DE102008012089B4

DE102008012089B4 - Verfahren zum Ansteuern einer Vollbrücke, und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008012089B4
Application number: DE102008012089.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Steuber; Moritz Nitschke
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2028-03-01
Also published as: JP5483904B2; US7782100B2; JP2009213347A; US20090219075A1; DE102008012089A1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung einer einer eine erste Halbbrücke (5) mit einem ersten und einem zweiten schaltenden Element (1, 2) und eine zweite Halbbrücke (6) mit einem dritten und einem vierten schaltenden Element (3, 4) aufweisenden Vollbrücke (100), die ein Wechselausgangssignal erzeugt, bei welchem die schaltenden Elemente (1 bis 4) der Vollbrücke (100) in jeder Periode (T1, T2) in einer die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der schaltenden Elemente (1 bis 4) bestimmenden Schaltsequenz betrieben werden, wobei eine Zeitdauer vom Zuschalten eines positiven Pols (7) einer Leistungsgleichstromversorgung über das Abschalten des positiven Pols (7) über das Zuschalten eines negativen Pols (8) über das Abschalten des negativen Pols (8) bis hin zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem erneuten Zuschalten des positiven Pols (7) an eine Wechselstromlast mittels der schaltenden Elemente (1 bis 4) eine Periode (T1, T2) darstellt, wobei die schaltenden Elemente (1 bis 4) in mindestens zwei unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden und eine erste Schaltsequenz n mal wiederholt wird, ehe eine zweite Schaltsequenz durchgeführt wird, wobei n > 1 ist, wobei sich eine der Schaltsequenzen dadurch auszeichnet, dass die Vollbrücke (100) von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand, anschließend in einen dritten Zustand und anschließend in einen vierten Zustand umgeschaltet wird, wobei im ersten Zustand das erste schaltende Element (1) und das diagonale vierte schaltende Element (4) gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass sich ein Stromfluss vom positiven Pol (7) der Leistungsgleichstromversorgung über das erste schaltende Element (1) und das vierte schaltende Element (4) zum negativen Pol (8) einstellt, und wobei das Umschalten in den zweiten Zustand erfolgt, indem das vierte schaltende Element (4) ausgeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste schaltende Element (1) und eine zum dritten schaltenden Element (3) parallele Freilaufdiode einstellt, und wobei nach einer Totzeit das dritte schaltende Element (3) eingeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste und das dritte schaltende Element (1, 3) einstellt und wobei das Umschalten in den dritten Zustand erfolgt, indem das erste schaltende Element (1) abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste schaltende Element (1) so abgeschaltet wird, dass sich zunächst ein Stromfluss über das dritte schaltende Element (3) und die zum zweiten schaltenden Element (2) parallele Freilaufdiode einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Vollbrücke, die ein Wechselausgangssignal erzeugt, bei welchem die schaltenden Elemente der Vollbrücke in jeder Periode in einer der Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der schaltenden Elemente bestimmenden Schaltsequenz betrieben werden, wobei die schaltenden Elemente in mindestens zwei unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Verfahren, bei dem abwechselnd zwei Schaltsequenzen angewendet werden, ist aus der DE 10 2004 036 160 A1 bekannt geworden.
Eine Halbbrücke weist zwei schaltende Elemente auf, die in Serie geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der schaltenden Elemente stellt den Mittelpunkt der Halbbrücke dar. Der Mittelpunkt der Halbbrücke wird durch die zwei schaltenden Elemente abwechselnd an den positiven und negativen Pol einer Leistungsgleichstromversorgung geschaltet. Eine Vollbrücke besteht aus zwei Halbbrücken, deren Mittelpunkte mit einer gewünschten Frequenz, nämlich der Grundfrequenz des Ausgangssignals der Vollbrücke, jeweils gegensinnig an den positiven und negativen Pol der Leistungsgleichstromversorgung geschaltet werden. Eine Wechselstromlast wird zwischen diesen beiden Mittelpunkten angeordnet.
Die Zeitdauer vom Zuschalten des positiven Pols der Leistungsgleichstromversorgung über das Abschalten des positiven Pols über das Zuschalten des negativen Pols über das Abschalten des negativen Pols bis hin zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem erneuten Zuschalten des positiven Pols an die Wechselstromlast mittels der schaltenden Elemente wird als Periode bezeichnet. Die Abfolge des Ein- und Ausschaltens der schaltenden Elemente innerhalb einer Periode wird als Schaltsequenz bezeichnet.
Bei der Pulsweitensteuerung wird die Pulsweite des Ausgangssignals zur Leistungssteuerung des Ausgangssignals genutzt. Dabei wird das Verhältnis der Zeitdauer, in der die Wechselstromlast an den positiven oder negativen Pol angeschlossen ist, gegenüber der Gesamtdauer einer Periode als Tastverhältnis bezeichnet. Ein großes Tastverhältnis nahe 100% bezieht sich demnach auf Wellenformen, wenn sich die Lastspannung über einen hohen Anteil der Periode auf einem betragsmäßig hohen Pegel befindet, während ein kleines Tastverhältnis sich auf Wellenformen mit einem kleinen Anteil bezieht. Bei einem großen Tastverhältnis wird demnach eine große Leistung und bei kleinem Tastverhältnis eine kleinere Leistung erzeugt bzw. ausgegeben. Durch unterschiedliche Steuerungsverfahren kann das Tastverhältnis eingestellt werden. Ein solches Verfahren ist das so genannte Phase-Shift Verfahren (Schwenksteuerverfahren).
Die Ansteuersignale der schaltenden Elemente der ersten Halbbrücke sind beim Betrieb der Vollbrücke in einem Phase-Shift-Verfahren zu den Ansteuersignalen der schaltenden Elemente der zweiten Halbbrücke phasenverschoben. Die Phasenverschiebung kann eine halbe Periode des Wechselausgangssignals betragen. Durch Veränderung der Phasenverschiebung kann das Ausgangssignal verändert werden. Insbesondere kann dessen Leistung verändert werden.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die schaltenden Elemente bei einer möglichst kleinen Spannung eingeschaltet werden. Ist die Spannung beim Einschalten gleich null Volt, spricht man von Nullspannungsschalten (Zero Voltage Switching ZVS). Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das schaltende Element selbst eine Kapazität an seinem Ausgang aufweist. Eine solche Kapazität müsste entladen werden, wenn die Spannung beim Einschalten ungleich null ist, was zu Verlusten und Erwärmung der schaltenden Elemente führen würde.
Grundsätzlich ist es ebenfalls vorteilhaft wenn der Strom durch das schaltende Element beim Ausschalten möglichst klein ist. Ist der Strom beim Ausschalten gleich Null, so spricht man von Nullstromschalten (ZCS). Nullstromschalten empfiehlt sich für Schaltungstopologien mit Streuinduktivitäten in der Halbbrücke des schaltenden Elements und bei schaltenden Elementen, die sich nicht schnell ausschalten lassen, bei denen also ein relativ großer Reststrom fließt, verursacht z. B. durch Ladungsträgerabbau.
Grundsätzlich ist man bemüht, sowohl ZVS als auch ZCS zu erreichen. Das ist aber häufig nicht möglich, da die Schaltzeitpunkte zur Einstellung einer auszugebenden Leistung gewählt werden und dabei häufig nicht auf die Bedingungen ZVS, ZCS geachtet werden kann. Man versucht deswegen das für die verwendeten schaltenden Elemente angepasste Verfahren zu verwenden. Das ist bei MOSFETs wegen der relativ hohen parallelen Bodykapazität das Nullspannungsschalten (ZVS) und bei IGBTs wegen des relativ hohen Reststroms Nullstromschalten (ZCS).
Mit zunehmender Frequenz werden grundsätzlich bevorzugt MOSFETs eingesetzt.
Bei herkömmlichen Vollbrücken(schaltungen) wird für kleine Tastverhältnisse ein Nullstromschalten für die schaltenden Elemente der ersten Halbbrücke und ein Nullspannungsschalten für die schaltenden Elemente der zweiten Halbbrücke durchgeführt. Deswegen werden beide Brückenzweige ungleich belastet und erwärmen sich ungleich.
In der DE 198 31 151 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung der Ausgangsleistung einer Vollbrücke beschrieben. Dabei werden unterschiedliche Strompfade innerhalb der Vollbrücke definiert. Je nachdem, ob die Leistung erhöht oder erniedrigt werden soll, werden unterschiedliche Strompfade geschaltet. Sämtliche Schaltvorgänge finden immer gleichzeitig zu Beginn, in der Mitte und zum Ende einer Periode des Laststroms statt.
Aus der DE 199 20 505 B4 ist es bekannt, die Einschaltdauer eines schaltenden Elements in Abhängigkeit von dessen Temperatur zu verändern.
Aus der US 5719759 A ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer Vollbrücke bekannt, wobei eine sich immer wiederholende Abfolge von zwei oder vier unterschiedlichen Schaltsequenzen vorgesehen ist, um die schaltenden Elemente gleichmäßig zu belasten. Es wird auf eine besondere Abfolge des harten An- und Abschaltens der schaltenden Elemente geachtet. Insbesondere wird darauf geachtet, dass keine Leistung in eine Gleichstromquelle zurückgespeist wird.
Aus der JP 2007-306696 A ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vollbrücke bekannt, wobei in Abhängigkeit einer Temperaturmessung die Abfolge von Schaltsequenzen für die Ansteuerung der Vollbrücke gewählt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Ansteuerung einer Vollbrücke nach dem Phase-Shift-Verfahren anzugeben, bei welchem auch bei schnellem Schalten der schaltenden Elemente und kleiner Tastung die Wärmebelastung beider Halbbrücken reduziert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Dadurch wird die unterschiedliche thermische Belastung der schaltenden Elemente in den unterschiedlichen Halbbrücken reduziert. Dies bedeutet, dass eine erste Schaltsequenz zumindest zweimal wiederholt wird, ehe eine zweite Schaltsequenz zumindest einmal durchgeführt wird. Während der ersten Schaltsequenz wird eine Halbbrücke thermisch belastet und während der zweiten Schaltsequenz wird die zweite Halbbrücke thermisch belastet, so dass während dieser Zeit die erste Halbbrücke thermisch entlastet wird. Es ist jedoch auch denkbar, die schaltenden Elemente in mindestens drei unterschiedlichen Schaltsequenzen zu schalten, so dass nicht eine Halbbrücke übermäßig thermisch belastet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass eine zweite Schaltsequenz m mal wiederholt wird, ehe die erste Schaltsequenz durchgeführt wird, wobei m > 1 ist. Dies bedeutet, dass jede Schaltsequenz zumindest zweimal wiederholt wird, ehe die andere Schaltsequenz durchgeführt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass n und m konstant sind. Es kann n > m sein oder umgekehrt auch n < m. Dabei wird die erste Schaltsequenz n mal wiederholt und anschließend die zweite Schaltsequenz m mal. Daran schließt sich wieder die erste Schaltsequenz mit n Wiederholungen an, während darauf folgend die zweite Schaltsequenz ebenfalls wieder m mal durchgeführt wird. Die Schaltsequenzen können in einer regelmäßigen Anzahl von Wiederholungen betrieben werden. Wenn n = m ist, werden beide Schaltsequenzen gleich oft wiederholt, so dass die Vollbrücke symmetrisch angesteuert ist und beide Halbbrücken gleichmäßig thermisch belastet werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass n und/oder m variabel sind. Dadurch können die Schaltsequenzen in einer unregelmäßigen Anzahl von Wiederholungen durchgeführt werden. Durch diese Maßnahme kann eine Korrektur erfolgen, falls sich eine Halbbrücke stärker erwärmen sollte als die andere.
Gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, dass die erste Schaltsequenz n mal wiederholt wird, wobei n ≥ 1 und eine zweite Schaltsequenz m mal wiederholt wird, wobei m ≥ 1, und wobei n und/oder m variabel sind.
Die Werte n und/oder m können in Abhängigkeit von der Temperatur zumindest eines der schaltenden Elemente bestimmt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keines der schaltenden Elemente überhitz und dadurch zerstört wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass n und/oder m in Abhängigkeit der Temperatur zumindest eines der der schaltenden Elemente geregelt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Schaltsequenzen durch die jeweils unteren Transistoren der beiden Halbbrücken (unterer Freilauf) gleichhäufig als Freilaufpfad genutzt werden. Ansonsten würde sich der Pfad, der öfter genutzt wird, schneller aufheizen als der Pfad der seltener genutzt wird.
Wenn lediglich zwei Schaltsequenzen abwechselnd durchgeführt werden, so kann dies bei kurzen Spannungsimpulsen am Ausgang der Vollbrücke zu Unsymmetrien der Ausgangsspannung führen. Es kann sich eine DC-Spannung einstellen. Eine vollständig symmetrische Ansteuerung der Vollbrücke kann dahingehend abhelfen, insbesondere, indem die schaltenden Elemente mit vier unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden. Vorzugsweise folgen die vier unterschiedlichen Schaltsequenzen unmittelbar, d. h. ohne zwischenzeitliche Widerholung einer Schaltsequenz, aufeinander.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn für jedes schaltende Element innerhalb von vier aufeinander folgenden Schaltsequenzen für jedes Einschalten und Ausschalten ein anderer Zustand der Vollbrücke besteht. Dadurch können die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Weiterhin können die Schaltsequenzen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Anordnung, umfassend einen Inverter und eine Ansteueranordnung zur Ansteuerung des Inverters mit einer vier schaltende Elemente umfassenden Vollbrücke, wobei die Ansteueranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung kann ohne zusätzliche Kühlung auskommen, da die Erwärmung der schaltenden Elemente minimiert wird. Außerdem werden die schaltenden Elemente weniger stark belastet und ist eine längere Lebensdauer der schaltenden Elemente sichergestellt.
Mindestens ein schaltendes Element kann mit einem Temperatursensor verbunden sein, wobei die Ansteueranordnung die Wiederholung der Schaltsequenzen in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur einstellt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das schaltende Element nicht überhitzt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren der Zeichnung. Ebenso können die vorstehenden und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen.
Es zeigt:
1: eine Vollbrücke mit Treiberschaltung und Ausgangsnetzwerk;
2: eine Vollbrückenschaltung zur Erläuterung unterschiedlicher Zustände der Vollbrücke;
3: Zustände der Vollbrücke, die mit einer Schaltsequenz betrieben wird;
4: Zustände der Vollbrücke, die mit zwei unterschiedlichen Schaltsequenzen betrieben wird;
5: Zustände der Vollbrücke, die erfindungsgemäß betrieben wird;
6: Zustände der Vollbrücke, die entsprechend einer Verfahrensvariante erfindungsgemäß betrieben wird.
In 1 ist eine Vollbrücke 100 dargestellt. Die Vollbrücke 100 weist eine erste Halbbrücke 5 mit zwei in Serie geschalteten schaltenden Elementen 1, 2 und eine zweite Halbbrücke 6 mit zwei in Serie geschalteten schaltenden Elementen 3, 4 auf. Jedes als Transistor ausgebildete schaltende Element 1, 2, 3, 4 wird von einem Treiber 9, 10, 11, 12 angesteuert, wobei die Treiber 9, 10, 11, 12 mit einer Steuerung 13 verbunden sind, welche Ansteuersignale an die Treiber 9, 10, 11, 12 ausgibt. Durch Einstellung der Phasenlage und des Tastverhältnisses der Ansteuersignale kann die Leistung am Ausgang der Vollbrücke 100 eingestellt werden.
Das obere schaltende Element 1, 3 jeder Halbbrücke 5, 6 ist mit dem positiven Pol 7 einer DC-Versorgungsspannung verbunden, während das untere schaltende Element 2, 4 jeder Halbbrücke 5, 6 an den negativen Pol 8 der DC-Versorgungsspannung angeschlossen ist.
Die als Inverter arbeitende Vollbrücke 100 ist mit einem Leistungstransformator 100, der eine Primärwicklung 14 und eine Sekundärwicklung 15 aufweist, verbunden. Zwischen Transformator 110 und Ausgang 18 sind ein Ausgangsnetzwerk 16 und eine Messeinrichtung 17 angeordnet. Der Ausgang 18 kann mit einer nicht weiter dargestellten Last verbunden werden. Die Messeinrichtung 17 ist mit der Steuerung 13 verbunden.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vollbrücke 100 ist in 2 eine Vollbrücke 100 schematisch dargestellt. Zwischen den schaltenden Elementen 1 und 2 der ersten Halbbrücke 5 bzw. den schaltenden Elementen 3 und 4 der zweiten Halbbrücke 6 ist eine Spule 19 geschaltet, über die das Ausgangssignal der Vollbrücke 100 ausgekoppelt werden kann, beispielsweise über einen Transformator, dessen Primärwicklung die Spule 19 ist. An Stelle der Spule 19 kann auch ein Resonanznetzwerk angeschlossen sein.
Werden das schaltende Element 1 der ersten Halbbrücke 5 und das diagonale schaltende Element 4 der Halbbrücke 6 gleichzeitig eingeschaltet und sind gleichzeitig die schaltenden Elemente 2 und 3 ausgeschaltet, fließt ein Strom vom positiven Pol 7 der DC-Spannungsversorgung über das schaltende Element 1, die Spule 19, das schaltende Element 4 zum negativen Pol 8. In diesem ersten Zustand der Vollbrücke 100 liegt der Mittelpunkt M₅ der ersten Halbbrücke 5 quasi am positiven Versorgungsspannungspotential und der Mittelpunkt M₆ der zweiten Halbbrücke quasi am negativen Versorgungsspannungspotential. Dieser erste Zustand entspricht dem ersten Symbol in der 3. Unterhalb dieses Symbols ist ein positiver Spannungspuls dargestellt. Dies bedeutet, dass zwischen den Mittelpunkten M₅, M₆ bzw. am Ausgang der Vollbrücke 100 ein positiver Spannungspuls bzw. die DC-Versorgungsspannung liegt.
Wenn anschließend das schaltende Element 4 so angesteuert wird, dass es ausgeschaltet wird, so treibt die Spule 19 den Strom zunächst weiter, wobei der Strom dann über das schaltende Element 1, die Spule 19 und die zum schaltenden Element 3 parallele Freilaufdiode fließt. Nach Abwarten einer gewissen Totzeit kann das schaltende Element 3 eingeschaltet werden, so dass der Strom nun über das schaltende Element 1, die Spule 19 und das schaltende Element 3 fließt. Dieser zweite Zustand der Vollbrücke 100 wird als oberer Freilauf bezeichnet und ist durch das zweite Symbol in der 3 symbolisiert. In diesem Zustand liegt zwischen den Mittelpunkten M₅ und M₆ keine Spannung an, weshalb die Linie unterhalb des zweiten Symbols in der 3 durchgezogen ist.
Im Anschluss daran kann das schaltende Element 1 abgeschaltet werden. Es stellt sich zunächst ein Stromfluss über die zum schaltenden Element 2 parallele Freilaufdiode, die Spule 19 und das schaltende Element 3 ein. Nach Ablauf einer Totzeit nach Abschalten des schaltenden Elements 1 kann das schaltende Element 2 eingeschaltet werden, so dass nun zunächst der Strom über das schaltende Element 2, die Spule 19 und das schaltende Element 3 fließt. Allerdings liegt nun der Mittelpunkt M₆ an der positiven Versorgungsspannung und der Mittelpunkt M₅ an der negativen Versorgungsspannung. Dies führt zu einer Spannungsumkehr an und einer nachfolgenden Stromumkehr durch die Spule 19. Dieser dritte Zustand der Vollbrücke, also wenn die schaltenden Elemente 2 und 3 eingeschaltet sind, entspricht dem dritten Symbol in der 3. Zwischen dem Mittelpunkt M₅ und dem Mittelpunkt M₆ liegt die negative Versorgungsspannung, was durch den negativen Spannungspuls unterhalb des dritten Symbols der 3 symbolisiert wird.
Wird anschließend das schaltende Element 3 abgeschaltet, so treibt die Spule 19 den Strom zunächst weiter durch das schaltende Element 2 und die zum schaltenden Element 4 parallele Freilaufdiode. Anschließend, also nach Abwarten einer gewissen Totzeit kann das schaltende Element 4 eingeschaltet werden, so dass sich ein Stromfluss durch das schaltende Element 4, die Spule 19 und das schaltende Element 2 ergibt. Dieser vierte Zustand der Vollbrücke 100 wird als unterer Freilauf bezeichnet und ist durch das vierte Symbol in der 3 symbolisiert. Die Mittelpunkte M₅ und M₆ liegen auf demselben Potenzial, weshalb die Linie in der 3 unterhalb des Symbols 4 durchgezogen ist.
Die Ansteuersignale der schaltenden Elemente 1 bis 4 weisen alle dieselbe Frequenz auf. Sie bestimmen auch die Frequenz des Ausgangssignals der Vollbrücke 100, also die Frequenz der Spannungsänderung am Ausgang (über der Spule 19). Die Frequenz des Ausgangssignals der Vollbrücke 100 entspricht der Grundfrequenz. Die Länge der zugeordneten Periode T1 ist in der 3 durch die beiden gestrichelten Linien angedeutet. Innerhalb der Periode T1 nimmt die Vollbrücke 100 die beschriebenen Zustände ein. Die Abfolge der vier Zustände ist durch die Schaltsequenz der schaltenden Elemente 1 bis 4 der Schaltbrücke innerhalb der Periode bestimmt.
In der 3 schließt sich an die erste Periode T1 eine zweite Periode T2 an, die genau dieselben Zustände der Vollbrücke 100 in derselben Reihenfolge aufweist. In der 3 ist somit nur eine sich ständig wiederholende Schaltsequenz gezeigt.
In der 4 entsprechen die Schaltzustände innerhalb der Periode T1 denen der Periode T1 der 3. Die Periode T2 beginnt ebenfalls mit dem ersten Zustand. An diesen schließt sich jedoch der untere Freilauf an. Darauf folgt der dritte Zustand, auf den der obere Freilauf folgt. Somit wird die Reihenfolge der Ein- und Abschaltung der schaltenden Elemente während der zweiten Periode entsprechend einer zweiten Schaltsequenz festgelegt. Dies entspricht dem Verfahren nach DE 10 2004 036 160 A1 .
In der 5 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Während einer ersten Periode T1 folgt auf den ersten Zustand der Vollbrücke 100 der obere Freilauf, dann der dritte Zustand der Schaltbrücke und anschließend der untere Freilauf. Diese Schaltsequenz entspricht der Schaltsequenz innerhalb der Periode T1 in 3. Diese Schaltsequenz kann n mal wiederholt werden, wobei n > 1 ist. Das wird durch die aus der Musik bekannten Wiederholungszeichen (Doppelstrich mit Doppelpunkt) angedeutet. Wenn die n Wiederholungen durchgeführt wurden, wird eine zweite Schaltsequenz durchgeführt, wobei in der zweiten Schaltsequenz während einer Periode der Grundfrequenz zunächst der erste Vollbrückenzustand hergestellt wird, darauf ein unterer Freilauf folgt, ehe der dritte Zustand eingestellt wird, an den sich wiederum der obere Freilauf anschließt. Auch diese Schaltsequenz kann wiederholt werden. Insbesondere kann diese Schaltsequenz m mal wiederholt werden. Dabei sind mehrere Variationen denkbar. Beispielsweise können n und m ungleich sein; n und m können aber auch gleich sein, wenn n, m > 1 ist. Weiterhin ist es denkbar, dass n und m unterschiedlich sind und fest vorgegeben sind. Weiterhin ist es denkbar, dass n und/oder m variabel einstellbar sind.
Aus der 2 ist ersichtlich, dass das schaltende Element unten rechts (schaltendes Element 4) wie folgt ein- und ausgeschaltet wird:
1⁺ – 0_o – 0^– – 1_u – 1⁺ – 1_u – 0^– – 0° (wobei 1: eingeschaltet, 0: ausgeschaltet, +: positiver Spannungspuls am Ausgang, –: negativer Spannungspuls am Ausgang, 0: Freilauf oben, u: Freilauf unten).
Man sieht, dass die folgenden Zyklen für den Transistor 4 nicht vorkommen: 0_o – 1⁺ – 1_u; 1_u – 1⁺ – 0_o; 1_u – 0^– – 1_u; 0_o – 0^– – 0_o.
Dies bedeutet, dass das Verfahren gemäß 4 bei kurzen Spannungspulsen am Ausgang zu Unsymmetrien der Ausgangsspannung führen kann. Es kann sich eine DC-Spannung einstellen. Um die Vollbrücke symmetrisch anzusteuern, kann gemäß 6 vorgesehen sein, dass vier unterschiedliche Schaltsequenzen aufeinander folgen. In einer ersten Periode bzw. Schaltsequenz nimmt die Vollbrücke einen ersten Zustand ein, gefolgt von einem oberen Freilauf, gefolgt von dem dritten Zustand, gefolgt von dem unteren Freilauf. In der zweiten Periode wird ein erster Zustand geschaltet, auf den ein unterer Freilauf folgt, der wiederum von dem dritten Zustand gefolgt ist, auf den der vierte Freilauf folgt. In der dritten Periode bzw. Schaltsequenz folgt auf den ersten Zustand ein unterer Freilauf, dann der dritte Zustand und wiederum ein unterer Freilauf. In der vierten Periode folgt auf den ersten Zustand ein oberer Freilauf, dann der dritte Zustand und dann wiederum der obere Freilauf. Dies bedeutet für das schaltende Element 4 folgende Folge von Ein- und Ausschalten: 0_o – 1⁺ – 0_o – 0^– – 1_u – 1⁺ – 1_u – 0^– – 0_o – 1⁺ – 1_u – 0^– – 1_u – 1⁺ – 0_o – 0^– – 0_o.
Dies bedeutet, dass für jeden Transistor innerhalb von vier Schaltzyklen beim Wechseln von einem Vollbrückenzustand in den nächsten immer eine neue Folge des Ein- bzw. Ausschaltens stattfindet. Die Verfahrensvariante gemäß 6 bewirkt weiterhin, dass im zeitlichen Mittel der obere Pfad und der untere Pfad gleich häufig als Freilaufpfad genutzt werden. Somit wird verhindert, dass sich ein Pfad schneller aufheizt als der andere Pfad.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer einer eine erste Halbbrücke (5) mit einem ersten und einem zweiten schaltenden Element (1, 2) und eine zweite Halbbrücke (6) mit einem dritten und einem vierten schaltenden Element (3, 4) aufweisenden Vollbrücke (100), die ein Wechselausgangssignal erzeugt, bei welchem die schaltenden Elemente (1 bis 4) der Vollbrücke (100) in jeder Periode (T₁, T₂) in einer die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der schaltenden Elemente (1 bis 4) bestimmenden Schaltsequenz betrieben werden, wobei eine Zeitdauer vom Zuschalten eines positiven Pols (7) einer Leistungsgleichstromversorgung über das Abschalten des positiven Pols (7) über das Zuschalten eines negativen Pols (8) über das Abschalten des negativen Pols (8) bis hin zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem erneuten Zuschalten des positiven Pols (7) an eine Wechselstromlast mittels der schaltenden Elemente (1 bis 4) eine Periode (T1, T2) darstellt, wobei die schaltenden Elemente (1 bis 4) in mindestens zwei unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden und eine erste Schaltsequenz n mal wiederholt wird, ehe eine zweite Schaltsequenz durchgeführt wird, wobei n > 1 ist, wobei sich eine der Schaltsequenzen dadurch auszeichnet, dass die Vollbrücke (100) von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand, anschließend in einen dritten Zustand und anschließend in einen vierten Zustand umgeschaltet wird, wobei im ersten Zustand das erste schaltende Element (1) und das diagonale vierte schaltende Element (4) gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass sich ein Stromfluss vom positiven Pol (7) der Leistungsgleichstromversorgung über das erste schaltende Element (1) und das vierte schaltende Element (4) zum negativen Pol (8) einstellt, und wobei das Umschalten in den zweiten Zustand erfolgt, indem das vierte schaltende Element (4) ausgeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste schaltende Element (1) und eine zum dritten schaltenden Element (3) parallele Freilaufdiode einstellt, und wobei nach einer Totzeit das dritte schaltende Element (3) eingeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste und das dritte schaltende Element (1, 3) einstellt und wobei das Umschalten in den dritten Zustand erfolgt, indem das erste schaltende Element (1) abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste schaltende Element (1) so abgeschaltet wird, dass sich zunächst ein Stromfluss über das dritte schaltende Element (3) und die zum zweiten schaltenden Element (2) parallele Freilaufdiode einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schaltsequenz m mal wiederholt wird, ehe die erste Schaltsequenz durchgeführt wird, wobei m > 1.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass n und m konstant sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass n gleich m ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass n und/oder m variabel sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltsequenzen in einer unregelmäßigen Anzahl von Wiederholungen betrieben werden.
Verfahren zur Ansteuerung einer einer eine erste Halbbrücke (5) mit einem ersten und einem zweiten schaltenden Element (1, 2) und eine zweite Halbbrücke (6) mit einem dritten und einem vierten schaltenden Element (3, 4) aufweisenden Vollbrücke (100), die ein Wechselausgangssignal erzeugt, bei welchem die schaltenden Elemente (1 bis 4) der Vollbrücke (100) in jeder Periode (T1, T2) in einer die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der schaltenden Elemente (1 bis 4) bestimmenden Schaltsequenz betrieben werden, wobei eine Zeitdauer vom Zuschalten eines positiven Pols (7) einer Leistungsgleichstromversorgung über das Abschalten des positiven Pols (7) über das Zuschalten eines negativen Pols (8) über das Abschalten des negativen Pols (8) bis hin zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem erneuten Zuschalten des positiven Pols (7) an eine Wechselstromlast mittels der schaltenden Elemente (1 bis 4) eine Periode (T1, T2) darstellt, wobei die schaltenden Elemente (1 bis 4) in mindestens zwei unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden und die erste Schaltsequenz n mal wiederholt wird, wobei n ≥ 1 und eine zweite Schaltsequenz m mal wiederholt wird, wobei m ≥ 1, und wobei n und/oder m variabel sind und wobei sich eine der Schaltsequenzen dadurch auszeichnet, dass die Vollbrücke (100) von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand, anschließend in einen dritten Zustand und anschließend in einen vierten Zustand umgeschaltet wird, wobei im ersten Zustand das erste schaltende Element (1) und das diagonale vierte schaltende Element (4) gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass sich ein Stromfluss vom positiven Pol (7) der Leistungsgleichstromversorgung über das erste schaltende Element (1) und das vierte schaltende Element (4) zum negativen Pol (8) einstellt, und wobei das Umschalten in den zweiten Zustand erfolgt, indem das vierte schaltende Element (4) ausgeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste schaltende Element (1) und eine zum dritten schaltenden Element (3) parallele Freilaufdiode einstellt, und wobei nach einer Totzeit das dritte schaltende Element (3) eingeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste und das dritte schaltende Element (1, 3) einstellt und wobei das Umschalten in den dritten Zustand erfolgt, indem das erste schaltende Element (1) abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste schaltende Element (1) so abgeschaltet wird, dass sich zunächst ein Stromfluss über das dritte schaltende Element (3) und die zum zweiten schaltenden Element (2) parallele Freilaufdiode einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n und/oder m in Abhängigkeit von der Temperatur zumindest eines der schaltenden Elemente (1 bis 4) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass n und/oder m in Abhängigkeit der Temperatur zumindest eines der schaltenden Elemente (1 bis 4) geregelt werden.
Verfahren zur Ansteuerung einer eine erste Halbbrücke (5) mit einem ersten und einem zweiten schaltenden Element (1, 2) und eine zweite Halbbrücke (6) mit einem dritten und einem vierten schaltenden Element (3, 4) aufweisenden Vollbrücke (100), die ein Wechselausgangssignal erzeugt, bei welchem die schaltenden Elemente (1 bis 4) der Vollbrücke (100) in jeder Periode (T₁, T₂) in einer die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der schaltenden Elemente (1 bis 4) bestimmenden Schaltsequenz betrieben werden, wobei eine Zeitdauer vom Zuschalten eines positiven Pols (7) einer Leistungsgleichstromversorgung über das Abschalten des positiven Pols (7) über das Zuschalten eines negativen Pols (8) über das Abschalten des negativen Pols (8) bis hin zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem erneuten Zuschalten des positiven Pols (7) an eine Wechselstromlast mittels der schaltenden Elemente (1 bis 4) eine Periode (T1, T2) darstellt, wobei die schaltenden Elemente (1 bis 4) in mindestens drei unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden, wobei sich eine der Schaltsequenzen dadurch auszeichnet, dass die Vollbrücke (100) von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand, anschließend in einen dritten Zustand und anschließend in einen vierten Zustand umgeschaltet wird, wobei im ersten Zustand das erste schaltende Element (1) und das diagonale vierte schaltende Element (4) gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass sich ein Stromfluss vom positiven Pol (7) der Leistungsgleichstromversorgung über das erste schaltende Element (1) und das vierte schaltende Element (4) zum negativen Pol (8) einstellt, und wobei das Umschalten in den zweiten Zustand erfolgt, indem das vierte schaltende Element (4) ausgeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste schaltende Element (1) und eine zum dritten schaltenden Element (3) parallele Freilaufdiode einstellt, und wobei nach einer Totzeit das dritte schaltende Element (3) eingeschaltet wird, so dass sich ein Stromfluss über das erste und das dritte schaltende Element (1, 3) einstellt und wobei das Umschalten in den dritten Zustand erfolgt, indem das erste schaltende Element (1) abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste schaltende Element (1) so abgeschaltet wird, dass sich zunächst ein Stromfluss über das dritte schaltende Element (3) und die zum zweiten schaltenden Element (2) parallele Freilaufdiode einstellt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltenden Elemente (1 bis 4) mit vier unterschiedlichen Schaltsequenzen geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vier unterschiedlichen Schaltsequenzen aufeinander folgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes schaltende Element innerhalb von vier aufeinander folgenden Schaltsequenzen beim Wechseln von einem Vollbrückenzustand in den nächsten immer eine neue Folge des Ein- und Ausschaltens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltsequenzen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt werden.
Anordnung, umfassend eine Vollbrücke und eine Ansteueranordnung zur Ansteuerung der vier schaltenden Elemente (1 bis 4) umfassenden Vollbrücke (100), wobei die Ansteueranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein schaltendes Element (1 bis 4) mit einem Temperatursensor verbunden ist, wobei die Ansteueranordnung die Wiederholung der Schaltsequenzen in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur einstellt.