DE102020123346A1

DE102020123346A1 - Leistungselektronische Einrichtung mit einem Spannungsteiler und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020123346A1
Application number: DE102020123346.9A
Authority: DE
Inventors: Said El-Barbari; Oliver Senftleben
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Einrichtung sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Die leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens eine Halbbrücke aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren mit einem dazwischen liegenden Knotenpunkt zum Anbinden einer elektrischen Last auf. Weiter weist die leistungselektronische Einrichtung eine als Spannungsteiler fungierende Ausgleichsschaltung auf, die zum Aufteilen einer an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung auf die beiden Leistungstransistoren eingerichtet ist, sodass die beiden Leistungstransistoren jeweils höchstens einem vorgegebenen Anteil der an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung ausgesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Einrichtung mit wenigstens einer Halbbrücke aus Leistungstransistoren sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.
Leistungselektronische Komponenten und Anwendungen finden heutzutage in vielerlei technischen Bereichen zunehmende Verbreitung. Ein Beispiel hierfür ist der Bereich der Fahrzeugtechnik, in dem eine zunehmende Elektrifizierung angestrebt wird. Mit zunehmender Verbreitung auch in sicherheitsrelevanten Gebieten und Anwendungen ist die Zuverlässigkeit neben stets angestrebten geringeren Kosten und geringerem Bauraumbedarf und Gewicht von besonderer Bedeutung. Sowohl durch die Verbreitung in neue Anwendungsgebiete als auch im Zuge der technischen Weiterentwicklung zum Erfüllen immer weiter steigender Anforderungen können dabei Einflussfaktoren auftreten oder an Bedeutung gewinnen, die in der Vergangenheit gegebenenfalls weniger relevant waren.
So ist beispielsweise in der DE 11 2016 001 711 T5 ein Leistungselektronikmodul beschrieben, das mehrere Halbleiterchips aufweist, die zwischen zwei Flüssigkeitskühleinrichtungen angeordnet sind. Dabei stehen entgegengesetzte Elektroden jedes Halbleiterchips elektrisch mit einem Metallkörper jeweils einer der Flüssigkeitskühleinrichtungen in Verbindung. Auf diese Weise soll ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt werden, das unterschiedliche Auslegungs- und Betriebseigenschaften von Halbleiterbauteilen mit großer Bandlücke berücksichtigt. Derartige, beispielsweise auf SiC-Substraten basierende Halbleiterbauteile können höhere Sperrspannungen bereitstellen als vergleichbare auf Si-Substraten basierende Halbleiterbauteile und zudem eine höhere Robustheit gegen kosmische Strahlung bieten. Bei Verwendung derartiger Halbleiterbauteile kann jedoch ein Bedarf an neuen Konfektionierungskonzepten bestehen.
Weiter ist in der EP 2 430 506 B1 thematisiert, dass es derzeit wachsenden legislativen Druck gibt, ineffiziente Maschinen zu verbessern und unnötigen Energieverbrauch oder Abfall zu reduzieren. Dazu sind dort ein Motorregler zum Modifizieren eines Eingangsstroms zu einem Wechselstrom-Motor und ein entsprechendes Betriebsverfahren beschrieben. Der Motorregler umfasst dabei einen Regelkreis zum Regeln einer Ausgangsspannung eines Ausgangsspannungskreises und zum Regeln der Frequenz eines Ausgangssignals eines Antriebsausgangsspannungskreises. Der Ausgangsspannungskreis stellt dabei auch eine variable Autoausgangsspannung über einen Kondensator und einen Anschluss zu einem Eingang des Antriebsausgangsspannungskreises bereit. Der Antriebsausgangsspannungskreis umfasst Halbbrücken mit oberen und unteren Transistoren. Jede dieser Halbbrücken weist einen Anstiegsratenbegrenzungskondensator auf, der mit einem Übergang der oberen und entsprechenden unteren Transistoren verbunden ist. Der Ausgang des Antriebsausgangsspannungskreises ist zum Anschließen an eine Wicklung des Motors parallel zu den Anstiegsratenbegrenzungskondensatoren ausgelegt. Damit können die Anstiegsratenbegrenzungskondensatoren eine anstiegsratenbegrenzte Wellenspannung an den Motor anlegen, um verlustloses Umschalten des Antriebsausgangsspannungskreises zu verbessern.
Es gibt jedoch auch Effekte, die innerhalb leistungselektronischer Bauteile auftreten und deren Zuverlässigkeit negativ beeinflussen können. Dazu zählen beispielsweise Überspannungen oder Single Event Upsets (SEUs), die durch Einwirkung kosmischer Strahlung auftreten können, und dergleichen mehr. Wie bereits angedeutet, kann ein Lösungsansatz dafür darin bestehen, leistungselektronische Bauteile oder Komponenten mit höherer Spannungsblockierfähigkeit, also mit höherer Durchschlagspannung, oder mit größerer Bandlücke zu verwenden. Dies kann jedoch nachteilig höhere Verluste im Betrieb aufgrund eines erhöhten Durchgangswiderstands bzw. höhere Kosten und einen höheren Bauraumbedarf mit sich bringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders zuverlässigen Betrieb einer Leistungselektronik zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens eine Halbbrücke aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren mit einem dazwischenliegenden Verbindungs- oder Knotenpunkt zum Anbinden einer elektrischen Last auf. Der Knotenpunkt kann also beispielsweise mit einem ausgangsseitigen Anschluss oder einer Anschlussleitung oder Phase einer als elektrische Last verwendeten elektrischen Maschine oder dergleichen elektrisch verbunden sein. Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist weiter eine als Spannungsteiler fungierende Ausgleichsschaltung auf, die zum Aufteilen einer an der Halbbrücke anliegenden, also insgesamt über die jeweilige gesamte Halbbrücke, d. h. über beide Leistungstransistoren abfallenden Gesamtspannung auf die beiden Leistungstransistoren eingerichtet ist. Durch die Ausgleichsschaltung wird die Gesamtspannung also in zwei kleinere Teilspannungen aufgeteilt. Dadurch werden die beiden Leistungstransistoren jeweils höchstens einem vorgegebenen Anteil der an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung ausgesetzt. Die an der Halbbrücke anliegende Gesamtspannung kann beispielsweise eine DC-Zwischenkreisspannung oder eine Batterie- oder Ladespannung sein, wenn die leistungselektronische Einrichtung mit einer Batterie verbunden ist. In einem Ladebetrieb, in dem eine derartige, mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung verbundene Batterie geladen oder auf ihrem maximalen Spannungsniveau gehalten wird, kann die leistungselektronische Einrichtung und damit auch deren wenigstens eine Halbbrücke einer entsprechenden Spannung ausgesetzt sein, insbesondere unabhängig davon, ob die leistungselektronische Einrichtung selbst aktiv betrieben oder verwendet wird, also die Leistungstransistoren zum Versorgen einer angeschlossenen Last betrieben oder geschaltet werden.
Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Fehler- oder Ausfallrate leistungselektronischer Bauteile oder Komponenten, wie beispielsweise der Leistungstransistoren, mit zunehmender an diesen anliegender Spannung exponentiell ansteigen kann. Dies kann beispielsweise für eine durch kosmische Strahlung verursachte oder bestimmte Ausfallrate der Fall sein. Dementsprechend ist es zum Verringern der Ausfallrate und damit also zur Verbesserung der Zuverlässigkeit vorteilhaft, die an den leistungselektronischen Bauteilen oder Komponenten anliegende Spannung zu reduzieren, zumindest während Zeiten, in denen eine entsprechend hohe Spannung nicht für den Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung oder beispielsweise zum Versorgen einer an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossenen Last notwendig ist.
Ein Ansatz dazu könnte grundsätzlich darin bestehen, die leistungselektronische Einrichtung mittels eines mechanischen Schalters oder Relais bedarfs- oder zeitweise von anderen Bauteilen oder Komponenten, die entsprechend hohe Spannungen führen, zu trennen. Damit sind jedoch typischerweise hohe Kosten und eine gegebenenfalls sogar erhöhte Fehler- oder Ausfallanfälligkeit gegeben. Insbesondere kann ein derartiger mechanischer Schalter ein zusätzliches Sicherheitsrisiko darstellen, da ein solcher Schalter beispielsweise während eines Betriebs der leistungselektronischen Einrichtung ausfallen oder öffnen kann und somit die Leistungsversorgung der angeschlossenen Last unerwartet unterbrochen werden kann.
Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung vermieden. Durch die Ausgleichsschaltung kann auf vergleichsweise einfache und besonders sichere Weise die auf die einzelnen Leistungstransistoren einwirkende Spannung, zumindest außerhalb einer Betriebs- oder Benutzungszeit der leistungselektronischen Einrichtung zum Versorgen einer angeschlossenen Last, reduziert und somit die Zuverlässigkeit verbessert werden. Dies ist der Fall, da auch bei einem Ausfall oder Versagen der Ausgleichsschaltung nicht unmittelbar mit einem potenziell katastrophalen Resultat gerechnet werden muss und in der Regel die leistungselektronische Einrichtung weiterbetrieben, also eine jeweilige angeschlossene Last weiter mit Leistung versorgt werden kann.
Im theoretischen Idealfall würden die in Reihe geschalteten Leistungstransistoren selbst effektiv als Spannungsteiler fungieren, sodass an beiden Leistungstransistoren die gleiche Spannung, also jeweils der gleiche Anteil, insbesondere genau die Hälfte, der Gesamtspannung anlegen würde. Es ist jedoch eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass dies in der Praxis oftmals nicht der Fall ist. Vielmehr können sich auch nominell gleiche, also gleich spezifizierte Leistungstransistoren beispielsweise in ihren elektrischen bzw. elektronischen und/oder thermischen Eigenschaften unterscheiden. So können die beiden Leistungstransistoren vorgegebene Toleranzen beispielsweise in unterschiedlichem Maße ausnutzen und/oder unterschiedliche Temperaturen aufweisen und somit unterschiedliche Widerstände bzw. unterschiedliche Leckströme aufweisen. Dies kann dazu führen, dass bereits bei geringfügig unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Leckströmen, der beiden Leistungstransistoren innerhalb einer Halbbrücke nur einer dieser beiden Leistungstransistoren zumindest nahezu der vollen an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung ausgesetzt wäre. Gerade bei den heutzutage angestrebten höheren Batterie- bzw. Ladespannungen, beispielsweise in 800 V-Systemen, kann dies zu einem problematischen Anstieg der Ausfallrate, insbesondere durch Einwirkung kosmischer Strahlung, beispielsweise während des Ladebetriebs oder Ladungserhaltungsbetriebs einer an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossenen Batterie führen.
Diese Problematik kann insbesondere im Fahrzeugbereich während des Ladebetriebs auftreten, da dabei die leistungselektronische Einrichtung, also beispielsweise ein Umrichter, oftmals mit einer aufzuladenden Batterie elektrisch verbunden bleibt und somit eine entsprechende Spannungsbelastung während relativ langer Zeiträume erfährt.
Da bereits geringe Unterschiede zwischen den Leistungstransistoren innerhalb einer Halbbrücke zu signifikanten Effekten führen können, diese Unterschiede aber nichts ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand zuverlässig bestimmt werden können, kann durch die vorliegende erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichsschaltung auf besonders einfache und zuverlässige Weise sichergestellt werden, dass keiner der Leistungstransistoren in unbeabsichtigter Weise einer zu großen, beispielsweise oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegenden, Teilspannung ausgesetzt wird. Besonders günstig ist dabei, dass die Spannungsteilung, also die Aufteilung der Gesamtspannung auf die beiden Teilspannungen bzw. die beiden Leistungstransistoren mit einer relativ großen Toleranz erfolgen kann. Mit anderen Worten ist also eine exakte Aufteilung der Gesamtspannung, beispielsweise auf jeweils 50 % für jeden der beiden Leistungstransistoren, nicht notwendig, um die Ausfallrate der Leistungstransistoren signifikant zu reduzieren. Dies ist durch die exponentielle Abhängigkeit der Ausfallrate von der Spannung begründet. Beträgt in einem konkreten Anwendungsfall die Gesamtspannung also beispielsweise ungefähr 800 V, so kann auch eine Aufteilung in eine erste Teilspannung von beispielsweise 300 V und eine zweite Teilspannung von beispielsweise 500 V die Zuverlässigkeit der leistungselektronischen Einrichtung bereits signifikant erhöhen, da auch die höhere Teilspannung mit 500 V noch weit genug unterhalb der hinsichtlich der Ausfallrate kritischen Spannung liegt, die für 800 V-Systeme beispielweise oberhalb von etwa 780 V liegen kann.
Die beiden Leistungstransistoren innerhalb der jeweiligen Halbbrücke können beispielsweise ein high-side Transistor und ein low-side-Transistor sein bzw. als solche bezeichnet werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ausgleichsschaltung dazu ausgelegt oder eingerichtet, den Anteil der anliegenden Gesamtspannung, dem jeder der beiden Leistungstransistoren ausgesetzt ist, zwischen 25 % und 85 % der insgesamt an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung einzustellen. Mit anderen Worten ist die Ausgleichsschaltung dazu ausgelegt, die beiden Teilspannungen für jeden der beiden Leistungstransistoren der Halbbrücke auf diesen Bereich zu begrenzen. Dies bietet genügend Spielraum, um mit besonders geringem Aufwand Unterschiede der Leistungstransistoren auszugleichen und kann dennoch die durch kosmische Strahlung bedingte Ausfallrate, beispielsweise während des beschriebenen Ladebetriebs, auf zumindest nahezu 0 reduzieren. Beispielsweise müssen durch den hier gegebenen Spielraum für die erlaubte Ungleichheit der Teilspannungen keine minimalen Unterschiede zwischen Zuleitungen zu den Leistungstransistoren, zwischen deren lokalen Temperaturen oder zwischen für die Ausgleichsschaltung verwendeten Widerständen bestimmt und berücksichtigt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ausgleichsschaltung als passiver Spannungsteiler ausgebildet. Mit anderen Worten umfasst die Ausgestaltung also nur passive Bauteile oder Komponenten. Insbesondere kann die Ausgleichsschaltung nur aus passiven, also ohmschen, Widerständen - sowie gegebenenfalls deren Verbindungen oder Anschlussleitungen - aufgebaut oder gebildet sein. Auf diese Weise kann die Ausgleichsschaltung besonders aufwandsarm, insbesondere besonders kostengünstig und besonders bauraumsparend, realisiert werden. Beispielsweise kann die Ausgestaltung aus zwei Widerständen aufgebaut sein, Ein erster dieser beiden Widerstände kann dann einem ersten der beiden Leistungstransistoren in der Halbbrücke parallel geschaltet sein, während der zweite der beiden Widerstände dem zweiten der beiden Leistungstransistoren parallel geschaltet sein kann.
In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ausgleichsschaltung als aktive Schaltung zum aktiven Regeln der an den beiden Leistungstransistoren anliegenden Anteile der an der Halbbrücke anliegenden Gesamtspannung ausgebildet. Dazu weist die Ausgleichsschaltung wenigstens einen steuerbaren Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, also einen Transistor, auf. Die Ausgestaltung kann auch eine Regelungslogik zum geregelten Steuern oder Schalten des steuerbaren Schalters umfassen. Durch die aktive Ausgleichsschaltung kann also beispielsweise aktiv auf Spannungs- oder Temperaturänderungen oder dergleichen reagiert werden, die zu einer Verschiebung der Anteile, also zu einer Veränderung der Teilspannungen führen können. Dadurch kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass beide Leistungstransistoren jeweils höchstens dem vorgegebenen Anteil der Gesamtspannung ausgesetzt werden und somit die Zuverlässigkeit der leistungselektronischen Einrichtung weiter verbessert werden.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Ausgleichsschaltung dazu eingerichtet, nur dann die an den beiden Leistungstransistoren anliegenden Anteile der Gesamtspannung, also die Teilspannungen aktiv zu regeln, wenn die Gesamtspannung mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert entspricht. Mit anderen Worten kann die Ausgleichsschaltung also inaktiv oder deaktiviert oder getrennt sein, solange die Gesamtspannung unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Für ein 800 V-System kann als der Schwellenwert beispielsweise eine Gesamtspannung von wenigstens 750 V oder 780 V vorgegeben sein. Indem die Ausgleichsschaltung erst bei Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Schwellenwertes aktiviert oder hinzugeschaltet wird bzw. arbeitet, kann bezüglich der Ausfallrate letztendlich unnötiger Energie- und Schaltungsaufwand zum Betreiben der Ausgleichsschaltung in entsprechend niedrigeren Spannungsbereichen eingespart werden.
Bevorzugt kann der vorgegebene Schwellenwert beispielsweise mehr als 50 % und weniger als 95 % der Durchschlagspannung der Leistungstransistoren betragen, bevorzugt wenigstens 65 %, besonders bevorzugt wenigstens 80 %. Eine derzeit verwendete Richt- oder Systemspannung im Fahrzeugbereich ist beispielsweise 800 V. In entsprechenden 800 V-Systemen beträgt die Batteriespannung jedoch nicht immer exakt 800 V, sondern kann beispielsweise je nach Ausgestaltung, Ladezustand, Alter der Batterie und dergleichen mehr schwanken, beispielsweise zwischen 450 V und 850 V oder etwa 900 V betragen. Werden dann beispielsweise Leistungstransistoren mit einer Durchschlagspannung von etwa 1200 V verwendet, kann vorgesehen sein, dass die Ausgleichsschaltung erst bei Erreichen des vorgegebenen Schwellenwertes aktiviert oder verbunden wird.
Ebenso kann die Ausgleichsschaltung für eine aktive Regelung nur während bestimmter Betriebs-, Nutzungs- oder Belastungsarten der leistungselektronischen Einrichtung eingerichtet sein. So kann die Ausgleichsschaltung beispielsweise automatisch während eines Ladebetriebs, in dem die leistungselektronische Einrichtung zwar der Gesamtspannung ausgesetzt ist, die Leistungstransistoren jedoch nicht aktiv betrieben oder geschaltet werden, aktiviert werden bzw. arbeiten. Außerhalb dieses Ladebetriebs, also beispielsweise während die leistungselektronische Einrichtung zum Versorgen einer angeschlossenen Last betrieben wird, kann die Ausgleichsschaltung dann automatisch deaktiviert sein oder werden, um beispielsweise Verluste zu reduzieren.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ausgleichsschaltung zumindest teilweise in einen Gate-Treiber der leistungselektronischen Einrichtung integriert. Mit anderen Worten kann die Ausgleichsschaltung also Teil einer Gate-Treiberschaltung sein. Dabei kann für jede Halbbrücke der leistungselektronischen Einrichtung oder für jeden der Leistungstransistoren ein individueller Gate-Treiber und dementsprechend eine individuelle Ausgleichsschaltung vorgesehen sein. Ebenso kann eine gemeinsame Ausgleichsschaltung für mehrere der Leistungstransistoren oder für mehrere Halbbrücken ausgebildet bzw. eingerichtet sein. Dies kann beispielsweise abhängig von einem verfügbaren Bauraum oder einer konkreten Ausgestaltung der leistungselektronischen Einrichtung sein. Durch die Integrierung der Ausgleichsschaltung in den oder die Gate-Treiber kann gegebenenfalls eine besonders einfache und effiziente sowie bauraumsparende Realisierung der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden. Ebenso können beispielsweise ohnehin zur Versorgung des jeweiligen Gate-Treibers vorgesehene Schaltungen und/oder Einrichtungen, beispielsweise eine Versorgungsschaltung oder eine Kühleinrichtung, auf diese Weise besonders einfach auch für die Ausgleichsschaltung mitverwendet werden.
Alternativ wäre ebenso eine Integrierung oder Anordnung der Ausgleichsschaltung an anderer Stelle, beispielsweise in dem jeweiligen Leistungstransistoren oder einem jeweiligen Halbleitermodul oder Halbleiterchip möglich. Dies kann beispielsweise abhängig von einer jeweiligen Auslegung, jeweiligen Anforderungen oder einem jeweiligen Layout der leistungselektronischen Einrichtung bestimmt sein, also im Einzelfall festgelegt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die leistungselektronische Einrichtung einen Umrichter mit wenigstens drei Halbbrücken aus jeweils zwei seriell geschalteten oder angeordneten Leistungstransistoren. Die leistungselektronische Einrichtung kann also zusätzlich zu diesem Umrichter noch weitere Schaltungen, Einrichtungen oder Elemente aufweisen. Ebenso kann die leistungselektronische Einrichtung aber durch den Umrichter selbst, insbesondere nur durch diesen, gebildet sein. Der Umrichter kann durch die drei Halbbrücken zum Ausgeben eines 3-Phasen-Wechselstroms, beispielsweise zum Versorgen oder Betreiben einer entsprechenden 3-phasigen elektrischen Maschine ausgebildet sein. Derartige Umrichter finden bevorzugt in elektrischen Kraftfahrzeugen Verwendung, beispielsweise als Teil eines Antriebsstrang, der auch eine an den Umrichter angeschlossene Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, umfassen kann. Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung ist besonders günstig, da sich gezeigt hat, dass in einem derartigen Szenario die Leistungstransistoren der leistungselektronischen Einrichtung, insbesondere während eines Lade- oder Ladungserhaltungsbetriebs, besonders lange bezüglich der Ausfallrate kritischen Spannungen ausgesetzt sein können. Tatsächlich kann über eine Gesamtlebensdauer der leistungselektronischen Einrichtung hinweg betrachtet der größte Teil der Zeit, für die die leistungselektronische Einrichtung einer entsprechend hohen Spannung, beispielsweise der Batterie- oder Ladespannung, ausgesetzt ist, auf einen solchen Lade- oder Ladungserhaltungsbetrieb (englisch: trickle charge) entfallen. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können deren genannte wünschenswerten Effekte hier also besonders effektiv zur Geltung gebracht werden.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die leistungselektronische Einrichtung für jede Halbbrücke wenigstens eine Ausgleichsschaltung. Insbesondere können diese individuellen Ausgleichsschaltungen jeweils wenigstens zwei jeweils zu einem der Leistungstransistoren der jeweiligen Halbbrücke parallel geschaltete Widerstände umfassen bzw. durch diese gebildet sein. Die leistungselektronische Einrichtung kann mit anderen Worten also mehrere Ausgleichsschaltungen umfassen. Dadurch kann besonders zuverlässig verhindert werden, dass einer der Leistungstransistoren einem oberhalb des vorgegebenen Anteils liegenden Anteil der Gesamtspannung ausgesetzt wird. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Ausgleichsschaltungen bzw. deren Widerstände räumlich mit den zugeordneten Halbbrücken oder Leistungstransistoren korrespondierend verteilt in der leistungselektronischen Einrichtung angeordnet sind. Durch die mehreren Ausgleichsschaltungen können beispielsweise besonders effektiv und einfach individuelle Unterschiede zwischen verschiedenen Teilen der leistungselektronischen Einrichtung, insbesondere also zwischen verschiedenen Halbbrücken, berücksichtigt werden. So können beispielsweise die unterschiedlichen Ausgleichsschaltungen unterschiedlich ausgelegt werden, um unterschiedliche Gesamtspannungen oder unterschiedliche Ausgestaltungen der Leistungstransistoren zu berücksichtigen. Auch können durch die, gegebenenfalls entsprechend verteilt angeordneten, Ausgleichsschaltungen automatisch an unterschiedlichen Stellen der leistungselektronischen Einrichtung herrschende unterschiedliche Temperaturen berücksichtigt werden. Insgesamt kann auf diese Weise mit relativ geringem Aufwand eine weitere verbesserte Zuverlässigkeit der leistungselektronischen Einrichtung erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die leistungselektronische Einrichtung ein einen Umrichter und eine eingangsseitig direkt an diesen angeschlossene Batterie. Dass die Batterie direkt an die Eingangsseite des Umrichters angeschlossen ist, kann hier insbesondere bedeuten, dass zwischen der Batterie und dem Umrichter kein Schalter angeordnet ist, also eine dauerhaft ununterbrochene elektrische Verbindung besteht. Die Ausgleichsschaltung ist hier dazu eingerichtet, in einem Ladebetrieb, in dem die Batterie aus einer externen Energiequelle aufgeladen wird und die Leistungstransistoren des Umrichters in einem statischen Zustand verbleiben, also nicht geschaltet werden, als Spannungsteiler zu fungieren. Die genannte Halbbrücke ist hier also Teil des Umrichters. Je nach Ausgestaltung kann die Ausgleichsschaltung dazu eingerichtet sein, nur in einem solchen Ladebetrieb als Spannungsteiler zu fungieren, nicht aber in oder während anderer Betriebsarten oder Betriebsmodi. Außerhalb des Ladebetriebs, also in anderen Betriebsmodi oder Betriebszuständen der leistungselektronischen Einrichtung, kann die Ausgleichsschaltung wie beschrieben beispielsweise automatisch deaktiviert oder getrennt werden. Dies kann zwar unter Umständen ebenfalls einen zusätzlichen Schalter benötigen, was aber praktisch kein zusätzliches Sicherheitsrisiko darstellt, insbesondere im Vergleich zu dem beschriebenen alternativ zwischen der Batterie und dem Umrichter angeordneten mechanischen Schalter. Wie bereits angedeutet hat sich gezeigt, dass die hier vorgeschlagene Ausgestaltung bzw. Anwendung oder Verwendung der leistungselektronischen Einrichtung einen Fall darstellt, in dem die beschriebenen wünschenswerten Effekte und Eigenschaften besonders effektiv und nutzbringend zur Geltung gebracht werden können. Derartige Anordnungen aus einer Batterie und einem angeschlossenen Umrichter können zudem üblicherweise ein Steuergerät oder ein Managementsystem oder dergleichen umfassen. Dieses kann dann zum Steuern des genannten Schalters, zum automatischen Aktivieren und Deaktivieren der Ausgleichsschaltung und/oder zum Regeln der aktiven Ausgleichsschaltung eingerichtet sein bzw. verwendet werden. Dies stellt eine besonders effiziente Realisierungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung dar.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung und eine damit verbundene Batterie sowie eine von der leistungselektronischen Einrichtung aus der Batterie versorgbare elektrische Maschine aufweist. Die Batterie kann dabei wie beschrieben an die leistungselektronische Einrichtung angeschlossen oder ein Teil der leistungselektronischen Einrichtung sein. Insbesondere kann die Batterie als Traktionsbatterie ausgebildet sein. Bevorzugt kann die elektrische Maschine dann eine Traktion- oder Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs sein. Das Kraftfahrzeug kann dementsprechend also bevorzugt ein elektrisches, d.h. elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung genannte Kraftfahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische ausschnittweise Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer besonders zuverlässigen leistungselektronischen Einrichtung.
Beispielsweise im Bereich der Fahrzeugtechnik wird derzeit der Einsatz von 800 V-Systemen, also elektrischen Einrichtungen, die für eine Lade-, Batterie- und/oder Betriebsspannung von ungefähr 800 V eingerichtet oder ausgelegt sind, angestrebt. Dabei kann eine tatsächliche Batteriespannung jedoch variieren, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Anzahl jeweils tatsächlich in Serie geschalteter Batteriezellen, einem aktuellen Ladezustand und dergleichen mehr. In 1 ist dazu beispielhaft schematisch ein elektrisches Kraftfahrzeug 10 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist hier eine Batterie 12, einen damit elektrisch verbundenen Umrichter 14 und eine über diesen mit elektrischer Leistung versorgbare elektrische Maschine 16 auf. Die Batterie 12 kann hier eine Traktionsbatterie und die elektrische Maschine 16 eine Traktions- oder Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs 10 sein. Durch die elektrische Maschine 16 können letztlich also - wie hier schematisch angedeutet - Räder 18 des Kraftfahrzeugs 10 angetrieben werden.
Der Umrichter 14 ist eine leistungselektronische Einrichtung oder Teil einer leistungselektronischen Einrichtung des Kraftfahrzeugs 10 und umfasst hier schematisch angedeutet drei Halbbrücken 20 aus jeweils zwei in Serie geschalteten Leistungstransistoren 22. Die Leistungstransistoren 22 können beispielsweise als SiC-MOSFETs oder IGBTs, beispielsweise mit einer jeweiligen Durchschlagspannung von etwa 800 V bis 1200 V ausgebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Leistungstransistoren 22 sowie die Komponenten der Leistungstransistoren 22 einer Halbbrücke 20 bzw. einem der Leistungstransistoren 22 einer Halbbrücke 20 zugeordnete Bauteile explizit gekennzeichnet. Grundsätzlich können jedoch alle Leistungstransistoren 22 des Umrichters 14 bzw. der Halbbrücken 20 in gleicher Weise aufgebaut sein.
Die Leistungstransistoren 22 weisen hier einen Drain 24, ein Gate 26 und eine Source 28 auf. Beispielsweise während eines Lade- oder Ladungserhaltungsbetriebs der Batterie 12 können der Umrichter 14 und damit auch dessen Halbbrücken 20 zumindest zeitweise der vollen Batterie- oder Ladespannung ausgesetzt sein, auch wenn die Leistungstransistoren 22 nicht betrieben, also nicht aktiv geschaltet werden. Aufgrund von in der Praxis kaum zu vermeidenden Unterschieden zwischen den Leistungstransistoren 22 innerhalb jeweils einer der Halbbrücken 20 ist es vorliegend vorgesehen, die Spannung, welcher die einzelnen Leistungstransistoren 22 ausgesetzt sind, zumindest während eines solchen Lade- oder Ladungserhaltungsbetriebs, zu begrenzen. Dazu ist vorliegend eine jeweilige Ausgleichsschaltung (englisch: balancing circuit) vorgesehen. Diese Ausgleichsschaltungen umfassen hier den einzelnen Leistungstransistoren 22 parallel geschaltete Spannungsteilerwiderstände 30 und Regelschalter 32. Diese Anordnungen aus jeweils einem Spannungsteilerwiderstand 30 und einem Regelschalter 32 sind auf der einen Seite mit dem Drain 24 und auf der anderen Seite mit der Source 28 verbunden.
Durch die Spannungsteilerwiderstände 30 fungieren die Ausgleichsschaltungen als Spannungsteiler, um die an der jeweiligen Halbbrücke 20 anliegende Gesamtspannung in zwei kleinere Teilspannungen, denen dann jeweils einer der Leistungstransistoren 22 der jeweiligen Halbbrücke 20 ausgesetzt ist, aufzuteilen. Die Spannungsteilerwiderstände 30 können hier als hochohmige ohmsche Widerstände, beispielsweise im kΩ-Bereich, ausgebildet sein.
Durch entsprechende automatische Ansteuerung der Regelschalter 32 - die hier nur der besseren Erkennbarkeit halber geöffnet dargestellt sind - kann eine aktive Regelung der Ausgleichsschaltungen realisiert werden. Grundsätzlich können die Regelschalter 32 hier jedoch optional sein. Die Ausgleichsschaltungen könnten also auch ohne die Regelschalter 32 nur durch die Spannungsteilerwiderstände 30, dann also als passive Schaltungen bzw. als passive Spannungsteiler, realisiert werden.
Genaue Parameter, also Werte oder Größen der Spannungsteilerwiderstände 30 können im Einzelfall hinsichtlich einer Minimierung von Verlusten und einer möglichst gleichmäßigen Aufteilung der Gesamtspannung gewählt oder eingestellt werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Reduzierung der Fehler- oder Ausfallrate einer Leistungselektronik, hier also insbesondere des Umrichters 14 bzw. der Leistungstransistoren 22, aufgrund kosmischer Strahlung o. ä. Effekte durch einen Spannungsausgleichschaltkreis reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Batterie
14: Umrichter
16: elektrische Maschine
18: Räder
20: Halbbrücken
22: Leistungstransistoren
24: Drain
26: Gate
28: Source
30: Spannungsteilerwiderstände
32: Regelschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112016001711 T5 [0003]
EP 2430506 B1 [0004]

Claims

Leistungselektronische Einrichtung (14), aufweisend wenigstens eine Halbbrücke (20) aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (22) mit einem dazwischen liegenden Knotenpunkt zum Anbinden einer elektrischen Last (16), und eine als Spannungsteiler fungierende Ausgleichsschaltung (30, 32), die zum Aufteilen einer an der Halbbrücke (20) anliegenden Gesamtspannung auf die beiden Leistungstransistoren (22) eingerichtet ist, sodass die beiden Leistungstransistoren (22) jeweils höchstens einem vorgegebenen Anteil der an der Halbbrücke (20) anliegenden Gesamtspannung ausgesetzt werden.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaltung (30, 32) dazu ausgelegt ist, den Anteil der anliegenden Gesamtspannung, dem jeder der beiden Leistungstransistoren (22) ausgesetzt ist, zwischen 25 % und 85 % der an der Halbbrücke (20) anliegenden Gesamtspannung einzustellen.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaltung (30, 32) als passiver Spannungsteiler (30, 30) ausgebildet ist.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaltung (30, 32) als aktive Schaltung zum aktiven Regeln der an den beiden Leistungstransistoren (22) anliegenden Anteile der Gesamtspannung ausgebildet ist und dazu wenigstens einen steuerbaren Schalter (32) aufweist.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaltung (30, 32) dazu eingerichtet ist, nur dann aktiv zu regeln, wenn die Gesamtspannung wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert entspricht.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschaltung (30, 32) in einen Gate-Treiber der leistungselektronischen Einrichtung (14) integriert ist.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (14) einen Umrichter (14) mit wenigstens drei Halbbrücken (20) aus jeweils zwei seriell geschalteten Leistungstransistoren (22) umfasst.
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (14) für jede Halbbrücke (20) wenigstens eine Ausgleichsschaltung (30, 32) umfasst, insbesondere mit jeweils wenigstens zwei jeweils zu einem der Leistungstransistoren (22) der jeweiligen Halbbrücke (20) parallel geschalteten Widerständen (30).
Leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (14) einen Umrichter (14) und eine eingangsseitig direkt an diesen angeschlossene Batterie (12) umfasst und die Ausgleichsschaltung (30, 32) dazu eingerichtet ist, in einem Ladebetrieb, in dem die Batterie (12) aus einer externen Energiequelle aufgeladen wird und die Leistungstransistoren (22) des Umrichters (14) in einem statischen Zustand verbleiben, als Spannungsteiler zu fungieren.
Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine leistungselektronische Einrichtung (14) nach einem der Ansprüche, eine damit verbundene Batterie (12) und eine von der leistungselektronischen Einrichtung (14) versorgbare elektrische Maschine (16).