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.