CN103843216B - 用于使逆变器的电容器放电的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操控逆变器的半导体开关的控制设备，具有：开关信号放大装置，其被设计为对通过逆变器的控制调节装置所产生的开关信号进行放大，并且产生以开关运行来操控半导体开关的第一开关控制信号；电流调节装置，其与半导体开关的电流传感器输出端耦合，并且被设计为产生以线性运行来操控半导体开关的第二开关控制信号；和选择装置，其与开关信号放大装置和电流调节装置耦合，并且被设计为根据至少一个运行选择信号要么输出第一开关控制信号要么输出第二开关控制信号来操控半导体开关的控制端子。

Description

用于使逆变器的电容器放电的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于逆变器的半导体开关的控制设备和一种用于操控逆变器、尤其是用于运行处于紧急放电运行中的逆变器的方法。

背景技术

电动和混合动力交通工具常常在牵引电池和电机之间的驱动系统中具有一般构建为电压中间电路变频器的功率电子电路部件。在此，直流电压中间电路充当牵引电池和逆变器之间的耦合构件，该逆变器可被操控用于将来自直流电压中间电路的电功率传输给电机。

逆变器例如可以实施为具有一定数量的桥式分支的全桥电路，所述桥式分支每个都具有两个半导体开关。在此，桥式分支的与直流电压中间电路的第一输出端子连接的半导体开关可以分别被称为高压侧开关，并且桥式分支的与直流电压中间电路的第二输出端子连接的半导体开关可以分别被称为低压侧开关。作为半导体开关在此可以例如使用具有反并联的二极管的IGBT模块（具有绝缘栅电极的双极晶体管）或使用MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）。

为了操控逆变器使用为半导体开关产生开关信号的控制调节装置。在故障情况下出于安全原因对控制调节装置提出不同的要求。例如可能需要在故障情况下使电机的发动机绕组可靠地短路。这可以通过闭合所有的高压侧开关以及断开所有的低压侧开关（或者相反地）来实现，这也被称为“主动短路”。

此外在故障情况下有必要对直流电压中间电路快速地和可靠地放电，尤其是在控制调节装置的供给电压失灵时也是如此。这可以通过紧急放电来实现。这样的紧急放电被要求规范地在5秒钟的最大紧急放电时间内，以便能够确保交通工具的电运行安全性。

文献US2005/0231171A1公开了一种具有电发动机、脉冲逆变器和中间电路电容器的电驱动系统。所述中间电路电容器可以经由脉冲逆变器的对应的开关运行来受控地放电。

发明内容

根据一个方面，本发明提供一种用于操控逆变器的半导体开关的控制设备，具有：开关信号放大装置，其被设计为对通过逆变器的控制调节装置所产生的开关信号进行放大，并且产生以开关运行来操控半导体开关的第一开关控制信号；电流调节装置，其与半导体开关的电流传感器输出端耦合，并且其被设计为产生以线性运行来操控半导体开关的第二开关控制信号；和选择装置，其与开关信号放大装置和电流调节装置耦合，并且其被设计为根据至少一个运行选择信号要么输出第一开关控制信号要么输出第二开关控制信号来操控半导体开关的控制端子。

根据另一方面，本发明提供一种用于n相电机的驱动系统，其中n≥1，该驱动系统具有：中间电路电容器，其与两个输入电压端子连接；具有多个半导体开关的逆变器，该逆变器与中间电路电容器耦合，由该中间电路电容器馈送电能，并且被设计为产生用于所述电机的n相供给电压；多个根据本发明的控制设备，这些控制设备分别被设计为产生用于逆变器的半导体开关的开关控制信号；和控制调节装置，其与多个控制设备耦合并且被设计为产生用于逆变器的半导体开关的开关信号。

根据另一方面，本发明提供一种用于操控逆变器的方法，具有步骤：放大用于逆变器的每一个半导体开关的开关信号以产生多个分别以开关运行来操控半导体开关的第一开关控制信号；测量通过每个半导体开关的电流的电流强度；根据所测量的通过半导体开关的电流的电流强度产生多个分别以线性运行操控半导体开关的第二开关控制信号；以及根据用于每一个半导体开关的至少一个运行选择信号选择第一开关控制信号或第二开关控制信号来操控每一个半导体开关的控制端子。

本发明的优点

本发明的构思在于，为电运行交通工具中的逆变器的半导体开关构造控制设备，该控制设备可以实现紧急放电，而不会依赖于附加的组件。紧急放电在此经由在逆变器中无论如何都存在的半导体开关执行。由此省去了设置专用的紧急放电电路的必要性，这可以带来显著的成本和结构空间节省。

本发明的优点是可以如下地操控构造有本发明控制设备的逆变器（该逆变器包括多个分别具有两个半导体开关的桥式分支）：至少一个运行选择信号说明逆变器的紧急放电运行。在紧急放电运行中，利用第一开关控制信号来操控逆变器的低压侧开关——也就是每一个桥式分支的桥一侧上的半导体开关，并且利用第二开关控制信号来操控逆变器的高压侧开关——也就是每一个桥式分支的桥另一侧上的半导体开关。由此得出逆变器的输入端子与逆变器的对应输出端子经由以线性运行被操控的半导体开关的耦合，所述半导体开关于是作为电流调节器来运行。这所提供的优点是，连接到逆变器的输入端子上的中间电路电容器可以经由以线性运行的半导体开关快速和可靠地放电。

在此特别有利的是，一方面不必构造用于使中间电路电容器放电的另外的电路部件，这节省了空间和制造成本。另一方面，半导体开关无论如何都要非常良好地与周围环境热连接，从而经由逆变器使中间电路电容器放电不会引起驱动系统过热。

根据一个实施方式，控制设备此外可以包括电流监视装置，该电流监视装置与半导体开关的电流传感器输出端和开关信号放大装置耦合，并且被设计为当通过半导体开关的电流超过预定电流阈值时操控开关信号放大装置以产生断开半导体开关的第一开关控制信号。所述电流监视装置有利地提供了在操控处于开关运行中的半导体开关时的针对短路的保护。

根据另一实施方式，所述控制设备被设计用于操控IGBT开关。这所提供的优点是，电流调节装置与IGBT开关的集电极端子耦合并且由该集电极端子供给运行电压。由此在操控逆变器时不需要附加的部件。

本发明实施方式的其他特征和优点从参照附图的以下描述中得出。

附图说明

图1示出根据本发明一个实施方式的交通工具的电驱动系统的示意图；

图2示出根据本发明另一个实施方式的用于半导体开关的控制设备的示意图；以及

图3示出根据本发明另一个实施方式的用于操控逆变器的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出交通工具的电驱动系统100的示意图。该电驱动系统100包括两个输入端子T＋和T－，它们可以例如通过交通工具的储能装置如高压电池或牵引电池被供给高压。输入端子T+和T-与具有中间电路电容器2的直流电压中间电路连接。该中间电路电容器2经由输出端子与逆变器10、例如脉冲逆变器10的输入端子连接。图1中所示的具有中间电路电容器2和逆变器10的电压中间电路变频器示例性地示出为三相变频器，也就是说，逆变器10包括分别具有两个半导体开关的三个桥式分支。第一桥式分支例如包括半导体开关1a和1d，第二桥式分支例如包括半导体开关1b和1e，并且第三桥式分支例如包括半导体开关1c和1f。在此，桥一侧的半导体开关1a、1b、1c被称为高压侧开关，而桥另一侧的半导体开关1d、1e、1f被称为低压侧开关。在此应当清楚的是，电压中间电路变频器的任何其他的桥式分支数或相数同样是可行的，并且半导体开关1a至1f仅仅是示例性地被选择称为高压侧开关和低压侧开关。

图1中所示的半导体开关1a至1f在此可以例如具有场效应晶体管（FET）。在一个可能的实施方式中，半导体开关分别是IGBT（绝缘栅双极晶体管），但是同样可以设置对应形式的其他半导体开关，例如JFET（结型场效应晶体管）或者MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）形式的半导体开关。当半导体开关1a至1f具有IGBT开关时，可以规定，将IGBT开关中的每一个与在图1中出于清楚原因而没有示出的二极管反并联。

电驱动系统100还具有控制调节装置50，该控制调节装置被设计为产生开关信号5a至5f，所述开关信号对半导体开关1a至1f的开关式操控进行编码。当半导体开关1a至1f应当断开时，开关信号5a至5f在此可以例如具有逻辑为低的电平，并且当半导体开关1a至1f应当闭合时，所述开关信号5a至5f可以具有逻辑为高的电平。控制调节装置50将开关信号5a至5f馈入到对应的控制设备4a至4f中，这些控制设备分别负责半导体开关1a至1f的操控。下面阐述控制设备4a与所分配的半导体开关1a的耦合，其中其余控制设备4b至4f中的每一个可以对应地耦合。

控制设备4a具有控制输出端，经由该控制输出端操控信号7a可以被输出到半导体开关1a的控制端子，以便控制半导体开关1a的运行。经由电流测量信号9a，控制设备4a可以检测通过半导体开关1a的电流的电流强度。此外，控制设备4a可以经由供给线路8a被供给由半导体开关1a的线路端子所提供的电压。当半导体开关1a具有IGBT开关时，可以规定，供给线路8a与IGBT开关的集电极端子耦合。

图2示出用于半导体开关1的控制设备4的示意图。尤其是在图2中以较高详细度示出了控制设备4a至4f以及所属的半导体开关1a至1f的示例性实施方式。在图2中所使用的附图标记在此可以分别配备a至f的字母，以便表示图1中所示的电驱动系统100的相应部件。

控制设备4用于操控半导体开关1、尤其是逆变器的半导体开关1。半导体开关1在图2中示例性地作为IGBT开关示出，该IGBT开关仅具有集电极端子11、发射极端子12、栅极或控制端子13以及电流传感器输出端14。经由电流传感器输出端14可以引出电流测量信号9，该电流测量信号说明目前流经IGBT开关1的电流的电流强度。IGBT开关1可以经由控制端子13通过施加具有确定电压电平的对应操控信号7而被操控在不同的运行模式中。在开关运行中，IGBT开关1可以仅仅在截止或饱和区域中运行，也就是说，IGBT开关1要么是完全截止的要么是完全导通的。而在线性或激活运行中，IGBT开关1可以在放大区域中运行，也就是说，通过IGBT开关1的电流的电流强度与施加在控制端子处的电压成标度比例或者基本上成比例。

控制设备4具有开关信号放大装置15，其被设计为放大开关信号5以及产生第一开关控制信号25。开关信号5例如可以通过逆变器100的控制调节装置50产生。开关控制信号25用于以开关运行操控半导体开关1。

控制设备4此外具有电流调节装置18，其与半导体开关1的电流传感器输出端14耦合并且被设计为产生第二开关控制信号28，该第二开关控制信号以线性运行操控半导体开关1。为此，电流调节装置18可以根据流经半导体开关1的电流的电流强度来调节第二开关控制信号28。有利地，电流调节装置18可以为此使用电流测量信号9，该电流测量信号9已经被在下面阐述的电流监视装置16使用。电流调节装置18可以例如与IGBT开关1的集电极端子11耦合并且从该集电极端子11被供给运行电压。这使得电流调节装置18能够与控制调节装置5的电压供给无关地在控制调节装置5的故障情况下也按规定工作。

控制设备4此外具有选择装置17，该选择装置与开关信号放大装置15和电流调节装置18耦合。选择装置17用于选择第一开关控制信号25或者第二开关控制信号28以输出用于半导体开关1的控制端子13的操控信号7。该选择在此可以根据至少一个运行选择信号6来进行。一个或多个运行选择信号6可以例如由电驱动系统100的不同部件产生，这些部件可以表示逆变器10的故障情况并且因此可以表示逆变器10的紧急运行模式的激活。运行选择信号6例如可以包括控制调节装置的控制信号、高压电池的供给电压信号或者其他的传感器信号。

控制设备4可以具有电流监视装置16，该电流监视装置与半导体开关1的电流传感器输出端14和开关信号放大装置15耦合。电流监视装置16可以实现短路电流监视，也就是说，电流监视装置16可以根据电流测量信号9来识别流经半导体开关1的电流的电流强度是否超过预定的电流阈值。当识别出这样的电路电流时，电流监视装置16可以操控开关信号放大装置15来产生断开半导体开关1的开关控制信号25。由此，可以在可能由于过高的电流而出现功率电子器件受损之前断开半导体开关1。

利用控制设备4可以要么以线性运行要么以开关运行来操控IGBT开关1。这尤其是使得能够在这样被操控的逆变器中建立紧急放电运行，由此可以有利地进行向逆变器馈电的中间电路电容器的快速放电。在此特别有利的是，逆变器的已经存在的部件可以被用于放电，而不必构造如可开关电阻等等的附加的电路或放电元件。

线性运行例如可以通过如下方式实现，即用于半导体开关1的控制端子13的操控信号7具有如下电压值，该电压值位于用于接通半导体开关1的电压值和用于关断半导体开关1的电压值之间。可替换地，线性运行例如可以通过如下方式来实现，即用于半导体开关1的控制端子13的操控信号7被升高到用于接通的电压值预定义的短的时间段，并且之后又被降低到用于关断半导体开关1的电压值。该时间段在此可以这样来选择，即在半导体开关1到达全导通之前再次关断该半导体开关1。

图3示出用于操控逆变器、尤其是图1中所示的电运行交通工具的电驱动系统100中的逆变器10的方法30的示意图。该方法30在第一步骤中包括放大用于逆变器的每一个半导体开关的开关信号以产生多个第一开关控制信号，所述开关控制信号分别以开关运行来操控一个半导体开关。在第二步骤中对通过每一个半导体开关的电流的电流强度进行测量。例如可以通过检测半导体开关的电流测量输出端的输出信号来确定通过该半导体开关的电流的电流强度。

在第三步骤33中根据所测量的、通过半导体开关的电流的电流强度产生多个第二开关控制信号，所述第二开关控制信号分别以线性运行操控一个半导体开关。半导体开关的线性运行可以包括在激活的放大区域中运行半导体开关，也就是说，半导体开关可以以电流调节模式运行。

在第四步骤34中根据用于每一个半导体开关的至少一个运行选择信号来选择第一开关控制信号或者第二开关控制信号以用于操控每一个半导体开关的控制端子。所述选择在此可以如此做出，即在逆变器的所有半导体开关的操控的相互配合中实现确定的运行模式。例如可以通过以开关运行来运行所有的半导体开关——也就是说通过为所有半导体开关分别选择第一开关控制信号——来激活逆变器的正常运行模式。当不存在故障情况时，所述正常运行模式例如可以包括逆变器的常规操控。

同样地，可以在出现故障以后，例如在控制调节装置的电压供给失灵的情况下、在交通工具发生事故的情况下或者在危及电驱动系统的运行安全性的其他状况下，激活多个紧急运行状态之一。例如在“主动短路”的模式中，每一个半导体开关都可以以开关运行来运行，使得桥式分支的桥一侧的所有半导体开关——例如高压侧开关——被置于闭合状态，而桥式分支的桥另一侧的所有半导体开关——例如低压侧开关——被置于断开状态。可以理解，对高压侧开关和低压侧开关的操控也可以分别相反地来进行。

由此可以经由闭合的半导体开关安全地和可靠地使电机短路。

可替换地，在故障情况下可以经由逆变器的半导体开关使中间电路电容器快速放电。为此可以将桥式分支的桥一侧的所有半导体开关——例如高压侧开关——置于断开状态。其他的半导体开关——例如低压侧开关——在此可以分别替代以开关运行而以线性运行或激活运行来被操控，使得这些半导体开关充当电流调节器。可以理解，对高压侧开关和低压侧开关的操控也可以分别相反地来进行。

由此可以经由以线性运行的半导体开关使中间电路电容器放电。半导体开关在此可以与冷却装置或电驱动系统的周围空气热连接，使得在放电时形成的热量可以快速和安全地被引出。

Claims (10)

1.用于操控逆变器（10）的半导体开关（1）的控制设备（4），具有：

开关信号放大装置（15），其被设计为对通过逆变器（10）的控制调节装置（50）所产生的开关信号（5）进行放大，并且产生以开关运行来操控半导体开关（1）的第一开关控制信号（25）；

电流调节装置（18），其与半导体开关（1）的电流传感器输出端（14）耦合，并且被设计为产生以线性运行来操控半导体开关（1）的第二开关控制信号（28）；和

选择装置（17），其与开关信号放大装置（15）和电流调节装置（18）耦合，并且被设计为根据至少一个运行选择信号（6）要么输出第一开关控制信号（25）要么输出第二开关控制信号（28）来操控半导体开关（1）的控制端子（13）。

2.根据权利要求1所述的控制设备（4），其中线性运行通过如下方式实现，即利用如下电压值来操控半导体开关（1）的控制端子（13），所述电压值位于用于接通半导体开关（1）的电压值和用于关断半导体开关（1）的电压值之间，或者其中线性运行通过如下方式实现，即半导体开关（1）的控制端子（13）被升高到用于接通的电压值预定义的时间段，并且之后又在半导体开关（1）到达全导通之前被降低到用于关断半导体开关（1）的电压值。

3.根据权利要求1或2所述的控制设备（4），此外具有：

电流监视装置（16），其与半导体开关（1）的电流传感器输出端（14）和开关信号放大装置（15）耦合，并且其被设计为当通过半导体开关（1）的电流超过预定电流阈值时操控开关信号放大装置（15）以产生断开半导体开关（1）的第一开关控制信号（25）。

4.根据权利要求3所述的控制设备（4），其中所述电流监视装置（16）被设计为当以线性运行操控半导体开关（1）时操控开关信号放大装置（15）来产生断开半导体开关（1）的第一开关控制信号（25）。

5.根据权利要求1至2之一所述的控制设备（4），其被设计用于操控IGBT开关（1）。

6.根据权利要求5所述的控制设备（4），其中电流调节装置（18）与IGBT开关（1）的集电极端子（11）耦合并且由该集电极端子（11）供给运行电压。

7.用于n相电机（3）的驱动系统（100），其中n≥1，该驱动系统具有：

中间电路电容器（2），其与两个输入电压端子（T+；T-）连接；

具有多个半导体开关（1a，…，1f）的逆变器（10），该逆变器与中间电路电容器（2）耦合，由该中间电路电容器（2）馈送电能，并且被设计为产生用于所述电机（3）的n相供给电压；

多个分别根据权利要求1至6之一所述的控制设备（4a，…，4f），其分别被设计为产生用于逆变器（10）的半导体开关（1a，…，1f）的开关控制信号（7a，…，7f）；和

控制调节装置（50），其与多个控制设备（4a，…，4f）耦合并且被设计为产生用于逆变器（10）的半导体开关（1a，…，1f）的开关信号（5a，…，5f）。

8.根据权利要求7所述的驱动系统（100），其中所述半导体开关（1a，…，1f）是IGBT开关。

9.用于操控逆变器（10）的方法（30），具有步骤：

放大（31）用于逆变器（10）的每一个半导体开关（1a，…，1f）的开关信号（5a，…，5f）以产生多个分别以开关运行来操控半导体开关（1a，…，1f）的第一开关控制信号；

测量（32）通过每个半导体开关（1a，…，1f）的电流的电流强度；

根据所测量的通过半导体开关（1a，…，1f）的电流的电流强度产生（33）多个分别以线性运行操控半导体开关（1a，…，1f）的第二开关控制信号；以及

根据用于每一个半导体开关（1a，…，1f）的至少一个运行选择信号（6a，…，6f）选择（34）第一开关控制信号或第二开关控制信号来操控每一个半导体开关（1a，…，1f）的控制端子。

10.根据权利要求9所述的方法（30），其中所述逆变器（10）包括多个分别具有两个半导体开关（1a，…，1f）的桥式分支，其中所述至少一个运行选择信号说明逆变器（10）的紧急放电运行，并且其中分别针对每一个桥式分支的一个半导体开关（1a，1b，1c）选择第一开关控制信号并且分别针对每一个桥式分支的另一个半导体开关（1d，1e，1f）选择第二开关控制信号来操控相应的控制端子。