CN109451780B - 逆变器装置、电驱动系统和用于使逆变器装置中的中间电路电容器放电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使逆变器装置中的中间电路电容器放电。例如，经此可以使中间电路电容器放电，而连接到逆变器上的电机可以在作为安全状态的空转下运行。通过对在逆变器之内的半导体开关进行时控来实现对中间电路电容器的放电。在此，分别选择逆变器的如下那个桥式支路用于进行时控，该桥式支路的相电压最小。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆变器装置和一种具有这种逆变器装置的电驱动系统，以及一种用于使逆变器装置中的中间电路电容器放电的方法。本发明尤其涉及在空转模式下使逆变器装置中的中间电路电容器放电。
背景技术
电驱动系统如其例如在电动车辆和混合动力车辆中使用的那样可以包括逆变器，这些逆变器从直流电压生成电压信号，所述电压信号适合于激励电机。在此，在这种逆变器的输入端上设置有具有中间电路电容器的直流电压中间电路。
这些逆变器例如可以实施为具有预先给定的数目个桥式支路的全桥电路，所述桥式支路各具有两个半导体开关。在此，第一半导体开关可作为所谓的高压侧（High-Side）开关与直流电压中间电路的第一连接端连接。第二半导体开关可作为所谓的低压侧（Low-Side）开关与直流电压中间电路的第二连接端连接。此外，第一半导体开关和第二半导体开关在节点上彼此电连接。这些节点中的每个节点都可以与电机的相连接端连接。例如，可以使用具有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管（IGBT模块）或者MOSFET（金属氧化物场效应晶体管），作为半导体开关。
在故障情况下，出于安全原因对控制提出了不同的要求。例如可以是必要的是：使所连接的电机在故障情况下达到安全运行模式。这种安全运行模式例如可包括主动短路，其中所有高压侧开关或所有低压侧开关都闭合。替选地，也可以设置空转模式作为安全运行模式，其中全桥的所有开关都断开。
此外，在故障情况下也可以值得期望的是：使直流电压中间电路快速并且可靠地放电。这例如可以通过紧急放电来实现。
出版文献WO 2013/050196 A1涉及一种用于使逆变器中的电容器放电的打开装置和方法。在此，借助于对逆变器的半导体开关元件的激励在主动短路期间进行对逆变器中的电容器的放电。
发明内容
本发明公开了一种具有专利权利要求1的特征的逆变器、一种具有专利权利要求6的特征的电驱动系统和一种具有专利权利要求10的特征的用于使逆变器装置中的中间电路电容器放电的方法。
因此规定：
一种逆变器装置，其具有全桥电路和控制装置。该全桥电路包括多个桥式支路。该全桥电路的每个桥式支路都包括第一半导体开关和第二半导体开关。在此，桥式支路的第一半导体开关和第二半导体开关分别在相应的桥式支路的节点上彼此连接。该控制装置被设计为：确定在桥式支路的相应的节点与参考电位之间的相电压最小的主桥式支路。该控制装置还被设计为：将主桥式支路的第一半导体开关闭合并且对主桥式支路的第二半导体开关进行时控。该控制装置还可以被设计为：使全桥的不在主桥式支路中的那些半导体开关断开。
还规定：
一种电驱动系统，其具有按照本发明的逆变器装置、中间电路电容器和电机。在此，该中间电路电容器与该逆变器装置的输入连接端电耦合。该电机包括多个相连接端。在此，该电机的每个相连接端都与全桥的桥式支路的节点电耦合。
此外还规定：
一种用于使具有全桥电路的逆变器装置中的中间电路电容器放电的方法，该全桥电路包括多个桥式支路，其中每个桥式支路都包括第一半导体开关和第二半导体开关，所述第一半导体开关和第二半导体开关分别在节点上彼此连接。该方法包括如下步骤：确定在桥式支路的相应的节点与参考电位之间的相电压最小的主桥式支路；将主桥式支路的第一半导体开关闭合；对主桥式支路的第二半导体开关进行时控；而且将全桥的不在主桥式支路中的半导体开关断开。
本发明的优点
本发明所基于的认识在于：在电机的所有安全运行状态下使逆变器中的中间电路电容器放电是值得期望的。本发明所基于的认识尤其在于：即使在作为安全状态的空转时也需要逆变器中的中间电路电容器。
因而，本发明的想法是：将该认识考虑在内并且在空转模式下也能够实现对中间电路电容器的尽可能高效的放电。经此，在作为安全运行状态的空转下也可以遵守必要的安全标准。在此，必要时可以保持空转作为安全运行状态，而不必执行变换到主动短路。因此，通过在空转模式下使中间电路电容器放电，不强制必需主动短路。因此，例如也可以减少逆变器以及所连接的电机由于主动短路而引起的发热。
此外，例如在使用异步电机时也许不容许主动短路，因为在这种情况下可能出现很高的定子电流并且还构造出大的制动转矩。
因此，本发明能够在至少部分地流出或消磁的异步电机的整个转速范围内也实现对中间电路电容器的高效的放电。
按照一个实施方式，对主桥式支路中的第二半导体开关进行时控包括：对第二半导体开关的短暂的激励。然而，在这种情况下，第二半导体开关没有完全切换为导电。在此，用于激励第二半导体开关的激励信号被选择得短，使得半导体只是短暂地处在截止状态与导通状态之间的过渡状态。在该时间期间，来自中间电路电容器的能量可以流经半导体开关并且在此被转换成热量。这能够实现中间电路电容器中的电压的快速并且高效的降低。
按照一个实施方式，该逆变器装置的控制装置被设计为：如果经过相对应的半导体开关的电流超过预先确定的极限值，则将全桥的不在主桥式支路中的半导体开关断开。而如果半导体开关中的电流低于预先给定的极限值，则电机的在此出现的转矩可以被忽略并且不需要将相对应的半导体开关断开。
按照一个实施方式，全桥的每个桥式支路都包括电压传感器。该电压传感器被设计为：检测相应的桥式支路的相对应的节点与参考电位之间的电压。通过分析节点与参考电位之间所探测到的电压，可以分别以简单的方式将桥式支路分配到主桥式支路。
按照一个实施方式，主桥式支路基于如下电机的转子方位来确定，该电机能与该逆变器装置电耦合。通过分析电机的转子方位，可以在没有附加的传感装置、诸如电压测量装置的情况下，将桥式支路简单地分配到主桥式支路。
按照电驱动系统的一个实施方式，该电机包括永磁体同步电机。因此，即使在永磁体同步电机低于预先给定的磁极转子电压的情况下，在空转下借助于该逆变器装置使中间电路电容器放电也是可能的。
按照一个实施方式，该逆变器装置的控制装置被设计为：如果电机、尤其是永磁体同步电机中的磁极转子电压超过预先确定的极限值，则在全桥中设置主动短路。例如，该极限值可以被设置到
的商的值。
按照另一实施方式，该电机可包括异步电机。尤其是在异步电机的情况下，不容许主动短路作为安全运行状态，因为在此出现很高的定子电流并且构造出很大的制动转矩。然而可能的是：即使在异步电机的情况下，在相对应地降低磁通或形成磁场的定子电流之后也可以变换到主动短路。
只要有意义，上面的设计方案和扩展方案就可以彼此任意地组合。本发明的其它设计方案、扩展方案、实现方案也包括本发明的之前或者在下文关于实施例所描述的特征的没有明确提到的组合。在此，本领域技术人员尤其是也将把单个方面作为改善方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式。
附图说明
随后，本发明依据在附图的示意图中说明的示例进一步予以阐述。在此：
图1示出了按照一个实施方式的具有逆变器装置的电驱动系统的示意图；
图2示出了电驱动系统的相电压的电压变化过程的示意图；
图3示出了按照一个实施方式的电驱动系统中的电压变化过程的示意图；
图4示出了按照一个实施方式的电驱动系统的相电压的电压变化过程的示意图；而
图5示出了如按照一个实施方式的用于使中间电路电容器放电的方法所基于的那样的流程图的示意图。
具体实施方式
在所有附图中，只要不另作说明，相同或功能相同的元件和装置就配备有相同的附图标记。
图1示出了按照一个实施方式的具有逆变器装置2的电驱动系统的示意图。该逆变器装置2包括全桥电路，该全桥电路具有多个桥式支路20-i。这里示出的数目为三个桥式支路在此只是示例性的实施方式。然而，该逆变器装置在此并不限于具有正好三个桥式支路的全桥电路。更确切地说，具有两个、四个、五个、六个或任意其它数目个桥式支路的全桥电路都是可设想的。每个桥式支路20-i都包括第一半导体开关21-i和第二半导体开关22-i。在此，第一半导体开关21-i和第二半导体开关22-i分别在节点23-i上彼此连接。在这里示出的实施例中，第一半导体开关21-i是上方的半导体开关（高压侧开关），而第二半导体开关22-i是下方的半导体开关（低压侧开关）。然而，替选地，也同样可能的是：上方的半导体开关被称作第二半导体开关而下方的半导体开关被称作第一半导体开关。在此，与每个半导体开关21-i和22-i并联地可以分别设置二极管Di。半导体开关例如可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。但是，此外金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）或者其它半导体开关也同样是可能的。
在此，所有桥式支路20-i都在连接端上与中间电路电容器10的连接端电连接。桥式支路20-i的其它连接端与中间电路电容器10的另一连接端电连接。桥式支路20-i的节点23-i可以与电机3的相连接端电连接。中间电路电容器10以及因此逆变器装置2可以由直流电压源1、诸如电动车辆或混合动力车辆的牵引电池组或者类似的来馈电。在直流电压源1与中间电路电容器10之间可以设置隔离开关，用于使直流电压源1与中间电路电容器10之间的电连接中断。在此，全桥的半导体开关21-i和22-i由控制装置30来激励。
在此，该控制装置30可以在正常的运行模式下激励半导体开关21-i和22-i，以便在电机3上设置所希望的转矩。此外，例如在危险情况或者类似的情况下，可以使电机3达到安全运行状态。在此，中间电路电容器10也可以被放电。
例如可以选择主动短路作为安全运行状态。在主动短路的情况下，所有上方的半导体开关、例如第一半导体开关21-i闭合，或者替选地，所有下方的半导体开关、例如所有第二半导体开关22-i闭合。然而，替选地，也可以选择空转作为安全运行状态，其中在电机3的各个相连接端之间不存在电连接。例如，为此可以将全桥的所有半导体开关21-i和22-i断开。为了还使中间电路电容器10放电，在全桥的桥式支路20-i中可以将半导体开关闭合，而通过同一桥式支路20-i的另一半导体开关来进行时控。时控在此被理解为：通过控制装置30的激励信号短暂地激励半导体开关，其中该激励信号的脉冲长度被选择得短，使得相对应的半导体开关21-i或22-i没有完全切换为导电。更确切地说，半导体开关21-i或22-i只是短暂地过渡到截止状态与导通状态之间的过渡状态。在这时，来自中间电路电容器10的能量可以在相应的半导体开关21-i或22-i中被转换成热量，由此中间电路电容器10的能量迅速并且有效地被降低。
如果在逆变器2中全桥的所有半导体开关21-i和22-i都断开，则在电机3的相支路中构造出电压系统U1、U2、U3，该电压系统可以在所连接的直流电压源1的正电位与负电位之间自由移动，如这例如在图2中示意性地示出的那样。
图3示出了三相系统的电压变化过程的示意图，其中在时间段I期间通过第一桥式支路20-1进行时控。在此，在时间段I开始时，通过控制装置30确定：在节点23-1上的相电压U1小于在节点23-2和23-3上的相电压U2和U3。因而，通过控制装置30来选择第一桥式支路20-1用于进行时控。为此，该控制装置30将下方的半导体开关22-1闭合。经此，三相系统现在不再是在中间电路电压的电位之间浮动，而是通过导通的开关22-1相对中间电路的负电位固定。在此，在电机3的各个导体之间的电压仍与在空转下一样大。没有电流被注入到电机3中。紧接着，通过第一桥式支路20-1的上方的半导体开关21-1来进行时控。经此，来自中间电路电容器10的电能可以在半导体开关21-1中被转化成热量。
在时间段I结束时，在第二桥式支路20-2的节点23-2上的相电压U2降低到在第一桥式支路20-1的第一节点23-1上的相电压U1、U3之下。因而，结束在第一桥式支路20-1中的时控并且将在第一桥式支路20-1中闭合的半导体开关22-1断开。
紧接着，通过在第二桥式支路20-2中的时控来继续使中间电路电容器10放电，因为现在在第二桥式支路20-2的第二节点23-2上的电压低于在第一桥式支路20-1或第三桥式支路20-3的节点23-1和23-3上的相电压。
如果将之前描述的针对全部三个相的做法结合，则获得相电压的信号变化过程，如其在图4中示出的那样。如在此能看出的那样，在三相系统中分别在120°之后变换桥式支路20-i，在该桥式支路中，通过相对应的桥式支路20-i的半导体开关来进行时控。
在此，例如可以通过测量在节点23-i上的相电压U1、U2、U3来选择相对应的桥式支路20-i用于进行时控。例如，为此可以使用适当的电压传感器。
附加地或替选地，也可能的是：分别基于电机3中的转子的方位来确定用于进行时控的桥式支路20-i。为此，可以借助于任意的用于确定转子方位的方法来确定电机3的转子方位。
在上面描述的实施例中，已分别将下方的半导体开关22-i闭合并且通过相应的桥式支路20-i的相对应的上方的半导体开关21-i来进行时控。此外，同样可能的是：分别将上方的半导体开关21-i闭合并且通过相应的桥式支路20-i的相对应的下方的半导体开关22-i来进行时控。也同样可能的是：通过上方的和下方的半导体开关21-i或22-i分别交替地执行时控。以这种方式，可以使在中间电路电容器10放电时形成的热量均匀地分布到桥式支路20-i的两个半导体开关21-i或22-i上。必要时，也可以借助于温度传感器分别通过具有更低的温度的那个半导体开关21-i或22-i来进行时控。
此外，任意的其它标准也是可能的，以便确定用于进行时控的半导体开关21-i或22-i。
电机3例如可以是永磁体同步电机或者也可以是异步电机。在此，尤其是在永磁体同步电机的情况下，只要磁极转子电压的幅值、也就是说在电机的导体与星形之间的电压小于
的商，就也可以选择空转作为安全状态。如果磁极转子电压的幅值超过该电压值或者替选的预先给定的电压值，则该逆变器装置2也可以被切换到主动短路。在此，或者将所有上方的半导体开关21-i闭合或者将所有下方的半导体开关22-i闭合。
图5示出了如用于使逆变器装置2中的中间电路电容器10放电的方法所基于的那样的流程图的示意图。该逆变器装置2例如可以是之前描述的具有全桥电路的逆变器装置2，该全桥电路具有多个桥式支路20-i。在此，在第一步骤S1中，首先确定主桥式支路。在此，主桥式支路是在节点23-i与参考电位之间的相电压最小的桥式支路。于是，在步骤S2中将主桥式支路的第一半导体开关闭合，而在步骤S3中对主桥式支路的第二半导体开关进行时控。如之前已经描述的那样，第一半导体开关在此不仅可以是桥式支路20-i的上方的半导体开关21-i而且可以是桥式支路20-i的下方的半导体开关22-i。在此，分别通过该桥式支路20-i的另一半导体开关进行时控。此外，在步骤S4中，将全桥的不在主桥式支路中的半导体开关21-i或22-i断开。以这种方式，连接到逆变器2上的电机3可以在作为安全状态的空转下运行，而通过对半导体开关进行时控可以使逆变器装置2的中间电路电容器10放电。
概况来说，本发明涉及使逆变器装置中的中间电路电容器放电，而连接到逆变器上的电机可以在作为安全状态的空转下运行。通过对在逆变器之内的半导体开关进行时控来实现对中间电路电容器的放电。在此，分别选择逆变器的如下那个桥式支路用于进行时控，该桥式支路的相电压最小。
Claims (10)
1.一种逆变器装置（2），其具有：
全桥电路，所述全桥电路具有多个桥式支路（20-i），其中每个桥式支路（20-i）都包括第一半导体开关（21-i）和第二半导体开关（22-i），所述第一半导体开关和第二半导体开关分别在节点（23-i）上彼此连接；
控制装置（30），所述控制装置被设计为：确定在所述桥式支路（20-i）的相应的节点（23-i）与参考电位之间的相电压最小的主桥式支路，
将在所述桥式支路（20-i）的相应的节点（23-i）与参考电位之间具有最小相电压的所述主桥式支路的第一半导体开关（21-i）闭合，
对所述主桥式支路的第二半导体开关（22-i）进行时控，而且
将全桥的不在所述主桥式支路中的半导体开关（21-i、22-i）断开。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置（2），其中对所述主桥式支路中的第二半导体开关（22-i）的时控包括对所述第二半导体开关（22-i）的短暂的激励，而且所述第二半导体开关（22-i）在此没有完全切换为导电。
3.根据权利要求1所述的逆变器装置（2），其中所述控制装置（30）被设计为：如果经过相对应的半导体开关（21-i、22-i）的电流超过预先确定的极限值，则将所述全桥的不在所述主桥式支路中的半导体开关（21-i、22-i）断开。
4.根据权利要求1至3之一所述的逆变器装置（2），其中所述全桥的每个桥式支路（20-i）都包括电压传感器，所述电压传感器检测在相应的桥式支路（20-i）的节点（23-i）与所述参考电位之间的电压。
5.根据权利要求1至3之一所述的逆变器装置（2），其中所述主桥式支路基于如下电机（3）的转子方位来确定，所述电机能与所述逆变器装置（2）电耦合。
6.一种电驱动系统，其具有：
根据权利要求1至5之一所述的逆变器装置（2）；
中间电路电容器（10），所述中间电路电容器与所述逆变器装置（2）的输入连接端电耦合；和
电机（3），所述电机具有多个相连接端，其中所述电机（3）的每个相连接端都分别与全桥的桥式支路（20-i）的节点（23-i）电耦合。
7.根据权利要求6所述的电驱动系统，其中所述电机（3）包括永磁体同步电机。
8.根据权利要求6或7所述的电驱动系统，其中控制装置（30）被设计为：如果在所述电机（3）中的磁极转子电压超过预先确定的极限值，则在所述全桥中设置主动短路。
9.根据权利要求6所述的电驱动系统，其中所述电机（3）包括异步电机。
10.一种用于使具有全桥电路的逆变器装置（2）中的中间电路电容器（10）放电的方法，所述全桥电路包括多个桥式支路（20-i），而且每个桥式支路（20-i）都包括第一半导体开关（21-i）和第二半导体开关（22-i），所述第一半导体开关和第二半导体开关分别在节点（23-i）上彼此连接，所述方法具有如下步骤：
确定（S1）在所述桥式支路（20-i）的相应的节点（23-i）与参考电位之间的相电压最小的主桥式支路；
将在所述桥式支路（20-i）的相应的节点（23-i）与参考电位之间具有最小相电压的所述主桥式支路的第一半导体开关（21-i）闭合（S2）；
对所述主桥式支路的第二半导体开关（22-i）进行时控（S3）；而且
将全桥的不在所述主桥式支路中的半导体开关（21-i、22-i）断开（S4）。
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