CN110574265A - 用于操控整流器的方法、用于整流器的控制设备和整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对电整流器的脉宽调制的操控的时钟频率的变化。在此情况下，可以在待输出的交变电流的电气周期的角范围内有针对性地降低时钟频率。通过在该电气周期的预先确定的角范围期间有针对性地降低时钟频率，可以进行对在该整流器中的开关元件的负载的适配。由此例如可能的是，适配在整流器中的热负载或温度分布。

Description

用于操控整流器的方法、用于整流器的控制设备和整流器

技术领域

本发明涉及一种用于操控整流器的方法、用于整流器的控制设备和整流器。本发明尤其涉及对整流器的操控，以用于优化整流器中的温度分布。

背景技术

出版物DE 10 2007 018 829 A1公开一种用于操控功率开关单元的设备和方法。为了保护功率开关单元免遭热超载，功率开关单元的温度基准参量（Temperaturrichtgröße ）被提高，根据温度基准参量的时间上的变化过程，在功率开关单元的运行阶段期间确定温度偏移（Temperaturhub）并且接下来这样限制功率开关单元的损耗功率，使得温度行程并不超出预给定的极限值。

在电驱动系统中，通常由上游接通的整流器来给电机馈送电能量。这样的整流器包括多个半导体开关元件，借助这些半导体开关元件能够调整用于所连接的电机的电流和/或电压。在此情况下，开关元件例如借助脉宽调制方法来被操控。常见的调制方法例如是空间向量调制、正弦调制、平顶或平底。通常，在此在正常运行中所有开关元件被均匀地操控。在运行期间在此应注意，针对开关元件的负载的、诸如最大温度等的预给定的极限值不被超出。

发明内容

本发明公开一种具有专利权利要求1的特征的用于操控整流器的方法、具有专利权利要求6的特征的用于整流器的控制设备和具有专利权利要求9的特征的整流器。

与此相对地设置：

用于操控多相的脉宽调制的电整流器的方法。该方法包括用于在电气周期的第一角范围内以预先确定的第一时钟频率来操控整流器的步骤，和用于在所述电气周期的第二角范围内以预先确定的第二时钟频率来操控整流器的步骤。所述电气周期的第一角范围和第二角范围可以在此情况下尤其包括由整流器待输出的交变电流的电气周期的部分范围。

此外设置：

用于多相脉宽调制的电整流器的控制设备。该控制设备包括控制装置。该控制装置被设计用于，提供用于以脉宽调制的方式操控整流器的控制信号。尤其是，该控制装置被设计用于，在电气周期的第一角范围内根据预先确定的第一时钟频率来提供操控信号并且在电气周期的第二角范围内根据预先确定的第二时钟频率来提供操控信号。所述电气周期的第一角范围和第二角范围在此情况下可以尤其包括由整流器待输出的交变电流的电气周期的部分范围。

另外设置：

具有多个半桥和根据本发明的控制设备的整流器。整流器的半桥其中的每个包括：第一开关元件和第二开关元件。该控制装置被设计用于，以所提供的控制信号来操控这些半桥的第一开关元件和第二开关元件。

本发明的优点：

本发明基于以下认识：针对整流器的这些器件、尤其是针对在此所使用的开关元件分别存在如下极限值，这些极限值在运行期间不允许被超出。这些极限值尤其是也包括最大运行温度或所述运行温度的最大容许的上升。在此情况下，可以例如评估运行温度的绝对上升或相对上升。此外，作为极限值也可以评估温度差，例如在整流器的器件（例如开关元件）和相邻器件、诸如冷却装置或冷却介质之间的温度差，其中该温度差尽可能地并不应超出预给定的极限值。尽管如此，如果最大运行温度或最大温度差被超出，则存在如下风险：相应的构件被损坏或毁坏，或者至少出现提前老化。如果处于最大运行温度范围内的温度在整流器的开关元件之一处被达到或者必要时甚至被超出，则通常必须减小整流器的功率，以便避免毁坏或提前老化。由于整流器的和所连接的冷却系统的构造，必要时在各个开关元件中可能发生非常不同的加热。如果开关元件其中至少之一达到或者可能超出预给定的最大运行温度，那么为了保护开关元件和整个整流器在此必须已经减小整流器的功率。

因此，本发明的思想是：考虑到该认识并且创建对于整流器的操控，其中在各个组件中、尤其是整流器的开关元件中能够均衡温度发展（Temperaturentwicklung）。以这种方式，可以抵抗在整流器中的开关元件的不均匀的温度分布。例如，可以通过对各个开关元件的适合的操控来抵抗在一个或多个开关元件处的局部温度上升。以这种方式，整流器可以在更宽范围期间以最大功率被运行。此外，也可以由此考虑一个或多个开关元件的提前老化，使得可能更强烈地耗费的或者已经提前老化的开关元件以更节省的运行模式、例如以更低运行温度来被运行。

通过在电整流器中接通或关断开关元件而产生开关损耗。因此，以高时钟频率来对整流器的以脉宽调制的方式的操控导致频繁接通和关断各个开关元件，这后来也导致开关损耗。这种高开关损耗又引起相应开关元件的强烈加热。另一方面，可以在以脉宽调制的方式操控整流器的情况下通过高时钟率非常精确地调整待输出的电流或待输出的电压。

通过在待输出的交变电流或待输出的交变电压的周期之内针对整流器中的开关元件的以脉宽调制的方式的操控来适配时钟频率因此可能的是，一方面针对待输出的交变电流或待输出的交变电压来非常精确地调整电流或电压变化过程。此外，通过针对在待输出的交变电流或待输出的交变电压的周期的预给定的角范围内的以脉宽调制的方式的操控来有针对性地降低时钟频率，可以有针对性地抵抗在整流器中的一个或多个开关元件处的局部温度升高。以这种方式，可以有针对地与预给定的框架条件相应地调整整流器中的温度分布。例如，可以针对在整流器中的所有开关元件实现尽可能均匀的温度分布。可替代地也可能的是，有意地在一个或多个开关元件处调整出更小的温度。因此，可以例如考虑各个开关元件的不均匀的老化或提前损坏。

根据一种实施方式，用于操控整流器的所述方法包括：用于检测在整流器中的温度分布和/或温度的步骤，以及用于根据在整流器中的所确定的温度分布和/或所确定的温度来调整电气周期的第一角范围和第二角范围的步骤。以这种方式，所述操控、尤其是在各个角范围内时钟频率的适配可以有针对性地适配于在该整流器中的温度分布或温度。

根据一种实施方式，第一时钟频率是第二时钟频率的整数多倍。例如，第一时钟频率被选择为第二时钟频率的双倍大小。通过在第一时钟频率和第二时钟频率之间的整数比例，相应的时钟频率可以特别简单地被从彼此导出。

根据一种实施方式，用于检测温度和/或温度分布的步骤包括：以传感方式检测整流器中的至少一个温度。尤其也可能的是，以传感方式检测每个半桥的温度或者在所述整流器的每个开关元件处的温度。以这种方式，可以实现：精确地确定在整流器中的温度分布或温度。

根据一种实施方式，对在整流器中的温度分布和/或温度的检测包括：计算温度和/或温度分布。通过计算整流器中的温度分布或温度，可以减小硬件耗费、尤其是必需的温度传感器的耗费。这导致进一步的成本减小。尤其是，可以根据之前限定的模型来计算整流器中的温度分布和/或温度。

根据所述控制设备的一种实施方式，该控制设备包括温度确定装置。该温度确定装置被设计用于，确定在整流器中的温度和/或温度。所述控制设备的控制装置被设计用于，根据所确定的温度和/或所确定的温度分布来调整第一角范围和第二角范围。以这种方式，在各个角范围内的时钟频率可以有针对性地适配于整流器中的温度分布或温度。

根据一种实施方式，该控制设备包括温度传感器。该温度传感器被设计用于，检测在整流器中的至少一个温度。尤其是，该温度传感器也可以单独地检测半桥的各个整流器处或者各个半桥中的温度。温度确定装置在此情况下被设计用于，在使用通过温度传感器所检测的温度的情况下确定整流器中的温度分布和/或温度。

只要是有意义的，以上构型方案和扩展方案能够任意地彼此相结合。本发明的其他构型方案、扩展方案和实施方案也包括没有详尽地提及的、之前的或下文中关于实施例所描述的本发明特征的组合。尤其是，本领域技术人员在此也会将单个方面作为改善方案和补充方案来添加至本发明的相应基本形式。

附图说明

接下来根据附图的示意图中所说明的实施例来进一步阐述本发明。在此，其中：

图1示出了根据一种实施方式的具有整流器的电驱动系统的示意图；

图2示出了三相整流器的电流的示意图；

图3示出了根据一种实施方式的时钟频率的适配的示意图；和

图4示出了如根据一种实施方式的用于操控多相整流器的方法所基于的那样的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据一种实施方式的具有整流器1的电驱动系统的示意图。整流器在输入侧由电能量源2来馈电。例如，所述电能量源2可以是电池组，尤其例如是电动车辆或混合动力车辆的牵引用电池组。在输出侧，整流器与电机3电耦合。该整流器由输入侧所提供的电压、在此例如直流电压来生成多相交变电压并且将所述多相交变电压在输出侧提供用于电机3。利用在此示出的实施例以及接下来的描述，借助三相交变电压来操控电机3。然而，本发明并不限于三相交变电压。此外，整流器1也可以提供任意的多相交变电压，尤其是具有多于三个相的交变电压，以便操控电机3。

整流器1在此示例中包括三个半桥11、12、13，所述半桥分别具有上开关元件M1至M3，并且分别具有下开关元件M4至M6。在此由控制设备4借助适合的控制信号来操控整流器1的这些开关元件M1至M6，以便由输入电压来产生所需的多相输出电压并且由此外加多相交变电流。为此，例如可以由控制设备4借助脉宽调制的信号来操控半桥11至13的各个开关元件M1至M6。在常规的运行模式中，半桥11至13的所述各个开关元件M1至M6在此通常均匀地被操控，使得在输出侧提供三相交变电压或三相交变电流。

在整流器1的运行期间，各个组件、尤其是开关元件M1至M6将变热。为了将在此出现的热量导出，整流器1可以例如经由冷却设备（在此未示出）来从开关元件M1至M6导出热能量。为此，可以例如将空气或冷却液使用作为冷却介质。在冷却介质在各个开关元件M1至M6处流过期间，冷却介质变热。如果冷却介质例如首先在第一半桥11的开关元件M1和M4处流过并且接下来在第二半桥12的开关元件M2和M5处流过以及最终在第三半桥13的开关元件M3和M6处流过，则这可能导致：第一半桥11 的开关元件M1和M4比其他开关元件M2、M3、M5和M6更强烈地被冷却。这可以导致：较不强烈地被冷却的开关元件、尤其是第三半桥13的开关元件M3和M6更强烈地变热。所述控制设备4可以在此根据各个半桥11至13的或各个开关元件M1至M6的温度在通过整流器1待输出的交变电压期间来适配用于以脉宽调制的方式操控开关元件M1至M6的时钟频率。因此，在以脉宽调制的方式操控的情况下更高的时钟频率导致更大数目的接通和关断过程并且与之相关联地也导致更高的开关损耗。通过在以脉宽调制的方式操控整流器1期间降低时钟频率，因此发生更小的开关损耗。在此，更小的开关损耗也意味着更小的热学上的加热。

控制设备4可以确定整流器中的温度分布，尤其是确定在各个半桥11至13中或在各个开关元件M1至M6处的温度。对整流器1中的温度和/或温度分布的确定可以例如借助控制设备4的温度确定装置16来进行。为此，例如可以借助一个或多个温度传感器17来检测整流器1中的温度或者单独地检测各个半桥11至13中或开关元件M1至M6处的温度。所述被检测的温度可以借助温度确定装置16来被评估，以便例如推断出在整流器1中的有差别的温度分布。尤其是，可以例如确定：在整流器1中的温度在半桥11至13中或者在所述开关元件M1至M6其中至少之一处是否接近于最大容许的运行温度或者是否可能甚至超出所述最大容许的运行温度。另外还可能的是，例如监控在整流器1、尤其是一方面在所述半桥11至13其中至少之一中或者在所述开关元件M1至M6其中至少之一处与在所述整流器处的其他温度或者在所述整流器1的周围环境中的其他温度之间的温度差。必要时，可以在此也基于这种温度差来适配：针对整流器1的以脉宽调制的方式的操控来对时钟频率进行的接下来所描述的适配。

除了在整流器1中的温度的以传感方式的检测以外，此外也可能的是：在使用模型的情况下计算整流器1中的温度分布或者整流器1中的温度。为此，可以必要时将以传感方式检测的温度值一并包含到计算模型中。另外也可能的是：将其他测量值或者必要时也将额定值预给定值、例如整流器1中的电流的额定值预给定值一并包含到对整流器1中的温度分布或温度的计算中。

图2示出对于三相逆变器的相电流的电流-时间图表的示意图。电流的这三个相分别具有正弦形的电流变化过程，其中各个相分别相对彼此偏移120°。具有三相交变电压与电流I1、I2和I3的在此所示出的实施例在此仅仅有助于更好的理解并且并不应表示：将本发明限制为恰好三个相。此外，任意的其他整流器、尤其是具有不等于三个的数目的相位的逆变器也是可能的。

如果在整流器1中、例如在三个半桥11-13之一中的热负载应相对于其他半桥11-13而言被减小，则可以在其中相应的半桥会导致特别高的电流的那些角范围内降低用于以脉宽调制的方式的操控的时钟频率。例如，在预给定的角范围内以脉宽调制的方式的操控的时钟频率可以在通过要减轻负载的半桥的电流的最大值之前和/或之后被降低。如果，在此，在电流的最大值之前和之后分别有相同大小的角范围在时钟频率方面被降低，则剩余两个半桥分别同样强烈地被负载。通过关于电流的最大值来不对称地降低时钟频率，可以此外也实现其余两个相的不对称负载。

在图2中，因此可以例如实现对开关元件M3和M6减轻负载，其方式为：用II标出的范围以更低时钟频率来被操控，而用I标出的范围则以更高时钟频率被操控。

例如，可以通过用整数因数来除以范围I中的时钟频率来生成用于范围II的时钟频率。因此，可以例如借助相应的分频器以简单的方式由用于范围I的时钟频率来生成用于范围II的更低的时钟频率。尤其是，可以例如通过对时钟频率简单二等分来非常简单地由用于范围I的时钟频率生成用于范围II的时钟频率。此外，显而易见地用于产生用于范围I和II的各个时钟频率的任意其他可能性也是可能的。尤其是，并不强制性地需要使范围I的时钟频率是用于范围II的时钟频率的整数多倍。

另外也并不强制性地需要使在其中在上半波期间时钟频率被降低的角范围相应于在其中在下半波期间时钟频率被降低的角范围。原则上也可能的是，使初始的时钟频率和经降低的时钟频率之间的比例和/或角范围对于上半波和下半波是不同的。这例如在图3中示出。

图3示出在由整流器1输送至电机3的交变电流的电气周期期间的时钟频率的图表的示意图。在此情况下，为了更好观察，仅仅示出一个电气相的电流I1。如在图3中应看出的，在此在上半波期间在范围IIa内进行：将初始时钟频率降低到所述初始时钟频率的一半。例如，时钟频率从初始10kHz降低为5kHz。此外，显然也可能的是任意的其他时钟频率。在接下来的变化过程中，在电流I1的下半波期间，在角范围IIb内，从电流I1的最小值不久之前至电流I1的最小值的不久之后，时钟频率被降低为初始时钟频率的三分之一。通过时钟频率的更强烈的降低，在此可以也对相应的开关元件M1至M6进行更强烈的减轻负载。

此外在图3中同样应看出，在其中在上半波期间期时钟频率被降低的角范围IIa比在其中时钟频率在下半波期间被降低的角范围IIb更大。在此，对于其中时钟频率被降低的这些范围IIa和IIb的不同的角范围的组合以及时钟频率的不同降低也仅仅有助于更好观察。原则上也可能的是，在其中时钟频率被降低的角范围的仅仅长度或仅仅时钟频率针对上半波和下半波来单独地被适配。

图4示出如根据一种实施方式的用于操控脉宽调制的电整流器1的方法所基于的那样的流程图的示意图。在步骤S1中，在此在电气周期的第一角范围内以预先确定的第一时钟频率来操控整流器。在步骤S2中，在该电气周期的第二角范围内以预先确定的第二时钟频率来操控整流器。尤其是，预先确定的第二时钟频率小于预先确定的第一时钟频率。在步骤S3中，可以检测整流器1中的温度分布和/或温度。接下来，在步骤S4中，该电气周期的第一角范围和/或第二角范围可以根据在该整流器中的所确定的温度分布和/或所确定的温度来被调整。此外，对于在此所描述的方法也适用于与之前所描述的整流器1相关联的全部实施方案。

概括而言，本发明涉及针对电整流器的脉宽调制的操控的时钟频率的变化。在此情况下，可以在待输出的交变电流的电气周期的角范围内有针对性地降低时钟频率。通过在该电气周期的预先确定的角范围期间有针对性地降低时钟频率，可以进行对在该整流器中的开关元件的负载的适配。由此例如可能的是，适配在整流器中的热负载或温度分布。

Claims (9)

1.用于操控以脉宽调制的电整流器（1）的方法，所述方法具有以下步骤：

在由所述整流器（1）待输出的电流的电气周期的第一角范围（I）内以预先确定的第一时钟频率来操控（S1）所述整流器（1）；和

在由所述整流器（1）待输出的电流的所述电气周期的第二角范围（II）内以预先确定的第二时钟频率来操控（S2）所述整流器（1）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法具有以下步骤：

检测（S3）在所述整流器（1）中的温度分布和/或温度;和

根据在所述整流器（1）中的所确定的温度分布和/或所确定的温度来调整（S4）所述第一角范围（1）和所述第二角范围（II）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一时钟频率是所述第二时钟频率的整数多倍。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中对所述温度和/或所述温度分布的所述检测（S3）包括：以传感方式检测所述整流器（1）中的至少一个温度。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中对所述温度和/或所述温度分布的所述检测（S3）包括：计算温度和/或温度分布。

6.用于脉宽调制的电整流器（1）的控制设备（4），其中所述控制设备具有：

控制装置，所述控制装置被设计用于，提供用于以脉宽调制的方式操控所述整流器（1）的控制信号，其中所述控制装置被设计用于，在由所述整流器（1）待输出的电流的电气周期的第一角范围（I）内根据预先确定的第一时钟频率来提供操控信号，并且在由所述整流器（1）待输出的电流的所述电气周期的第二角范围（II）内根据预先确定的第二时钟频率来提供所述操控信号。

7.根据权利要求6所述的控制设备（4），其中所述控制设备具有：

温度确定装置（16），所述温度确定装置被设计用于，确定在所述整流器（1）中的温度分布和/或温度；

其中所述控制装置被设计用于，根据所确定的所述温度和/或所述温度分布来调整所述第一角范围（I）和所述第二角范围（II）。

8.根据权利要求7所述的控制设备（4），其中所述控制设备具有温度传感器（17），所述温度传感器被设计用于，检测所述整流器（1）中的温度，

其中所述温度确定装置（16）被设计用于，在使用所检测的温度的情况下确定所述整流器中的所述温度分布和/或所述温度。

9.电整流器（1），其中所述电整流器具有：多个半桥（11-13）和根据权利要求6至8中任一项所述的控制设备（4），其中所述多个半桥分别包括：第一开关元件（M1至M3）和第二开关元件（M4至M6），其中所述控制设备（4）被设计用于，以所提供的控制信号来操控所述半桥（11-13）的所述第一开关元件（M1至M3）和所述第二开关元件（M4至M6）。