DE102007018829A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit Download PDF

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Abstract

Zum Schutz einer Leistungsschaltereinheit (19) gegen thermische Überbelastung werden ein Verfahren zur Ansteuerung der Leistungsschaltereinheit (19) sowie eine zur Verfahrensdurchführung geeignete Vorrichtung angegeben. Verfahrensmäßig wird eine Temperaturrichtgröße (T) der Leistungsschaltereinheit (19) erhoben, anhand des zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße (T) ein Temperaturhub (DeltaT) während einer Belastungsphase (B) der Leistungsschaltereinheit (19) bestimmt und die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit (19) derart limitiert, dass der Temperaturhub (DeltaT) einen vorgegebenen Grenzwert (DeltaT<SUB>max</SUB>) nicht überschreitet. Die Vorrichtung umfasst eine schaltungs- und/oder programmtechnisch zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Steuereinheit (4).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Als Leistungsschalter wird allgemein eine Vorrichtung zum Schalten vergleichsweise starker elektrischer Ströme, insbesondere in einem Spannungsbereich bis etwa 1 kV, bezeichnet. Ein solcher Leistungsschalter ist insbesondere in Form eines elektronischen Halbleiterbauteils, z. B. als IGBT oder MOSFET, ausgebildet, und wird zum Beispiel im Rahmen einer so genannten Umrichterschaltung zur elektrischen Versorgung eines Elektromotors eingesetzt. In dieser Anwendung ist jedem Leistungsschalter eine so genannte Freilaufdiode parallelgeschaltet.
  • In der Praxis sind häufig ein oder mehrere Leistungsschalter zusammen mit den zugehörigen Freilaufdioden in einem gemeinsamen Bauteil bzw. Modul (insbesondere DCB-Modul) aufgebaut. Ein solches Bauteil, das einen oder mehrere Leistungsschalter, optional zusammen mit einer oder mehreren Freilaufdioden umfasst, ist im Rahmen dieser Anmeldung als Leistungsschaltereinheit bezeichnet. Im Betrieb wird eine solche Leistungsschaltereinheit infolge elektrischer Verluste durch die fließenden Ströme stark erhitzt und somit thermisch belastet. Diese thermische Belastung beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer der Leistungsschaltereinheit.
  • Um einen vorzeitigen Ausfall einer Leistungsschaltereinheit zu verhindern, wird üblicherweise im Betrieb einer solchen Einheit eine für die thermische Belastung dieser Einheit charakteristische Temperaturrichtgröße erfasst. Die Leistungsschaltereinheit wird hierbei hinsichtlich ihrer Verlustleis tung abgeregelt, wenn die Temperaturmessgröße einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
  • Als Temperaturrichtgröße wird hierbei teilweise eine gemessene Temperatur herangezogen. Alternativ hierzu wird die Temperaturrichtgröße anhand eines thermischen Modells der Leistungsschaltereinheit berechnet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit anzugeben, mit dem sich eine lebensdauerschädigende thermische Belastung der Leistungsschaltereinheit besonders effektiv minimieren lässt bzw. mit dem sich die Belastung der Leistungsschaltereinheit präzise derart einstellen lässt, dass eine geforderte Lebensdauer der Leistungsschaltereinheit erreicht wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine zur Verfahrensdurchführung geeignete Vorrichtung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, im Betrieb der Leistungsschaltereinheit eine für die Temperatur der Leistungsschaltereinheit charakteristische Temperaturrichtgröße zu erheben. Anhand des zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße wird verfahrensgemäß ein Temperaturhub während einer Belastungsphase der Leistungsschaltereinheit bestimmt. Verfahrensgemäß wird weiterhin die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit derart limitiert, dass der Temperaturhub einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
  • Als Belastungsphase wird eine insbesondere etwa in der Größenordnung einer oder mehrerer Sekunden liegenden Zeitspanne bezeichnet, während der die Leistungsschaltereinheit sich aufgrund einer Stromaufnahme erhitzt. Eine solche Belastungsphase liegt beispielsweise bei einer Beschleunigung eines Elektromotors vor. Als Temperaturhub wird dabei die Differenz des Betrags der Temperaturrichtgröße vor und nach der Belastungsphase bezeichnet. Bei einer zyklischen Be- und Ent lastung der Leistungsschalter – wie sie insbesondere im Betrieb eines Elektromotors häufig auftritt – oszilliert die Temperatur der Leistungsschaltereinheit synchron mit dem Lastzyklus, d. h. dem Wechsel der Be- und Entlastungsphasen. Der Temperaturhub ist hierbei insbesondere durch die Amplitude der Temperaturoszillation gegeben.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lebensdauer einer Leistungsschaltereinheit nicht nur von den im Betrieb auftretenden Spitzen-Temperaturen abhängt, sondern in entscheidender Weise auch von dem im Betrieb auftretenden Temperaturunterschieden, mithin also von dem während einer Belastungsphase auftretenden Temperaturhub. So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass eine herkömmliche Leistungsschaltereinheit bei einem Temperaturhub von 40 K und einer maximalen Junction-Temperatur von 150°C ca. eine Million Lastyklen übersteht, wohingegen bei gleicher maximaler Junction-Temperatur, aber einem Temperaturhub von 60 K nur noch ca. 150.000 thermische Zyklen möglich sind. Dabei hat sich weiterhin herausgestellt, dass relativ wenige thermische Zyklen mit hohem Temperaturhub besonders stark zur Alterung der Leistungsschaltereinheit beitragen. Dieser Effekt verstärkt sich zunehmend, je höher die maximale Junction-Temperatur ist.
  • Indem erfindungsgemäß der Temperaturhub bei der Ansteuerung der Leistungsschaltereinheit berücksichtigt wird, kann auf einfach zu realisierende Weise – insbesondere ohne aufwändige konstruktive Maßnahmen – die Belastung der Leistungsschaltereinheit besonders effektiv dahingehend minimiert werden, dass eine Überbelastung der Leistungsschaltereinheit, die zu einer übermäßigen Verkürzung der Lebensdauer führen würde, sicher vermieden wird. Die Belastung der Leistungsschaltereinheit kann also mit anderen Worten dahingehend optimiert werden, dass eine geforderte Lebensdauer der Leistungsschaltereinheit sicher erreicht wird.
  • In einer besonders einfachen Ausführung des Verfahrens ist der Grenzwert des Temperaturhubs als Konstante vorgegeben. In einer verfeinerten Variante des Verfahrens, die eine präzisere Belastungsregelung ermöglicht, ist der Grenzwert als Funktion einer mit dem Temperaturhub korrelierten Bezugstemperatur vorgegeben. Als Bezugstemperatur wird hier wahlweise die untere oder obere Grenztemperatur des Temperaturhubs, ein Temperaturmittelwert des Temperaturhubs, eine zeitlich mit dem Temperaturhub korrelierte Kühlkörpertemperatur oder dergleichen herangezogen.
  • Zusätzlich oder alternativ hierzu ist die Grenztemperatur vorzugsweise in Abhängigkeit weiterer Parameter, die vom Nutzungsverhalten der Leistungsschaltereinheit abhängen, vorgegeben. Als Parameter wird hierbei insbesondere die Anzahl von Lastzyklen der Leistungsschaltereinheit während einer vorgegebenen Zeitspanne erfasst und berücksichtigt.
  • Die verfahrensgemäße Limitierung der Verlustleistung wird insbesondere durch Einstellung einer maximalen Schaltfrequenz, mit welcher die Leistungsschaltereinheit angesteuert wird, eines Maximalwerts für den durch die Leistungsschaltereinheit fließenden Stroms und/oder durch Steuerung einer an der Leistungsschaltereinheit anliegenden Spannung erreicht. Bei einer in einer Umrichterschaltung eingesetzten Leistungsschaltereinheit ist diese Spannung insbesondere durch die Zwischenkreisspannung gegeben.
  • Bei der verfahrensgemäß erhobenen Temperaturrichtgröße handelt es sich optional um eine gemessene Temperatur der Leistungsschaltereinheit. Bevorzugt wird die Temperaturrichtgröße aber anhand eines thermischen Modells der Leistungsschaltereinheit berechnet. Dies ermöglicht insbesondere die Berücksichtigung einer für die thermische Belastung besonders aussagekräftigen Temperatur im Inneren der Leistungsschaltereinheit, insbesondere der sogenannten Junction-Temperatur des Halbleiterübergangs. Diese Temperatur ist aus konstruktiven Gründen messtechnisch nicht direkt zugänglich.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens beschränkt sich die Berechnung der Temperaturrichtgröße nicht auf die Bestimmung der aktuellen, d. h. zum Berechnungszeitpunkt herrschenden Temperatur der Leistungsschaltereinheit. Vielmehr wird anhand des thermischen Modells ein zukünftiger zeitlicher Verlauf der Temperaturrichtgröße prognostiziert, und der Temperaturhub unter Heranziehung dieses zukünftigen zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße vorausberechnet. Hierdurch kann bereits bei drohender Überbelastung die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit abgeregelt werden.
  • Bezüglich einer Steuervorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Danach umfasst die Steuervorrichtung eine insbesondere als Microcontroller oder integrierter Schaltkreis ausgebildete Steuereinheit, die schaltungstechnisch und/oder durch entsprechende Software programmtechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Die Steuereinheit ist hierbei bevorzugt Teil eines elektrischen Antriebs, der einen Elektromotor und einen diesen kommutierenden Umrichter umfasst, wobei der Umrichter mindestens eine Leistungsschaltereinheit im oben genannten Sinne aufweist. Die Steuervorrichtung ist hierbei bevorzugt in die Steuer- und Regelungskomponenten des Antriebs integriert.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung einen elektrischen Antrieb mit einem Elektromotor, mit einem mehrere Leistungsschaltereinheiten umfassenden Umrichter, sowie mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Leistungsschaltereinheiten,
  • 2 in einem schematischen zeitlichen Diagramm den Verlauf einer für die Temperatur einer der Leistungs schaltereinheiten charakteristischen Temperaturrichtgröße,
  • 3 in einem Blockschaltbild ein von der Steuereinheit durchgeführtes Verfahren zur Ansteuerung der Leistungsschaltereinheiten, und
  • 4 in einem elektrischen Ersatzschaltbild ein im Rahmen des Verfahrens verwendetes thermisches Modell zur Berechnung der Temperaturrichtgröße.
  • Einander entsprechende Teile, Größen und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt grob schematisch einen elektrischen Antrieb mit einem (Elektro-)Motor 1 sowie mit einer Steuereinrichtung 2 zur Versorgung des Motors 1 mit einem Antriebsstrom, die einen Umrichter 3 sowie eine Steuereinheit 4 zur Ansteuerung des Umrichters 3 umfasst.
  • Der Motor 1 umfasst einen (in der Darstellung lediglich schematisch angedeuteten) Ständer 5, der mit einer Drehfeldwicklung 6 bewickelt ist. Die Drehfeldwicklung 6 umfasst drei Wicklungsstränge, nachfolgend als Motorphasen L1, L2 und L3 bezeichnet, die in einem Sternpunkt 7 zusammengeschlossen sind. Jede Motorphase L1, L2, L3 ist hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften gekennzeichnet durch eine Induktivität LL1, LL2, LL3, einen ohmschen Widerstand RL1, RL2, RL3 sowie eine induzierte Spannung UL1, UL2, UL3. Die Induktivitäten LL1, LL2, LL3, Widerstände RL1, RL2, RL3 und Spannungen UL1, UL2, UL3 sind in 1 in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes eingetragen.
  • Der Umrichter 3 umfasst einen elektrischen Zwischenkreis 10 mit einer Hochpotentialseite 11 und einer Niederpotentialseite 12, zwischen denen im Betrieb des Motors 1 eine Zwischenkreisspannung UZ angelegt ist.
  • In den Zwischenkreis 10 sind drei Halbbrücken 13a, 13b, 13c zur Speisung jeweils einer Motorphase L1, L2, L3 parallelgeschaltet. Jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c umfasst einen Phasenan schluss 14a, 14b, 14c, an dem die zugehörige Motorphase L1, L2, L3 angeschlossen ist. So ist die Motorphase L1 an dem Phasenanschluss 14a der Halbbrücke 13a, die Motorphase L2 an dem Phasenanschluss 14b der Halbbrücke 13b und die Motorphase L3 an dem Phasenanschluss 14c der Halbbrücke 13c angeschlossen.
  • Zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss 14a, 14b, 14c und der Hochpotentialseite 11 des Zwischenkreises 10 umfasst jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c einen hochpotentialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c, insbesondere in Form eines IGBT. Jedem dieser Leistungsschalter 15a, 15b, 15c ist jeweils eine Freilaufdiode 16a, 16b, 16c parallelgeschaltet.
  • Zwischen den Motoranschluss 14a, 14b, 14c und die Niederpotentialseite 12 des Zwischenkreises 10 ist im Rahmen jeder Halbbrücke 13a, 13b, 13c jeweils ein niederpotentialseitiger Leistungsschalter 17a, 17b, 17c geschaltet, der wiederum insbesondere in Form eines IGBT ausgebildet ist. Auch jeder dieser Leistungsschalter 17a, 17b, 17c wird von einer parallelgeschalteten Freilaufdiode 18a, 18b, 18c flankiert.
  • Jeder Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c ist mit der jeweils zugeordneten Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c in einem gemeinsamen Modul aufgebaut und bildet somit mit der zugeordneten Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c eine Leistungsschaltereinheit 19.
  • Der Umrichter 3 umfasst ferner einen in Parallelschaltung zu den Halbbrücken 13a, 13b, 13c in den Zwischenkreis 10 geschalteten Kondensator 20 zum Ausgleich von Spannungswelligkeiten im Betrieb des Motors 1.
  • Die Steuereinheit 4 ist durch einen Mikrokontroller gebildet oder umfasst zumindest einen solchen. In der Steuereinheit 4 bzw. dem Mikrokontroller derselben sind eine Steuerlogik 21 sowie eine Regelungslogik 22 in Form von Softwaremodulen implementiert.
  • Nach einem gemäß der Steuerlogik 21 durchgeführten Steuerverfahren steuert die Steuereinheit 4 die Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c im Betrieb des Motors 1 durch Abgabe von jeweils zugeordneten Steuersignalen C auf oder zu, um drehfelderzeugende Phasenströme IL1, IL2, IL3 in den Motorphasen L1, L2 und L3 zu erzeugen. Die Phasenströme IL1, IL2, IL3 werden durch Strommesser 23a, 23b, 23c abgegriffen, wobei Messwerte dieser Phasenströme (aus Vereinfachungsgründen ebenfalls als IL1, IL2, IL3 bezeichnet) der Steuereinheit 4 als Eingangsgröße zu Steuer- und Regelungszwecken zugeführt werden.
  • Im Normalbetrieb des Motors 1 regelt die Regelungslogik 22 die Motorleistung nach Maßgabe der Phasenströme IL1, IL2, IL3, indem sie die Phasenströme IL1, IL2, IL3 oder einen hieraus abgeleiteten Stromrichtwert als Ist-Wert mit einem hinterlegten Stromsollwert vergleicht. Nach Maßgabe des Vergleichsergebnisses erzeugt die Regelungslogik 22 ein die Motorleistung bestimmendes Stellsignal und führt dieses der Steuerlogik 21 zu.
  • Die Regelungslogik 22 umfasst des Weiteren einen Algorithmus zum Schutz der Leistungsschaltereinheiten 19 vor thermischer Überbelastung. Das durch diesen Algorithmus durchgeführte Verfahren wird nachfolgend der 2 bis 4 näher beschrieben.
  • 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den zeitlichen Verlauf einer für die thermische Belastung einer der Leistungsschaltereinheiten 19 charakteristischen Temperaturrichtgröße T. Bei dieser Temperaturrichtgröße T handelt es sich insbesondere um die Junction-Temperatur des in der Leistungsschaltereinheit 19 integrierten Leistungsschalters 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c. Aus der Darstellung gemäß 2 ist erkennbar, dass der Wert der Temperaturrichtgröße T zeitlich synchron mit einem so genannten Lastzyklus Z schwankt. Innerhalb des Lastzyklus Z steigt der Wert der Temperaturrichtgröße T während einer Belastungsphase B, während der der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c aufgesteuert ist, an. Während einer darauf folgenden Entlastungsphase E des Lastzyklus Z, während der der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c zugesteuert ist, sinkt die Temperaturrichtgröße T dagegen wieder ab. Die Amplitude dieser Temperaturoszillation, d. h. die Differenz zwischen dem minimalen Betrag der Temperaturrichtgröße T zu Beginn der Belastungsphase B und dem maximalen Betrag der Temperaturrichtgröße T zum Abschluss der Belastungsphase B wird als Temperaturhub ΔT bezeichnet.
  • Verfahrensgemäß berechnet die Regelungslogik 22 gemäß 3 zunächst anhand eines in 4 näher dargestellten thermischen Modells 24 die Temperaturrichtgröße T (Block 25). Als Eingangsgrößen für diese Berechnung zieht die Regelungslogik 22 den der überwachten Leistungsschaltereinheit 19 zugeordneten Phasenstrom ILi (i = 1, 2 oder 3) heran. Durch Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße T bestimmt die Regelungslogik 22 als Bezugstemperatur TB die jeweilige Ausgangstemperatur eines Lastzyklus Z (Block 26). Als Bezugstemperatur TB bzw. Ausgangsgangstemperatur des Lastzyklus wird – wie in 2 angedeutet ist – der einem lokalen Minimum entsprechende Wert der Temperaturrichtgröße T herangezogen.
  • Zur Berechnung des Temperaturhubs ΔT wird die Differenz der Temperaturrichtgröße T und der Bezugstemperatur TB gebildet (Block 27). Der Temperaturhub ΔT wird anschließend von einem Grenzwert ΔTmax abgezogen (Block 28). Die resultierende Differenz Δ wird einem PI(Proportional-Integral)-Regler 29 zugeführt, der die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit 19 reduziert, wenn die Differenz Δ einen positiven Wert einnimmt, wenn also der Temperaturhub ΔT den Grenzwert ΔTmax überschreitet. Zur Regelung der Verlustleistung gibt der Regler 29 eine maximale Schaltfrequenz fmax und/oder einen Maximalstrom Imax vor übermittelt diese Größen an die Steuerlogik 21. Der Regler 29 die maximale Schaltfrequenz fmax und/oder den Maximalstrom Imax, wenn die Differenz Δ einen positiven Wert einnimmt.
  • Ein Begrenzer 30 limitiert die von dem Regler 29 ausgegebenen Stellgrößen, nämlich die Schaltfrequenz fmax und den Maximalstrom Imax, auf ein vorgegebenes Intervall – z. B. [fmax,0; fmax,1] und [Imax,0; Imax,0] und sorgt auf diese Weise dafür, dass die Regelung nicht "wegläuft". Der Regler 29 hält hierbei den Integralanteil des Regelungsalgorithmus fest, solange mindestens eine der Stellgrößen fmax oder Imax einen der Grenzwerte fmax,0, fmax,1 bzw. Imax,0, Imax,0 einnimmt. Die Stellgrößen fmax oder Imax werden hierfür nach Durchlaufen des Begrenzers 30 an den Regler 29 zurückgeführt.
  • Ein einfaches Ausführungsbeispiel für das von der Regelungslogik 22 verwendete Temperaturmodell 24 ist in 4 in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes dargestellt. Das Temperaturmodell 24 beschreibt einen Wärmeleitungspfad innerhalb der Leistungsschaltereinheit 19. Die Wärmeleitung innerhalb des Leistungsschalters 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c ist hierbei durch einen Strompfad 40 modelliert. Die Wärmeleitung innerhalb der zugeordneten Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c ist durch einen hierzu parallelgeschalteten Strompfad 41 modelliert. Die Wärmeleitung in dem gemeinsamen Modul ist durch einen den Strompfaden 40 und 41 gemeinsam in Serie geschalteten Strompfad 42 modelliert. Jede der Strompfade 40, 41 und 42 enthält zwei in Serie geschaltete Tiefpässe 43 mit jeweils einem Widerstand und einem Kondensator in Parallelschaltung. Jeder der Widerstände modelliert hierbei eine Wärmeleitfähigkeit, während jeder der Kondensatoren eine Wärmespeicherfähigkeit modelliert. Das thermische Modell 24 ist bevorzugt als numerische Simulation in der Regelungslogik 22 implementiert. Das Modell 24 könnte alternativ aber auch entsprechend der Darstellung gemäß 4 als physische elektrische Schaltung realisiert sein. Die Widerstände und Kondensatoren der Tiefpässe 43 sind hierbei empirisch oder durch Approximation an ein Finite-Elemente-Modell der Leistungsschaltereinheit 19 festgelegt, so dass das Wärmeleitverhalten der verwendeten Leistungsschaltereinheit 19 bestmöglich angepasst wird.
  • Zur Berechnung der Temperaturrichtgröße T wird durch eine Stromquelle 44 ein (je nach Ausführung des Modells 24 virtueller oder tatsächlicher) elektrischer Strom IS vorgegeben, der einem Wärmeeintrag in den Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c entspricht. Entsprechend wird durch eine Stromquelle 45 ein Strom ID vorgegeben, der einem Wärmeeintrag in die Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c entspricht. Die Ströme IS und ID werden von der Regelungslogik 22 anhand hinterlegter Kennlinien in Abhängigkeit des zugeordneten Phasenstroms ILi berechnet. Um aus dem Phasenstrom ILi die Verlustleistung, und hierüber auf den Wärmeeintrag in den Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c bzw. die Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c ableiten zu können, berücksichtigt die Regelungslogik 22 zusätzlich Information über die Zwischenkreisspannung UZ, den Schaltzustand der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c in der betreffenden Halbbrücke 13a, 13b, 13c sowie Kenndaten der Leistungsschaltereinheit 19, insbesondere die Schaltzeit des Leistungsschalters 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c und die Durchlassspannungen des Leistungsschalters 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c und der Freilaufdiode 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c.
  • Infolge der Ströme IS und ID stellt sich in den Strompfaden 40, 41 und 42 ein elektrisches Spannungsgefälle ein, das einem Temperaturgefälle innerhalb der Leistungsschaltereinheit 19 entspricht. Die Temperaturrichtgröße T wird hierbei anhand einer am Ausgang der Stromquelle 44 anliegenden Spannung UT erfasst. Dabei wird ausgenutzt, dass die Spannung UT bei geeigneter Parametrierung des Modells 24 näherungsweise proportional zu der Junction-Temperatur des Leistungsschalters 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c ist.
  • Mit Kenntnis des thermischen Modells 24 kann vorhergesagt werden, mit welchem Verlustleistungseintrag welcher stationäre Temperaturhub erreicht wird. In einer ersten Verfahrensvariante wird dabei bei in Echtzeit bei Erreichen des zugelassenen Temperaturhubs ΔTmax der Verlustleistungseintrag auf diesen Wert begrenzt. Alternativ hierzu wird bereits im Voraus, d. h. vor Erreichen des zulässigen Temperaturhubs, der Verlustleistungseintrag begrenzt. Der zeitliche Verlauf der Temperaturrichtgröße T und der Temperaturhub ΔT werden hierzu anhand des thermischen Modells 24 unter zeitlicher Extrapolation der Ströme IL und ID bereits für eine vorgegebene zukünftige Zeitspanne prognostiziert, wobei die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit 19 bereits reduziert wird, wenn der für die Zukunft festgestellte Temperaturhub ΔT den Grenzwert ΔTmax überschreitet.
  • Der Grenzwert ΔTmax ist in verfeinerten Varianten des Verfahrens gemäß 3 als Funktion der Bezugstemperatur TB und/oder als Funktion der Anzahl von Lastzyklen Z pro Zeiteinheit vorgegeben.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit (19), – bei dem eine Temperaturrichtgröße (T) der Leistungsschaltereinheit (19) erhoben wird, – bei dem anhand des zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße (T) ein Temperaturhub (ΔT) während einer Belastungsphase (B) der Leistungsschaltereinheit (19) bestimmt wird, und – bei dem die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit (19) derart limitiert wird, dass der Temperaturhub (ΔT) einen vorgegebenen Grenzwert (ΔTmax) nicht überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Grenzwert (ΔTmax) als Konstante vorgegeben ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine dem Temperaturhub (ΔT) zugeordnete Bezugstemperatur (TB) ermittelt wird, und bei dem der Grenzwert (ΔTmax) als Funktion der Bezugstemperatur (TB) vorgegeben ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem die Anzahl von Lastzyklen (Z) der Leistungsschaltereinheit (19) während einer vorgegebenen Zeitspanne erfasst wird, und bei dem der Grenzwert (ΔTmax) als Funktion der erfassten Anzahl vorgeben ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit (19) durch Limitierung einer Schaltfrequenz (fmax) und/oder eines durch die Leistungsschaltereinheit (19) fließenden Stroms (Imax) und/oder einer anliegenden Spannung (UZ) limitiert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Temperaturrichtgröße (T) anhand eines thermischen Modells (24) berechnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem anhand des thermischen Models (24) ein zukünftiger zeitlicher Verlauf der Temperaturrichtgröße (T) prognostiziert wird, wobei der Temperaturhub (ΔT) unter Heranziehung des zukünftigen zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße (T) berechnet wird.
  8. Steuervorrichtung zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit (19), mit einer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Steuereinheit (4).
  9. Elektrischer Antrieb mit einem Elektromotor (1), mit einem mindestens eine Leistungsschaltereinheit (19) umfassenden Umrichter (3) sowie mit einer Steuervorrichtung gemäß Anspruch 8.
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