DE102009041019A1 - Ansteuerverfahren für hart parallel geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiterschalter - Google Patents

Ansteuerverfahren für hart parallel geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiterschalter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern hart parallel geschalteter abschaltbarer Leistungshalbleiter (T11, T21, T12, T22) zweier Brückenzweige (2, 4) einer Phase (R, S, T) eines selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters. Erfindungsgemäß werden hart parallel geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiterschalter (T11, T21, T12, T22) alternierend verzögernd angesteuert. Somit wird eine unsymmetrische Aufteilung von Schaltverlusten kompensiert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern vom hart parallel geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleiter zweier Brückenzweige einer Phase eines selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters.
  • Werden bei einem Hochleistungsantrieb Stromwerte erreicht, die von handelsüblichen Halbleitermodulen, insbesondere IGBT-Modulen, nicht getragen werden können, so müssen wenigstens zwei solcher Module elektrisch parallel geschaltet werden. Dadurch teilt sich ein hoher Strom auf die parallel geschalteten Halbleitermodule auf. Dazu werden die parallel geschalteten Halbleitermodule mit einem Ansteuersignal gleichzeitig angesteuert.
  • Durch unterschiedliche Laufzeiten bei der Ansteuerung, sowie Streuung in den Schaltzeiten der verwendeten Halbleitermodule kann es bei gewolltem gleichzeitigen Schalten von zwei elektrisch parallel geschalteten Halbleitermodulen dazu kommen, dass einer dieser beiden Halbleitermodule früher ein- bzw. ausschaltet. Dadurch muss einer zweier elektrisch parallel geschalteter Halbleitermodule kurzzeitig den gesamten Strom führen. Die Folge ist, dass die elektrisch parallel geschalteten Halbleitermodule thermisch unterschiedlich belastet werden. Damit in Folge dieser unsymmetrischen thermischen Belastung ein Stromrichter nicht frühzeitig ausfällt, muss bei der Auslegung daher eine Leistungsreduzierung aufgrund dieser Unsymmetrie in Kauf genommen werden.
  • Um dieses Problem zu lösen, kann man die Halbleitermodule hinsichtlich des Schaltverhaltens selektieren. Dadurch kann die Gefahr einer unsymmetrischen Stromaufteilung wesentlich reduziert werden. Dem steht aber der hohe Aufwand für die Selektion gegenüber.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, externe Kommutierungsdrosseln zu verwenden, wobei jeweils eine Kommutierungsdrossel in einer Ausgangsleitung eines Brückenzweiges einer Phase des selbstgeführten Stromrichters angeordnet sind. Ausgangsseitig sind diese Kommutierungsdrosseln zu einem Phasenausgang verschaltet. Diese Kommutierungsdrosseln verhindern eine schnelle Kommutierung des Stromes von einem Brückenzweig auf den anderen Brückenzweig einer Phase des selbstgeführten Stromrichters. Durch diese Kommutierungsdrosseln sind die abschaltbaren Leistungshalbleiter zweier Brückenzweige einer Phase nicht mehr hart parallel geschaltet. Bei einem dreiphasigen selbstgeführten Stromrichter, deren Phasen jeweils zwei elektrisch parallel geschaltete Brückenzweige aufweisen, werden sechs Kommutierungsdrosseln benötigt, die neben einem Platzbedarf auch noch Kosten verursachen.
  • Wir bereits erwähnt, wird die Auslegung der abschaltbaren Leistungshalbleiter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), durch die in diesen auftretenden Verlusten bestimmt. Neben den Durchlassverlusten treten in jedem Schaltvorgang Schaltverluste auf, wenn diese Schaltverluste verringert werden können, kann bei einem gegebenen Spannungszwischenkreis-Umrichter sein Ausgangsstrom oder seine Schaltfrequenz erhöht werden. Alternativ kann bei einem gegebenen Ausgangsstrom und einer gegebenen Schaltfrequenz die Größe oder Anzahl der verwendeten Leistungsmodule oder der Kühlaufwand eines Spannungszwischenkreis-Umrichters reduziert werden.
  • In der DE 100 13 672 A1 sind mehrere Verfahren zur Reduzierung von Schaltverlusten eines abschaltbaren Leistungshalbleiters angegeben, die verschiedenen Gruppen angehören.
  • Aus dieser DE 100 13 672 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Einschaltverluste reduziert werden. Gemäß diesem Verfahren werden in Abhängigkeit einer Stromrichtung eines ermittelten Phasenausgangsstromes die einzelnen Ansteuersignale eines Phasensoll-Ansteuersignals alternierend auf die abschaltbaren Leistungshalbleiter der beiden elektrisch parallel geschalteten Brückenzweige einer Phase eines selbstgeführten Stromrichters verteilt. Dadurch wird die Einschalthäufigkeit der Leistungshalbleiter der beiden parallel geschalteten Brückenzweige einer jeden Phase des selbstgeführten Stromrichters halbiert. Durch diese stromrichtungsabhängige Schaltreihenfolge der Leistungshalbleiter zweier gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschalteter Brückenzweige einer Phase eines selbstgeführten Stromrichters wird eine Reduzierung der Einschaltverluste ohne prinzipbedingte Verluste erreicht.
  • Bei dem in dieser Offenlegungsschrift verwendeten Stromrichter sind die wechselspannungsseitigen Ausgängen eines jeden Brückenzweiges einer Phase dieses Stromrichters mit einer Drossel versehen, die ausgangsseitig zu einem Phasenausgang vereint sind. Somit handelt es sich nicht um einen Stromrichter mit einer harten Parallelschaltung von abschaltbaren Leistungshalbleitern eines selbstgeführten Stromrichters. Bei einer harten Parallelschaltung von abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere IGBTs, weisen die Brückenzweig-Ausgänge keine Drosseln auf.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuerverfahren für abschaltbare Leistungshalbleiter, die hart parallel geschaltet sind, anzugeben, wodurch eine unsymmetrische Aufteilung von Schaltverlusten kompensiert wird.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße alternierende Verzögerung der Ansteuersignale zweier hart parallel geschalteter Leistungshalbleiter wird erreicht, dass eine unsymmetrische Aufteilung von Schaltverlusten kompensiert wird. Durch diese alternierende Verzögerung von Ansteuersignalen wird erzwungen, dass einmal ein erster abschaltbarer Leistungshalbleiter und beim nächsten Mal der zweite abschaltbare Leistungshalbleiter zweier hart parallel geschalteter Brückenzweige einer Phase eines selbstgeführten Stromrichters mit Ein- und Ausschaltverluste belastet wird. Außerdem können sich die systeminternen Verzögerungen nicht in einer dauerhaften unsymmetrischen Belastung der abschaltbaren Leistungshalbleiter einer Phase eines selbstgeführten Stromrichters äußern. Dadurch können die abschaltbaren Leistungshalbleiter höher ausgenutzt werden (höherer Strom und/oder größere Schaltfrequenz).
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines selbstgeführten Stromrichters mit einer harten Parallelschaltung von abschaltbaren Leistungshalbleitern näher beschrieben wird.
  • 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit hart parallel geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleitern, in der
  • 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, in der
  • 3 sind Ansteuersignale einer Phase des Stromrichters nach 1 für einen Laststrom größer Null mit einem Zeitstrahl veranschaulicht, wobei in den
  • 4 bis 7 Stromverläufe durch eine Phase des Stromrichters nach 1 zu unterschiedlichen Zeiten bei einem Laststrom größer Null dargestellt sind und in der
  • 8 sind Ansteuersignale einer Phase des Stromrichters nach 1 für einen Laststrom kleiner Null mit einem Zeitstrahl dargestellt, wogegen die
  • 9 bis 12 Stromverläufe durch eine Phase des Stromrichters nach 1 zu unterschiedlichen Zeiten bei einem Laststrom kleiner Null veranschaulichen.
  • In der 1 ist eine dreiphasige Stromrichterschaltung dargestellt, deren Phasen R, S und T. auch als Phasen-Brückenzweige bezeichnet, jeweils zwei gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltete Brückenzweige 2 und 4 aufweisen. Jeder Brückenzweig 2 bzw. 4 weist zwei abschaltbare Leistungshalbleiter T11, T21 bzw. T12, T22 auf, die jeweils eine antiparallel geschaltete Diode D11, D21 bzw. D12, D22 aufweisen. Die wechselspannungsseitigen Ausgängen 6 und 8 der Brückenzweige 2 und 4 der drei Phasen R, S und T sind jeweils miteinander verknüpft und bilden jeweils einen Lastausgang 10, 20 und 30 des dreiphasigen Stromrichters. Die phasenmäßigen Lastströme iL1, iL2 und iL3 werden mit Hilfe von Stromerfassungseinrichtungen 12 ermittelt. Jeder Phase R, S und T dieses dreiphasigen Stromrichters ist eine Ansteuervorrichtung 14 zugeordnet, die schematisch in der 2 zum Teil dargestellt ist.
  • Gemäß 2 weist die Ansteuervorrichtung 14 eine Einrichtung 16 auf, mittels der aus einem Phasensoll-Ansteuersignal S * / R in Abhängigkeit des ermittelten Laststromes iL1 jeweils ein Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R und S * / 4R generiert wird. Diese beiden Brückenzweig-Ansteuersignale S * / 2R und S * / 4R werden einer weiteren Einrichtung 18 zugeführt, die aus jeweils einem Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R und S * / 4R zwei halbleiterbezogene Ansteuersignale ST11 und ST21 bzw. ST12 und ST22 generieren. Nicht dargestellt ist der Teil einer Ansteuervorrichtung, der aus den halbleiterbezogenen Ansteuersignalen ST11 und ST21 bzw. ST12 und ST22 Gatesignale für die Leistungshalbleiter, insbesondere den IGBTs, erzeugen. Dieser Teil ist allgemein bekannt. Die zeitlichen Verläufe der in der 2 genannten Signale S * / R, S * / 2R, S * / 4R, ST11, ST21, ST12 und ST22 sind in der 3 mit einem Zeitstrahl veranschaulicht. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus einem Phasensoll-Ansteuersignal S * / R zwei Brückenzweig-Ansteuersignale S * / 2R und S * / 4R generiert. Laut diesem Verfahren sollen die parallel geschalten abschaltbaren Leistungshalbleiter T11 und T12 bzw. T21 und T22 alternierend verzögert angesteuert werden. D. h., zum Zeitpunkt t1 wechselt das Phasensoll-Ansteuersignal S * / R vom High-Zustand in den Low-Zustand. Dadurch muss einer der parallel geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleiter verzögert ausgeschaltet werden, wogegen der andere dieser beiden parallel geschalteten Leistungshalbleiter zeitgleich mit dem Phasensoll-Ansteuersignal S * / R ausgeschaltet wird. Den Signalverläufen der 3 ist zu entnehmen, dass zum Zeitpunkt t1 ebenfalls das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R vom High-Zustand in den Low-Zustand wechselt. Das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R wechselt erst zum Zeitpunkt t2 vom High-Zustand in den Low-Zustand. Die Zeitverzögerung entspricht der Zeitdifferenz t2 – t1. Während dieser Zeitdifferenz t2 – t1 weist nur der abschaltbare Leistungshalbleiter T12 Schaltverluste auf.
  • Wir bereits erwähnt, müssen aus diesen beiden Brückenzweig-Ansteuersignalen S * / 2R und S * / 4R halbleiterbezogene Steuersignale ST11, ST21 und ST12, ST22 generiert werden. Da von zwei elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleiter nie gleichzeitig beide eingeschaltet werden dürfen, sind die Ansteuersignale ST11 und ST21 bzw. ST12 und ST22 komplementär zueinander. Außerdem sind diese Ansteuersignale mit einer Verriegelungszeit versehen. Da zum Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R die Ansteuersignale ST11 und ST21 gehören, wechselt das Ansteuersignal ST11 ebenfalls zum Zeitpunkt t1 vom High-Zustand in den Low-Zustand, wogegen das Ansteuersignal ST21 erst zum Zeitpunkt t3 vom Low-Zustand in den High-Zustand wechselt. Die Zeitdifferenz t3 – t1 symbolisiert die Verriegelungszeit. Die Ansteuersignale ST12 und ST22 werden aus dem Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R abgeleitet. Deshalb wechselt das Ansteuersignal ST12 zum Zeitpunkt t2 vom High-Zustand in den Low-Zustand. Zum Zeitpunkt t4 wechselt das Ansteuersignal ST22 vom Low-Zustand in den High-Zustand. Der Zeitpunkt t4 ergibt sich aus der zeitlichen Addition der Verriegelungszeit zum Zeitpunkt t2.
  • Zum Zeitpunkt t5 wechselt das Phasensoll-Ansteuersignal S * / R wieder vom Low-Zustand in den High-Zustand. Zu diesem Zeitpunkt t5 wechselt auch das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R vom Low-Zustand in den High-Zustand. Der Wechsel vom Low-Zustand in den High-Zustand erfolgt beim Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R zeitlich verzögert, nämlich erst zum Zeitpunkt t6. Da nicht beide abschaltbare Leistungshalbleiter eines Brückenzweiges 2 bzw. 4 einer Phase eines mehrphasigen Stromrichters gleichzeitig eingeschaltet sein dürfen, muss nun zunächst der Leistungshalbleiter T21 des Brückenzweiges 2 der Phase R des dreiphasigen Stromrichters ausgeschaltet werden. Dies geschieht zum Zeitpunkt t5 (Zustandswechsel des Brückenzweig-Ansteuersignals S * / 2R und des Phasensoll-Ansteuersignals S * / R ). Da das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R zum Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R zeitverzögert ist, wird auch der abschaltbare Leistungshalbleiter T22 zum Zeitpunkt t6 ausgeschaltet. Sobald eine vorbestimmte Verriegelungszeit abgelaufen ist, werden die abschaltbaren Leistungshalbleiter T11 und T12 zum Zeitpunkt t7 und zum Zeitpunkt t8 eingeschaltet.
  • Zum Zeitpunkt t9 wechselt wieder das Phasensoll-Ansteuersignal S * / R vom High-Zustand in den Low-Zustand. Diesmal wechselt ebenfalls zu diesem Zeitpunkt t9 das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R seinen Zustand. Verzögert wechselt das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R seinen Zustand vom High-Zustand in den Low-Zustand. Somit ist die verzögerte Ansteuerung von Leistungshalbleiter T12 auf den Leistungshalbleiter T11 übergegangen. Dadurch wird der Leistungshalbleiter T11 später ausgeschaltet (Zeitpunkt t10) als der Leistungshalbleiter T12. Dadurch weist nur der Leistungshalbleiter T11 Schaltverluste auf.
  • Zum Zeitpunkt t13 wechselt wieder das Phasensoll-Ansteuersignal S * / R vom Low-Zustand in den High-zustand. Zu diesem Zeitpunkt t13 wechselt auch das Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 4R vom Low-Zustand in den High-Zustand. Der Zustandswechsel beim Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R erfolgt zeitverzögert erst zum Zeitpunkt t14. Dadurch wechselt die verzögerte Ansteuerung zweier parallel geschalteter Leistungshalbleiter T11, T12 bzw. T21, T22 zweier Brückenzweige 2 und 4 einer Phase R eines mehrphasigen Stromrichters nach Ablauf einer Pulsperiode. Anstelle einer Pulsperiode kann der Wechsel auch nach mehreren Pulsperioden erfolgen. Der Alternierungszyklus kann vom Wert des ermittelten Laststromes iL1 abhängig gemacht werden.
  • In den 4 bis 7 sind jeweils die Phase R mit den beiden Brückenzweigen 2 und 4 und Stromverläufen dargestellt. In der 4 fließt der Laststrom iL anteilig über die Leistungshalbleiter T11 und T12. Die Zustände der zugehörigen Ansteuersignale ST11 und ST12 entsprechen den Zuständen vor dem Zeitpunkt t1. In der 5 fließt der Laststrom iL1 komplett über den Leistungshalbleiter T12. Um in den Stromaufteilung gemäß 4 zur Stromaufteilung gemäß 5 zu gelangen, ist der Leistungshalbleiter T11 entsprechend dem Brückenzweig-Ansteuersignal S * / 2R ausgeschaltet, wogegen der Leistungshalbleiter T12 verzögert ausgeschaltet wird. Zu dieser Stromaufteilung gehören die Ansteuersignale ST11 und ST12 während der Zeitspannen t2 – t1 bzw. t8 – t7. In der 6 ist die Stromaufteilung während der Zeitspannen t10 – t9 bzw. t16 – t15 veranschaulicht. In der 7 ist die Stromaufteilung dargestellt, bei der die beiden Leistungshalbleiter T21 und T22 anteilig den Laststrom iL1 führen. Die zugehörigen Ansteuersignale ST21 und ST22 befinden sich dann in der Zeitspanne t5 – t4 bzw. t13 – t12. Die 4, 5 und 7 bzw. die 4, 6 und 7 veranschaulichen jeweils einen Kommutierungsvorgang bei einem Laststrom iL1 größer Null.
  • Zur Vollständigkeit sind die Ansteuersignale S * / R, S * / 2R, S * / 4R, ST11, ST21, ST12 und ST22 mit einem Zeitstrahl und die Stromaufteilungen gemäß der 9 bis 12 für einen Laststrom iL1 kleiner Null dargestellt.
  • Durch die erfindungsgemäße alternierend verzögerte Ansteuerung hart parallel geschalteter abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines mehrphasigen selbstgeführten Stromrichters wird erreicht, dass eine unsymmetrische Aufteilung von Schaltverlusten, kompensiert wird. Dadurch können systeminterne Verzögerungen nicht mehr zu einer dauerhaft unsymmetrischen Belastung hart parallel geschalteter abschaltbarer Leistungshalbleiter führen. Dadurch können die vorhandenen abschaltbaren Leistungshalbleiter höher ausgenutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10013672 A1 [0007, 0008]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Ansteuern hart parallel geschalteter abschaltbarer Leistungshalbleiter (T11, T21, T12, T22) zweier Brückenzweige (2, 4) einer Phase (R, S, T) eines selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, wobei diese Leistungshalbleiter (T11, T21, T12, T22) alternierend verzögernd angesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Phasensoll-Ansteuersignal (S * / R) zwei Brückenzweig-Ansteuersignale (S * / 2R, S * / 4R) generiert werden, von denen immer ein Ansteuersignal (S * / 2R, S * / 4R) zum Phasensoll-Ansteuersignal (S * / R) alternierend verzögert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alternierungszyklus wenigstens einer Pulsperiode entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Alternierungszyklus in Abhängigkeit eines ermittelten Laststromes (iL1, iL2, iL3) einer Phase (R, S, T) des selbstgeführten Stromrichters bestimmt wird.
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