreuung der Transistoren entsprechen, bei der der am stärksten belastete Transistor eine um mehr als 10 %, 25 % oder 50 % (gegenüber dem Durchschnitt aller Transistortemperaturen oder gegenüber einer Temperatur eines anderen Transistors) erhöhte Verlustleistung für eine Mindestzeitdauer erzeugt, die beispielsweise mehr als 5 ms, 10 ms oder 50 ms betragen kann. Abhängig von der Transistorart sind hierbei auch kürzere Zeitdauern möglich, etwa 100 ps, 200 ps oder 500 ps. Innerhalb dieser Zeitdauer findet für den betreffenden, am höchsten belasteten Transistor kein Schaltvorgang statt, sondern dieser ist durchgehend angeschaltet, so dass sich ein Hotspot innerhalb des Traktionsinverters an diesem Schaltelement bzw. Transistor bilden kann.

Weiterhin ist vorgesehen, dass diejenige Phase des Traktionsinverters ermittelt wird, die von allen Phasen des Traktionsinverters die höchste Strombelastung trägt. Es wird somit diejenige Phase ermittelt, die einen Schalttransistor aufweist, dessen Verlustleistung innerhalb der Schaltperiode größer ist als die der anderen Transistoren. Die höchste Strombelastung kann durch Erfassen oder Messen des Phasenstroms ermittelt werden, oder durch Bestimmen derjenigen Phase, deren Tastverhältnis am stärksten von 50 % abweicht. Mit anderen Worten kann dies dadurch ausgeführt werden, indem diejenige Phase ermittelt wird, die denjenigen Transistor aufweist, dessen An-Dauer innerhalb der Schaltperiode am längsten ist. Ferner kann dies ausgeführt werden, indem diejenige Phase ermittelt wird, die denjenigen Transistor aller Transistoren des Traktionsinverters aufweist, dessen Temperatur am höchsten von allen Transistoren ist bzw. dessen Verlustleistung am höchsten aller Transistoren ist (innerhalb der Schaltperiode).

Weiterhin kann diejenige Phase des Traktionsinverters ermittelt werden, die von allen Phasen des Traktionsinverters die höchste Strombelastung trägt, indem die Temperaturen der Transistoren (einzeln oder in Gruppen) gemessen wird, etwa durch dedizierte Temperatursensoren, die wärmeübertragend mit den Transistoren (einzeln oder in Gruppen) verbunden sind, oder auch durch Erfassung von Signalen, die die Transistoren abgeben und die die Temperatur direkt oder indirekt [etwa eine temperaturabhängige Betriebsgröße wie der Widerstand R_DS(on)] wiedergeben.

Zudem kann diejenige Phase des Traktionsinverters ermittelt werden, die von allen Phasen des Traktionsinverters die höchste Strombelastung trägt, indem der Strombelastungsverlauf der Transistoren (einzeln oder in Gruppen) ermittelt wird, etwa ausgehend von Steuersignalen bzw. Tastverhältnissen der Transistoren, und indem ein thermisches Modell den Strombelastungsverlauf der Transistoren abbildet auf Temperaturen der Transistoren (einzeln oder in Gruppen), die sich durch den Strombelastungsverlauf der Transistoren ergeben. Anhand der Temperaturen, die derart mittels des thermischen Modells ermittelt bzw. errechnet oder prognostiziert werden, wird diejenige Phase des Traktionsinverters ermittelt, die von allen Phasen des Traktionsinverters die höchste Strombelastung trägt. Das thermische Modell gibt insbesondere das Verhältnis von Strombelastungsverlauf und sich dadurch ergebende Verlustleistung bzw. die sich dadurch ergebende Temperaturerhöhung wieder. Vorzugsweise gibt das thermische Modell die Wärmekapazität der Transistoren (und der damit thermisch verbundenen Komponenten, etwa einem Kühlkörper) wieder und/oder Wärmewiderstände, die die thermische Verbindung zwischen den Transistoren und damit thermisch verbundenen Komponenten (etwa einem Kühlkörper) wiedergeben und/oder die die thermische Verbindung der Transistoren untereinander wiedergeben. Für diese Phase der höchsten Strombelastung wird ein Tastverhältnis-Offset gegenüber einem Tastverhältnis von 50 % ermittelt. Das Tastverhältnis-Offset entspricht dem Betrag der Differenz des Ist-Tastverhältnisses dieser Phase minus 50 %. Das Tastverhältnis-Offset gibt somit wieder, wie stark die Asymmetrie der Belastung der beiden Transistoren dieser Phase ist. Etwa bei einem Tastverhältnis von 80 % ist der Highside-Transistor 80 % der Periode angeschaltet und trägt Strom, während der Lowside-Transistor nur 20 % der Periodendauer angeschaltet ist und durch Stromfluss Verlustleistung erzeugt. In diesem Fall ist der Highside-Transistor deutlich stärker belastet und erwärmt sich signifikant, insbesondere bei geringen elektrischen Frequenzen (das heißt bei elektrischen Frequenzen unter der vorgegebenen Grenze). Es ist vorgesehen, diese Belastung wie folgt zu reduzieren.

Das Tastverhältnis-Offset dieser Phase wird reduziert durch Ändern des Tastverhältnisses dieser Phase um eine Tastverhältnisänderung. Die Tastverhältnisänderung führt dazu, dass das Tastverhältnis-Offset verringert wird, bzw. dass das Tastverhältnis dieser Phase in Richtung 50% Tastverhältnis verschoben wird. Bei einem Soll-Tastverhältnis von 80% kann dieses beispielsweise um 10% verschoben werden Richtung einem Tastverhältnis von 50%, so dass sich 70% als Ist-Tastverhältnis ergeben. Mit diesem Ist-Tastverhältnis wird diese Phase angesteuert. Dadurch wird die thermische Belastung desjenigen Transistors dieser Phase, der die höhere An-Zeit in der Schaltperiode hat, von 80 % auf 70 % verringert. Dadurch wird dieser von der Verlustleistung weniger erwärmt als ohne Reduktion des Tastverhältnis-Offsets.

Schließlich werden die Tastverhältnisse der anderen Phasen des Traktionsinverters angepasst gemäß der Änderung in der Phase der höchsten Belastung. Auch deren Tastverhältnisse werden um die Tastverhältnisänderung, die für die Phase der höchsten Strombelastung durchgeführt wurde, geändert. In dem genannten Beispiel, bei dem bei der Phase mit der höchsten Strombelastung das Tastverhältnis von 80% auf 70% reduziert wurde, wird dann auch das Tastverhältnis der anderen Phasen um 10% verringert. So können bei einem dreiphasigen System, bei dem die Phase der höchsten Strombelastung wie vorangehend erwähnt verändert wurde, die Tastverhältnisse der anderen Phasen um 10% verringert werden. Diese Tastverhältnisänderung für die Phasen kann auf einfache Weise umgesetzt werden und erfordert insbesondere keine Änderung der Modulationsart. Lediglich die Tastverhältnisse werden neu berechnet durch einfache Additions- oder Subtraktionsschritte. Das Modulationsschema bzw. die Modulationsart bleiben bei dem Ändern bzw. dem Anpassen des Tastverhältnisses unverändert. Die Modulationsart kann vor und nach dem Ändern bzw. Anpassen beispielsweise SVPWM sein. Lediglich Parameter wie Tastverhältnis werden geändert bzw. angepasst. Es werden die Schaltzeitpunkte geändert, jedoch ohne Änderung des Modulationsschemas bzw. der Modulationsart.

Ein Aspekt ist es, dass die Tastverhältnis-Offsets der Phase der höchsten Strombelastung gegenüber einem Tastverhältnis von 50% reduziert wird, indem bei einem Soll-Tastverhältnis dieser Phase von > 50% das Tastverhältnis dieser Phase um eine reduzierende Tastverhältnisänderung auf ein reduziertes Ist-Tastverhältnis von 50% oder mehr verringert wird. Bei einem Soll-Tastverhältnis dieser Phase (das heißt der Phase der höchsten Strombelastung aller Phasen) von < 50% wird das Tastverhältnis dieser Phase um eine erhöhende Tastverhältnisänderung auf ein erhöhtes Ist-Tastverhältnis von 50% oder weniger erhöht. Ist das Tastverhältnis der Phase der höchsten Strombelastung somit kleiner als 50%, dann wird das Tastverhältnis-Offset gegenüber 50% reduziert durch Erhöhen des Tastverhältnisses (so dass sich ein Ist-Tastverhältnis größer als das Soll-Tastverhältnis ergibt). Bei einem Tastverhältnis der Phase mit höchster Strombelastung (Soll-Tastverhältnis) von größer als 50% wird das Tastverhältnis-Offset gegenüber 50% reduziert, indem das Tastverhältnis dieser Phase reduziert wird. Es ergibt sich dann ein Ist-Tastverhältnis kleiner als das Soll-Tastverhältnis.

Ein weiterer Aspekt ist es, dass die Tastverhältnisse der anderen Phasen angepasst werden, nämlich in der gleichen Weise, wie das Tastverhältnis der Phase mit der höchsten Strom belastung geändert wird. Auch das Tastverhältnis der anderen Phasen, die nicht die höchste Strombelastung tragen, wird um die Tastverhältnisänderung geändert, um die auch das Tastverhältnis-Offset der Phase mit höchster Strombelastung reduziert wird. Die Tastverhältnisse der anderen Phasen werden angepasst, indem die jeweiligen Tastverhältnisse dieser Phasen um die reduzierende Tastverhältnisänderung verringert werden, wenn das Soll-Tastverhältnis der Phase höchster Strombelastung um diese Tastverhältnisänderung verringert wird. Die jeweiligen Tastverhältnisse der anderen Phasen wird um die erhöhende Tastverhältnisänderung erhöht, wenn das Soll-Tastverhältnis der Phase der höchsten Strombelastung um diese Tastverhältnisänderung erhöht wird. Steht damit die Tastverhältnisänderung für die Phase höchster Strombelastung fest (im Hinblick auf Betrag und Vorzeichen), dann wird diese Änderung übertragen auf die anderen Phasen. Die ermöglicht eine einfache Anpassung aller Phasen, ohne dass komplexe Berechnungen erforderlich wären. Insbesondere kann angepasst werden durch Verschieben der Zeitpunkte, an denen die Schaltflanken auftreten.

Vorzugsweise ist die Tastverhältnisänderung (aller Phasen) vom Betrag her nicht größer als das kleinste Tastverhältnis aller Phasen, wenn die Tastverhältnisänderung zu einer Reduktion des Tastverhältnisses führt. Ist die Tastverhältnisänderung eine Vergrößerung des Tastverhältnisses, dann ist diese Änderung vom Betrag her maximal so groß wie die Differenz von 100% und dem größten Tastverhältnis aller Phasen. Dadurch wird vermieden, dass die Phase mit dem größten Tastverhältnis nicht auf ein (rechnerisches) Tastverhältnis von mehr als 100% geändert wird. Für die Phase mit der höchsten Strombelastung wird daher eine Tastverhältnisänderung berechnet, die jedoch vom Betrag her begrenzt ist durch die Tastverhältnisse der anderen Phasen, um so zu gewährleisten, dass die Tastverhältnisse der anderen Phasen rechnerisch nicht über ein Tastverhältnis von 0% oder 100% hinaus verändert werden, sondern dass sich für alle Phasen ein Tastverhältnis ergibt, das maximal 100% und minimal 0% beträgt und rechnerisch nicht über diese Werte hinausgeht.

Der Traktionsinverter kann als dreiphasiger oder sechsphasiger Inverter vorliegen, gegebenenfalls auch als ein Inverter mit einer anderen Phasenzahl größer als zwei. So sind beispielsweise auch fünf-, sieben- oder neunphasige Inverter denkbar. Ist der Inverter für mehrere Wicklungssysteme ausgestattet und umfasst somit mehrere Phasengruppen, die jeweils ein Wicklungssystem ansteuern, dann kann das Verfahren durchgeführt werden getrennt für jede Phasengruppe. In diesem Fall wird für jede Phasengruppe die Phase der höchsten Strombelastung ermittelt und das Verfahren für die Phasen innerhalb dieser Gruppe durchgeführt. Die Gruppen werden somit getrennt voneinander verfahrensgemäß behandelt. Alternativ kann der Inverter mehrere Phasengruppen aufweisen, die für jeweils ein Wicklungssystem bestimmt sind, wobei jedoch das Verfahren für alle Phasen des Inverters und somit für alle Wicklungssysteme bzw. Phasengruppen durchgeführt wird. Hierbei wird dann diejenige Phase aller Gruppen ermittelt, welche die höchste Strombelastung trägt (bzw. die Phase, die den Transistor mit der höchsten Strombelastung aller Transistoren des Inverters aufweist), und es werden alle anderen Phasen aller Gruppen im Hinblick auf die Tastverhältnisse angepasst. Wie erwähnt kann die Phase der höchsten Strombelastung ermittelt werden mittels Temperaturmessung bzw. -erfassung, Anwendung eines thermischen Modells der Transistoren, Ermitteln des Transistors mit der höchsten Verlustleistung, Erfassen bzw. Messen des Phasenstroms der jeweiligen Transistoren oder durch Ermitteln derjenigen Phase, die denjenigen Transistor aufweist, dessen An-Dauer innerhalb der Schaltperiode am längsten ist.

Der Traktionsinverter kann als Hochvoltinverter ausgebildet sein oder kann als Inverter mit einer Nennspannung von weniger als 60 V ausgebildet sein, etwa als 48 V - Inverter. Der Inverter (bzw. jede Phasengruppe) ist gemäß einer BnC-Brücke ausgebildet. Die Variable n entspricht hierbei der doppelten Anzahl der Halbbrücken des Inverters und entspricht somit der Anzahl der Highside- und Lowside-Transistoren. Eine BnC-Brücke umfasst hierbei n geteilt durch zwei Halbbrücken, die jeweils einen Highside- und einen Lowside Transistor aufweisen. Es können auch andere mehrphasige Pulsinverterarchitekturen zur Anwendung kommen.

Wie erwähnt ist vorzugsweise eine Bedingung zur Ausführung des Verfahrens (d.h. der Anpassung der Tastverhältnisse), dass eine elektrische Frequenz des Ausgangssignals des Traktionsinverters unter einer vorgegebenen Grenze liegt. Dies entspricht der Bedingung, dass die elektrische Drehzahl des Traktionsinverters unter einer Drehzahlgrenze liegt, bzw. dass die daran angeschlossene elektrische Maschine eine Drehzahl unter einer bestimmten Drehzahlgrenze aufweist. Mit anderen Worten entspricht diese Bedingung einer Bedingung, gemäß der ein Fahrzeug, welches von dem elektrischen Inverter und der daran angeschlossenen elektrischen Maschine angetrieben wird, eine Geschwindigkeit unterhalb einer Geschwindigkeitsgrenze aufweist. Der Schritt des Bestimmens, ob diese Bedingung erfüllt ist, kann die folgenden Unterschritte umfassen: Ermitteln der elektrischen Drehzahl des mehrphasigen Ausgangssignals des Traktionsinverters, das von den Phasen des Traktionsinverters als Drehstrom abgegeben wird. Alternativ kann eine mechanische Drehzahl an einer elektrischen Maschine erfasst werden, die von dem Inverter angetrieben wird. Die mechanische Drehzahl kann als eine Größe erfasst werden, die die elektrische Drehzahl wiedergibt (gegebenenfalls multipliziert mit einem Faktor), oder aus der diese abgeleitet wird.

Ferner wird die Drehzahl mit der vorgegebenen Grenze verglichen. Die Bedingung, dass eine elektrische Frequenz des Ausgangssignals unter einer vorgegebenen Grenze liegt, kann verknüpft sein mit einer weiteren Bedingung, die ebenso erfüllt sein muss: Die weitere Bedingung kann darin bestehen, dass eine Leistungsanforderung oder eine Drehmomentanforderung, die dem Traktionsinverter als Sollgröße vorgegeben wird, über einer bestimmten Grenze liegt. Alternativ oder zusätzlich kann eine weitere Bedingung darin bestehen, dass der Inverter eine Temperatur oberhalb einer Temperaturgrenze aufweist, bzw. dass die höchste Temperatur aller Schaltelemente über einer bestimmten Grenze liegt. Ferner kann die Tastverhältnisänderung von einer dieser Größen (Leistungsanforderung, Drehmomentanforderung oder Temperatur) abhängen. Je größer eine der vorangehend genannten Größen ist, desto größer kann der Betrag der Tastverhältnisänderung ausfallen. Dadurch wird das Verfahren angepasst an die aktuellen Anforderungen für den Antrieb bzw. für den Traktionsinverter und kann ferner angepasst werden an Betriebsparameter des Traktionsinverters (insbesondere dessen Temperatur). Die Grenze, mit der die Drehzahl verglichen wird, ist vorzugsweise nicht größer als 100 Hz, 40 Hz, 10 Hz oder 2 Hz. Die Grenze kann insbesondere einer Fahrgeschwindigkeit von 10 km/h, 5 km/h oder 2 km/h entsprechen. Insbesondere kann die Grenze von der Temperatur des Inverters abhängen. Die Grenze kann mit zunehmender Temperatur verringert werden. Es kann vorgesehen sein, dass eine erste Grenze bei einer ersten Temperatur größer ist als eine zweite Grenze einer zweiten Temperatur, die größer als die erste Temperatur ist.

Vorzugsweise werden die Tastverhältnisse geändert und angepasst unter Beibehaltung der PWM-Modulationsart, mit der die elektrische Maschine betrieben wird. Mit anderen Worten sieht das Verfahren vor, den Traktionsinverter mittels eines Modulationsschemas bzw. einer Modulationsart zu betreiben, wobei vor dem Reduzieren bzw. Anpassen der Tastverhältnisse diese Modulationsart durchgeführt wird, und auch nach dem Anpassen bzw. Reduzieren diese gleiche Modulationsart durchgeführt wird. Die Modulationsart kann beispielsweise eine Raumzeigermodulation sein, die auch als SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) bezeichnet wird. Insbesondere werden die Schritte des Reduzierens bzw. Änderns und Anpassens durchgeführt, indem Tastverhältnisse unter Beibehaltung der Modulationsart verändert werden, insbesondere indem Schaltzeitpunkte bzw. Schaltflanken um einen Offset verschoben werden.

Weiterhin ist ein Traktionsinverter beschrieben, der eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, den Traktionsinverter gemäß dem hier beschriebenen Verfahren anzusteuern. Hierzu kann die Steuereinheit eine Einrichtung zum Ermitteln derjenigen Phase aufweisen, welche die höchste Strombelastung trägt. Dies kann beispielsweise mittels einer Komparator- oder Sortiereinrichtung ausgeführt werden, die in der Lage ist, von den Strombelastungen aller Phasen die höchste zu ermitteln (sowie die zugehörige Phase zu identifizieren). Die Steuereinheit kann ferner eine Einheit zum Ermitteln des Tastverhältnis-Offsets dieser Phase der höchsten Strombelastung gegenüber einem Tastverhältnis von 50% aufweisen, wobei diese Funktion beispielsweise von einem Differenzglied realisiert sein kann.

Es kann zudem in der Steuereinheit eine Einrichtung zum Ändern der Tastverhältnisse bzw. Anpassen der Tastverhältnisse vorgesehen sein, wobei diese eingerichtet ist, Soll-Schaltzeitpunkte zeitlich zu versetzen, das heißt, die eingerichtet ist, das Pulsmodulationsschema, das die Tastverhältnisse aufweist, zeitlich anzupassen (insbesondere unter Beibehaltung der zugrundeliegenden Modulationsart). Die Steuereinheit kann hierbei eine Signalquelle für die Pulsmodulationsmuster der einzelnen Phasen aufweisen, sowie eine Einheit, um diese verfahrensgemäß zu ändern bzw. anzupassen. Die Steuereinheit kann insbesondere als Mikroprozessor ausgebildet sein oder als ASIC, wobei die genannte Einheit bzw. Verfahrensfunktionen teilweise oder vollständig durch Software realisiert sind, die auf dem Prozessor ausgeführt wird.

Schließlich ist der Traktionsinverter vorzugsweise als Hochvolt-Leistungsinverter eines elektrischen Fahrzeugantriebs ausgebildet. Alternativ ist der Traktionsinverter für eine Nennspannung von weniger als 60 V ausgebildet, etwa ein 48 V - Traktionsinverter. Ein entsprechender Fahrzeugantrieb kann somit den Traktionsinverter aufweisen, sowie eine elektrische Maschine, die mit einem Abtrieb des Fahrzeugantriebs verbunden ist, etwa mit Rädern. Der Traktionsinverter ist insbesondere für Nennleistungen größer als 50 oder 100 kW ausgebildet. Der Traktionsinverter ist insbesondere für Betriebsspannungen von mindestens 200, 400 oder 800 V ausgebildet; in anderen Ausführungsformen für Nenn- oder Betriebsspannungen von weniger als 60 V, etwa 48 V. Der Traktionsinverter wird hierin auch kurz als „Inverter“ bezeichnet.

Die Figur 1 dient zur beispielhaften Erläuterung von Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens und des hier beschriebenen Traktionsinverters.

In der Figur 1 ist ein dreiphasiges Pulsmodulationsmuster dargestellt, dass zur näheren Erläuterung des hier beschriebenen Verfahrens dienen soll. Es ist der zeitliche Verlauf von drei Phasenspannungen ULI, UV und UW übereinander dargestellt, die sich auf die gleiche Zeitachse t beziehen. Jedes Pulsmuster der drei Phasen ist ein Rechtecksignal, das zwischen den Spannungen U- und U+ wechselt, wobei U+ an der betreffenden Phase entsteht, wenn der Highside-Transistor angeschaltet (leitend) ist und der Lowside-Transistor ausgeschaltet (nichtleitend) ist. In diesem Fall ist der Phaseneingang über dem Highside-Transistor mit der positiven Versorgungsspannung U+ verbunden. Ist der Lowside-Transistor leitend und der Highside-Transistor nicht, dann ist der entsprechende Phasenausgang mit dem negativen Versorgungspotential U- verbunden, und es ergibt sich am Phasenausgang das Potential U-.

Dargestellt ist eine Taktperiode bzw. Pulsperiode TM, die zum besseren Verständnis in acht Zeitabschnitte eingeteilt ist, die durch die Zeitpunkte tO bis t8 definiert sind. Das ursprüngliche Signal, das heißt das Soll-Pulsmuster, ist mit durchgezogener Linie dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Pulsmuster der Spannung ULI bereits bei t1 eine Aufwärtsflanke aufweist, während die Aufwärtsflanke der Spannungen UV und UW später auftreten, nämlich zu den Zeitpunkten t2 bzw. t3. Das Tastverhältnis entspricht dem Verhältnis der Zeitdauern, während U+ ausgegeben wird, zu der Länge der gesamten Pulsperiode TM. Das Tastverhältnis bezieht sich somit auf die Pulsperiode TM, die sich nach t8 wiederholt, gegebenenfalls mit einem anderen Tastverhältnis.

Wenn erfasst wird, dass die elektrische Frequenz des Ausgangssignals des Traktionsinverters (d.h. die sich dadurch ergebende Drehzahl des elektrischen Feldes, das durch das Ausgangssignal in der angeschlossenen elektrischen Maschine erzeugt wird) unter einer vorgegebenen Grenze liegt, wird diejenige Phase ermittelt, die von allen Phasen die höchste Strombelastung trägt, bzw. diejenige Phase, die den Transistor mit der höchsten Strombelastung aufweist. Dies soll in diesem Beispiel die erste Phase BP sein, das heißt, die Phase, die die Spannung UU ausgibt. Somit ist die Phase BP der höchsten Strombelastung mit dem Doppelpfeil und dem Bezugszeichen BP gekennzeichnet.

Im dargestellten Beispiel soll BP die Phase mit der höchsten Strombelastung sein, die beispielsweise ermittelt wurde durch Integrieren oder Aufsummieren der Strombelastungen aller Transistoren für einen bestimmten Zeitabschnitt (etwa über ein Fenster von 10 ms, 50 ms, 200 ms, 500 ms, 1 s, 5 s, 10 s oder mehr). Der Transistor und somit die Phase mit der höchsten Strombelastung kann auch anhand der Temperaturen der Transistoren ermittelt werden. Es wird ein Tastverhältnis-Offset O dieser Phase BP gegenüber einem Tastverhältnis von 50% ermittelt. Dargestellt ist dies durch die Zeitdauer O zwischen der ersten Schaltflanke der Phase BP zum Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2, der den Auftrittszeitpunkt einer Schaltflanke markiert, wie sie bei einem Tastverhältnis von 50% stattfinden würde.

Ein Tastverhältnis von 50% ergibt sich bei Schaltflanken, die bei t2 bzw. bei t6 liegen (entsprechend dem Pulsmuster der Spannung UV). In dem dargestellten Beispiel entspricht dies zweimal ein Achtel der gesamten Pulsdauer TM und ist visualisiert durch den zeitlichen Abstand 0 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Ein Tastverhältnis von 50% würde eine Flanke bei t2 bedeuten, wobei die dargestellte Phase höchster Strombelastung BP bereits bei dem Zeitpunkt t1 eine Schaltflanke zeigt und, symmetrisch zum Zeitpunkt t4 (= der Mitte der dargestellten Periode), zum Zeitpunkt t7.

Somit fallen in der Phase BP sechs Zeitabschnitte (t1 bis t7) auf einen High-Pegel, während nur zwei Zeitabschnitte (tO bis t1 und t7 bis t8) auf einen Low-Pegel fallen. Es ergibt sich somit ein Tastverhältnis von sechs (Anzahl der Zeitabschnitte mit High-Pegel) zu acht (Anzahl der Zeitabschnitte der gesamten Periode TM). Mit anderen Worten ist das Tastverhältnis der Spannung U bzw. der Phase mit höchster Strombelastung (Bezugszeichen BP) 75 %.

Die Phasen der Spannungen UV und UW, das heißt die zweite und die dritte Phase, sollen in diesem Beispiel nicht die Phase der höchsten Strombelastung sein und bilden somit die weiteren Phasen. Die zugehörigen Tastverhältnisse betragen 50 % bzw. 25 %. Dies bezieht sich auf das Soll-Pulsmuster, das mit durchgezogener Linie dargestellt ist, das heißt einem nichtreduzierten oder angepassten Tastverhältnis.

Nachdem die erste Phase als Phase höchster Strom belastung (Bezugszeichen BP) ermittelt wurde, und das Tastverhältnis-Offset dieser Phase (BP bzw. Phase der Spannung U) gegenüber 50 % ermittelt wurde, wird dieses Tastverhältnis-Offset (das heißt die Abweichung gegenüber 50 %) dieser Phase um eine Tastverhältnisänderung D geändert. Es ergibt sich ein Pulsmuster mit geändertem bzw. angepasstem Tastverhältnis, das mit gestrichelter Linie dargestellt ist. in der Figur 1 ist in der Phase höchster Strombelastung BP das Tastverhältnis-Offset größer als 50 %, so dass das Tastverhältnis geändert wird durch Reduzieren um die Tastverhältnisänderung. Mit anderen Worten wird der Schaltzeitpunkt in Richtung 50 % Tastverhältnis verschoben. Die aufsteigende Flanke wird somit verzögert, und die abfallende Flanke in der Phase der höchsten Strombelastung wird um die Änderung D vorgezogen. Da die Schaltzeitpunkte eng verknüpft sind mit den Tastverhältnissen, wird das gleiche Bezugszeichen D verwendet.

Auch die zweite und die dritte Phase (die Phasen der Spannungen UV und UW) werden in gleicher Weise verändert, indem die aufsteigende Flanke verzögert wird und die abfallende Flanke zeitlich vorgezogen wird, um so auch für die zweite und die dritte Phase, das heißt für die weiteren Phasen, die Tastverhältnisse so zu ändern, wie sie für die Phase höchster Strombelastung BP verändert wurde.

Für alle drei Phasen wird somit die Zeitdauer des High-Pegels verkürzt zugunsten der Zeitdauer des Low-Pegels.

Die dargestellte Tastverhältnisänderung D ist eine reduzierende Tastverhältnisänderung, die ein Soll-Tastverhältnis von > 50% (nämlich 75%) auf ein reduziertes Ist-Tastverhältnis (in Fig. 1 ca. 62%) verringert. Das Ist-Tastverhältnis liegt hierbei bei 50 % oder mehr, ist jedoch weniger von 50 % entfernt als das ursprüngliche Soll-Tastverhältnis. Durch die Reduktion der Zeit des High-Pegels in der Phase der höchsten Strombelastung BP (die nach der Tastverhältnisänderung D weniger als die Zeitdauer von t1 bis t7 beträgt) wird der Highside-Transistor der Phase der höchsten Strombelastung BP entlastet, da dieser pro Periode für eine kürzere Zeitdauer Strom tragen muss und somit Verlustleistung erzeugt.

Wenn beispielsweise ein geringes Tastverhältnis von deutlich unter 50 % vorliegt, dann kann ein Lowside-Transistor eine hohe thermische Belastung aufweisen, und insbesondere die höchste Strombelastung aller Transistoren haben. Für diesen Fall, das heißt bei einem Soll-Tastverhältnis von <50 %, wird eine erhöhende Tastverhältnisänderung D‘ vorgesehen, die die An-Zeit des Lowside Transistors verringert und die An-Zeit des Highside-Transistors vergrößert. Der Fall einer erhöhenden Tastverhältnisänderung ist somit symbolisch mit D‘ dargestellt (zur besseren Übersicht lediglich für die dritte Phase, wobei auch diese Änderung für alle Phasen durchzuführen ist). Die erhöhende Tastverhältnisänderung D‘ ist mit einem Doppelpfeil dargestellt, die verringernde Tastverhältnisänderung D ist mit einem einfachen Pfeil dargestellt.