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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität.
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Halbleitertransistoren werden in vielen Bereichen als elektronische Schalter, auch Halbleiterschalter genannt, eingesetzt. Dies ist möglich, da ein Halbleiterschalter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten kann. Ein erster Zustand ist ein eingeschalteter Zustand. In diesem Zustand kann der Halbleiterschalter Strom führen und sich analog wie ein niedriger Widerstand oder eine Diode in Durchlassrichtung verhalten. Der andere Zustand ist der Sperrzustand. In diesem Zustand ist der Halbleiterschalter in der Lage, eine anliegende Spannung z.B. 400V oder 800V aufzunehmen.
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Ein Halbleiterschalter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser zwischen den beiden genannten Zuständen sehr schnell und effizient hin und her wechseln kann. Dieses hin und her schalten zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Halbleiterschalters ist die Grundlage für viele elektronische Schaltungen wie Netzteile, Wechselrichter, Gleichrichter, Antriebsinverter.
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Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern. Auch gibt es mehrere speziell zugeschnittene Halbleiteranordnungen für Inverter zur Verbesserung der Effizienz. Mit der breiten Verfügbarkeit von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFET) bestehen die Halbleiter heutiger Hocheffizienz-Inverter rein aus Siliziumkarbid (SiC).
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Die Einsparung von SiC-Fläche auf dem Chip ist aus diversen Gründen notwendig, unter anderem aus Gründen des Platzbedarfs, aber auch der Kosten. Mit der Verwendung von SiC-MOSFETs muss jedoch die Fläche auch auf die Belastung im Freilauf für Fehlerfälle ausgelegt werden. Dadurch wird relativ viel SiC-Fläche benötigt. Es wurde auch bereits eine Verwendung von SiC-MOSFET und Si-IGBT (mit antiparalleler Freilaufdiode) vorgeschlagen.
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Die auslegungsrelevanten Kriterien sind bisher ein maximaler Phasenstrom bei gleichzeitig anliegender maximaler Zwischenkreisspannung, sowie gleichzeitig vorliegender maximaler Kühlmitteltemperatur (zur Kühlung der Bauteile). Die Dimensionierung der Fläche der Leistungshalbleiter erfolgt bisher so, dass die SOA (Safe Operating Area) im auslegungsrelevanten Betriebspunkt des gesamten Invertersystems nicht überschritten wird.
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Im Bereich der Elektromobilität ist es zur Einhaltung strenger (durch Gesetzgeber vorgegebener) Flotteneffizienzziele nötig, die Effizienz des Inverters durch den Einsatz neuartiger Halbleitertechnologien, wie z.B. SiC MOSFETs, zu erhöhen. Die Halbleiterfläche für einen normalen, d.h. durchschnittlichen, Fahrbetrieb ist überdimensioniert, da der auslegungsrelevante Betriebspunkt nur selten erreicht wird. Problematisch ist, dass die Halbleiterfläche neuerer Technologien (Wide-Bandgab-Halbleiter = WBG), die eine höhere inhärente Effizienz aufweisen (wie z.B. SiC oder GaN), teuer ist im Vergleich zu herkömmlichem Silizium. Bei herkömmlichen Systemen mit Halbleitern, die aus einem kostengünstigeren Material (wie z.B. Silizium) bestehen, kann in Bezug auf den auslegungsrelevanten Betriebspunkt mit Sicherheitsmargen dimensioniert werden, da die Kosten pro Halbleiterfläche gering sind im Vergleich zu WBG-Materialien. Beim Einsatz von WBG Halbleitern in einer herkömmlichen Auslegung wird nicht nur Platz vergeudet, es tritt auch ein preislicher Nachteil auf. Deshalb ist es nötig, ein Optimum zwischen bestmöglicher Technologie und geringstmöglichen Kosten zu finden. Die Schaltgeschwindigkeit muss am auslegungsrelevanten Betriebspunkt eingestellt werden. Somit wird allerdings im herkömmlichen Fahrbetrieb die maximal mögliche Schalteffizienz nicht ausgenutzt.
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Aus der
DE 10 2017 203 668 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wechselrichters für ein Antriebssystem bekannt, wobei bei dem Verfahren ein Bestimmen einer Schaltfrequenz für den Wechselrichter unter Verwendung des Arbeitspunktsignals erfolgt, sowie ein Bereitstellen eines Frequenzsignals zur Ausgabe an den Wechselrichter, um die Schaltfrequenz einzustellen, wobei das Frequenzsignal die bestimmte Schaltfrequenz für den Wechselrichter repräsentiert.
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Auch in der
DE 10 2021 203 854 A1 wird ein Verfahren zur zustandsabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für eine Leistungselektronik vorgeschlagen, wobei hier eine Ansteuerung von Leistungshalbleitern unterschiedlicher Art vorgeschlagen wird.
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Die US 2019 / 0 229 644 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für einen topologischen Halbleiterschalter eines Inverters, wobei der topologische Halbleiterschalter zwei Leistungshalbleiter aufweist. Die Dimensionierung und Auslegung der Leistungshalbleiter berücksichtigt dabei die Belastung in Betriebszuständen einer Antriebsmaschine.
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Aus der
DE 10 2017 108 157 A1 ist ein Inverter und eine Schaltungsanordnung für einen topologischen Halbleiterschalter eines Inverters bekannt. Der topologische Halbleiterschalter weist zwei Leistungshalbleiter auf und ist in zwei Gruppen an Leistungshalbleitern unterteilt. Die Leistungshalbleiter sind für die Arbeit in unterschiedlichen Stromgebieten, die ein Niedrigstromgebiet und ein Hochstromgebiet umfassen, ausgelegt.
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Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, die Schalteffizienz durch eine geeignete Auslegung der Leistungshalbleiter von topologischen Halbleiterschaltern für Inverter im Fahrzeugbereich zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur Lösung wird eine Schaltungsanordnung für einen topologischen Halbleiterschalter eines Inverters vorgeschlagen. Der topologische Halbleiterschalter weist mindestens zwei Leistungshalbleiter auf und ist in zwei Gruppen an Leistungshalbleitern unterteilt, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet sind. Die erste Gruppe an Leistungshalbleitern ist aus Leistungshalbleitern mit einer breiten Bandlücke gebildet. Die Dimensionierung der von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe genutzten Fläche und/oder die Auslegung ihrer Schaltgeschwindigkeit erfolgt für eine Belastung in einem Teillastbetrieb. Außerdem erfolgt eine Dimensionierung der Fläche der zweiten Gruppe an Leistungshalbleitern für eine Belastung in einem Volllastbetrieb.
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In einer Ausführung besteht die erste und die zweite Gruppe an Leistungshalbleitern aus unterschiedlichen Halbleitertypen. Zusätzlich zu der Möglichkeit, unterschiedliche Materialien zu verwenden, können auch für die jeweilige Anwendung optimale Halbleitertypen verwendet werden.
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In einer Ausführung ist die erste Gruppe an Leistungshalbleitern aus unipolaren Halbleiterbauelementen gebildet. In einer Ausführung ist das Halbleitermaterial SiC oder GaN.
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In einer Ausführung ist die zweite Gruppe an Leistungshalbleitern aus bipolaren Halbleiterbauelementen gebildet In einer Ausführung besteht die zweite Gruppe an Leistungshalbleitern aus dem Halbleitermaterial Silizium.
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Der Teillastbetrieb entspricht einer maximalen Belastung der Leistungshalbleiter in einem vorgegebenen Fahrzyklus. Somit kann eine Belastung der Halbleiter bei einer herkömmlichen Fahrweise abgedeckt werden.
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Vorteilhaft wird ein vorgegebener Fahrzyklus aus einem Artemis-Fahrzyklus oder einem WLTP-Fahrzyklus oder einem Highway-Fahrzyklus gewählt, da diese StandardVerfahren sind, um Belastungen in herkömmlichen Fahrsituationen nachzustellen.
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In einer Ausführung erfolgt die Dimensionierung der von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe genutzten Fläche derart, dass die Fläche minimal möglich derart gewählt wird, dass die Leistungshalbleiter für die maximal mögliche Belastung im Teillastbetrieb ausgelegt sind, ohne für sie vorgegebene Belastungsgrenzen zu überschreiten. In einer Ausführung erfolgt die Dimensionierung der von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe genutzten Fläche derart, dass die Fläche derart gewählt wird, dass eine vorgegebene Teillast-Effizienz erreicht wird. Vorteilhaft wird eine maximale Teillast-Effizienz angestrebt. Je nach Anforderung können also unterschiedliche Optimierungsziele verfolgt werden.
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In einer Ausführung entspricht der Volllastbetrieb einer auslegungsrelevanten Maximalbelastung der Leistungshalbleiter.
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Ferner wird eine Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend einen Inverter mit der beschriebenen Schaltungsanordnung. Außerdem wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine prinzipielle Belastungsverteilung für Leistungshalbleiter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie (einem Energiespeicher) stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Halbleitertransistoren als Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halbleitermaterial sein. Bevorzugt sind Materialien mit einer großen Bandlücke (engl: wide bandgap).
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Die Auslegung der anzusteuernden Halbleiter erfolgt, indem die Auswahl des Halbleitertyps und des Halbleitermaterials entsprechend der Anwendung, d.h. der Zielvorgabe, erfolgt. Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise in Verbindung mit bipolaren Bauelementen bei größeren Strömen eine bessere Leitfähigkeit auf, während Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid diese Eigenschaft in Verbindung mit unipolaren Bauelementen bei kleineren Strömen aufweisen. Somit kann z.B. der Betrieb des Inverters verbrauchsoptimiert realisiert werden.
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Um Flotteneffizienzziele zu erreichen, ist es ausreichend, die Effizienz innerhalb definierter Fahrzyklen sicherzustellen. Betriebspunkte außerhalb der Fahrzyklen spielen für Effizienzziele eine untergeordnete Rolle und können auch mit geringerer Effizienz angesteuert werden, da sie außerhalb der Fahrzyklen im alltäglichen Fahrbetrieb selten oder gar nicht erreicht werden. Eine geringere Effizienz außerhalb der Fahrzyklen wirkt sich daher kaum negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs im Alltagsfahrbetrieb aus.
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Bisher wurde stets angenommen, dass eine möglichst große Halbleiterfläche auch in einer hohen Effizienz resultiert. Die nachfolgende, erfindungsgemäße Schaltungsanordnung widerlegt diese Ansicht. Eine schematische Schaltungsanordnung ist in 1 gezeigt, in welcher Leistungshalbleiter einer ersten Gruppe A mit einer von Gruppe A eingenommenen Fläche F1 und Leistungshalbleiter einer zweiten Gruppe B mit einer von Gruppe B eingenommenen Fläche F2 gezeigt ist. Die Ansteuerung erfolgt über einen entsprechenden Treiber 1, auf den hier nicht näher eingegangen wird. 2 zeigt eine schematische (Histogramm-)Darstellung der Häufigkeit (nach oben aufgetragen bzw. durch Balkenhöhe dargestellt) einer Belastung L (x-Achse) der Leistungshalbleiter. Am Punkt X ist eine maximal zulässige Belastung in einem Fahrzyklus dargestellt. Am Punkt Y ist die auslegungsrelevante Maximalbelastung der für die Anwendung verwendeten Leistungshalbleiter dargestellt. Hier ist zu sehen, dass am Punkt Y praktisch keine Häufigkeit der Belastung der Leistungshalbleiter auftritt. Auch am Punkt X ist praktisch keine Häufigkeit der Belastung L vorhanden, wobei bis zum Punkt X die Häufigkeit der Belastung L abnimmt.
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Es ist also zu erkennen, dass eine Auslegung der Leistungshalbleiter der ersten Gruppe A, welche vorteilhaft Halbleiter mit einer großen Bandlücke (WBG-Halbleiter) sind, auf einen Bereich innerhalb eines Fahrzyklus beschränkt werden kann, um eine hohe Effizienz zu erzielen. Außerhalb des Fahrzyklus ist keine oder nur eine sehr seltene Belastung zu erwarten, so dass hier eine zweite Gruppe B vorgesehen sein kann. Diese ist ausgelegt, um Belastungen L außerhalb des Fahrzyklus bereitzustellen (ohne die Gesamteffizienz maßgeblich zu verringern). Auch deshalb kann die zweite Gruppe B aus den bisher standardmäßig genutzten Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen. Dies wird nachfolgend genauer erläutert.
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Erfindungsgemäß ist ein topologischer Halbleiterschalter mit mindestens zwei Leistungshalbleitern vorgesehen, wobei eine Einteilung in zwei Gruppen A und B an Leistungshalbleitern erfolgt, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet sind.
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Für die Einhaltung der Flotteneffizienzziele und Bereitstellung einer hohen Reichweite im alltäglichen Fahrbetrieb werden die vorliegenden Betriebspunkte durch Leistungshalbleiter der ersten Gruppe A abgedeckt. Diese weisen ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, auch als WBG-Material bezeichnet (WBG=wide band gap) auf, z.B. SiC oder GaN. Solche Materialien besitzen eine hohe inhärente Teillasteffizienz.
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Die Dimensionierung der von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe A genutzten Fläche F1 erfolgt für eine maximale Belastung in einem Teillastbetrieb (Position X in 2) anstatt wie bisher üblich auf einen Volllastbetrieb (Position Y in 2). Es erfolgt also eine Auslegung auf eine geringere Belastung als die auslegungsrelevante Maximalbelastung Y, welche für jedes Fahrzeug bzw. jeden Fahrzeugtyp aufgrund dessen maximaler Leistung vorgegeben ist. Der Teillastbetrieb wird durch einen vorgegebenen Fahrzyklus definiert, in dem ebenfalls eine maximale Belastung X vorgegeben ist, der die Leistungshalbleiter standhalten müssen. Diese maximale Belastung X im Teillastbetrieb ist aber deutlich geringer als die maximale Belastung Y im Volllastbetrieb.
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Da die von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe A genutzte Fläche F1 auf den Teillastbetrieb ausgelegt ist, kann diese deutlich kleiner dimensioniert werden und ist damit auch deutlich günstiger. Überraschend ist, dass die Effizienz aber nicht deutlich geringer ist, wie bisher angenommen, da mit der Materialwahl von z.B. SiC einige Effekte aufgrund der kleineren Fläche einen weniger großen Einfluss auf die Verluste haben als bei einer größeren SiC-Fläche und damit die Summe der Verluste über alle die Effizienz beeinflussenden Effekte kleiner ist als bei einer größeren SiC-Fläche.
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Da die Auslegung der Schaltgeschwindigkeit auf Teillast-Betriebspunkte, genauer die maximale Belastung X im Teillastbetrieb, erfolgt, muss die Schaltgeschwindigkeit der WBG-Halbleiter, die die Betriebspunkte im Fahrzyklus darstellen sollen, nicht mehr am auslegungsrelevanten Betriebspunkt Y eingestellt werden. Daraus folgt, dass eine Erhöhung der Schalteffizienz im herkömmlichen Fahrbetrieb möglich ist.
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Die von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe A genutzte Fläche F1 wird also für einen Betrieb bis zu einer vorgegebenen maximalen Belastung X der Leistungshalbleiter ausgelegt, wobei die SOA (Safe Operating Area) stets einzuhalten ist. Diese maximale Belastung X kann durch einen Fahrzyklus vorgegeben sein, z.B. einem Artemis-Fahrzyklus oder einem WLTP-Fahrzyklus oder einem Highway-Fahrzyklus oder einem anderen, standardisierten Fahrzyklus. Da durch die Vorgaben der Fahrzyklen im Wesentlichen alle alltäglichen Situationen abgedeckt sind, ist es ausreichend, die von den Leistungshalbleitern der ersten Gruppe A genutzte Fläche F1 für einen solchen Fahrzyklus zu dimensionieren. Dabei kann die Dimensionierung derart sein, dass die Fläche F1 möglichst minimal gewählt wird, also gerade ausreichend, um für die maximale Belastung X des Fahrzyklus ausgelegt zu sein, also den SOA noch einhält. Dies spart aufgrund der geringen Fläche Kosten an teuren WBG-Halbleitern, kann aber auch unter Umständen nicht zur bestmöglichen (Teillast-) Effizienz führen. Alternativ kann die Dimensionierung der Fläche F1 derart sein, dass eine möglichst hohe (Teillast-) Effizienz erreicht werden soll, also möglichst geringe Verluste. Hierfür kann es sein, dass die Fläche F1 nicht mehr minimal zu wählen ist. Aber sie ist auch deutlich kleiner zu wählen, als wenn die Leistungshalbleiter für einen Volllastbetrieb ausgelegt werden müssen. Auch kann die Dimensionierung der Fläche F1 abhängig von weiteren Einflüssen, z.B. Dimensionierung des Energiespeichers, zwischen der minimal möglichen Fläche F1 unter Einhaltung des SOA und Fläche F1, die eine maximale Effizienz bringt, gewählt werden. Auch kann die Dimensionierung der Fläche F1 gewählt werden, um eine symmetrische Anordnung im Leistungsmodul zu ermöglichen.
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Außerhalb des Teillastbetriebs muss eine Dimensionierung der Fläche F2 und eine Auslegung der zweiten Gruppe B erfolgen, um der Belastung im Volllastbetrieb zu genügen, also dem Betrieb bei der auslegungsrelevanten Maximalbelastung Y der Schaltungsanordnung. Die zweite Gruppe B ist vorteilhaft nicht aus einem WBG-Material, sondern aus einem konventionellen und damit kostengünstigen Material wie Silizium. Außerdem ist der Halbleitertyp der zweiten Gruppe B vorteilhaft ein bipolares Halbleiterbauelement wie z.B. ein IGBT (mit antiparalleler Freilaufdiode).
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Die erste und zweite Gruppe A, B besteht also stets aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Sie besteht vorteilhaft auch aus unterschiedlichen Halbleitertypen. Als Halbleitertypen können für die erste Gruppe A unipolare Halbleiterbauelemente wie MOSFET, HEMT, JFET etc. und für die zweite Gruppe B bipolare Halbleiterbauelemente wie IGBT (mit Freilaufdiode) verwendet werden. Auch kann eine Kaskoden-Schaltung verwendet werden.
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Durch die Verwendung von unipolaren Halbleiterbauelementen aus einem WBG-Material in der ersten Gruppe A kann ein Leistungshalbleiter bereitgestellt werden, der keine Knickspannung aufweist, aber dennoch eine gute Leitfähigkeit aufweist. Dies gilt insbesondere für einen SiC-MOSFET.
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Die Schaltungsanordnung kann in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden.
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Außerdem werden ein Elektronikmodul mit einem Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, das zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs dient, ein Elektroantrieb und ein Fahrzeug bereitgestellt.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektronikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind in einer Sperrspannungklasse von 650 V bis 1200V bzw. einer Spannungsklasse der Batteriespannung von ca. 400V bis 800 V, ggf. sogar bereits ab 200 V, anzusiedeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansteuerung
- A, B
- Gruppen an Leistungshalbleitern
- F1, F2
- Fläche der Leistungshalbleiter je Gruppe
- L
- Belastung der Leistungshalbleiter
- X
- maximale Belastung im Fahrzyklus
- Y
- auslegungsrelevante maximale Belastung
