DE102010052808A1 - Method for operating vehicle e.g. hybrid vehicle, involves setting switch of one bridge branch of quasi-Z-source inverter such that outputs are shorted together in one time period and not short-circuited in another time period - Google Patents

Method for operating vehicle e.g. hybrid vehicle, involves setting switch of one bridge branch of quasi-Z-source inverter such that outputs are shorted together in one time period and not short-circuited in another time period Download PDF

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Abstract

A switch of one bridge branch of quasi-Z-source inverter is set such that the outputs are shorted together in one time period and not short-circuited in another time period. The current (IL1,IL2) flowing in a control circuit (15) comprising the inductors (L1,L2) is controlled by the ratio of time period at which the outputs are short-circuited and the time period at which the outputs are not short-circuited. The voltage (UC2) is applied at the capacitors (C1,C2) in a control circuit (16) based on the ratio of the time periods.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter, einer Gleichspannungsquelle und einem Wandler mit zumindest einem Brückenzweig, der im Rahmen des Verfahrens kurzgeschlossen wird.The invention relates to a method for operating a vehicle with a quasi-Z source converter, a DC voltage source and a converter with at least one bridge branch, which is short-circuited as part of the method.

Die für den Betrieb von Hybrid- und Elektrofahrzeugen benötigte elektrische Energie wird üblicherweise von einer Batterie bzw. einem Akkumulator zur Verfügung gestellt. Während die Batterie Gleichstrom liefert, ist für den Betrieb eines Elektromotors Wechselstrom erforderlich. Deshalb wird in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug eine Schaltungsanordnung benötigt, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Hierfür sind üblicherweise dreiphasige Pulswechselrichter vorgesehen, welche mit dem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Verfahren) betrieben werden. Bei gewöhnlichen dreiphasigen Wechselrichtern tritt jedoch das Problem auf, dass die erzeugte Ausgangsspannung stets kleiner oder gleich dem Betrag der bereitgestellten Gleichspannung ist. Sinkt beispielsweise die Spannung der Batterie, sinkt auch die maximale Spannung, die dem Elektromotor bereitgestellt werden kann.The electrical energy required for the operation of hybrid and electric vehicles is usually provided by a battery or an accumulator. While the battery supplies DC power, AC power is required to operate an electric motor. Therefore, in an electrically powered motor vehicle, circuitry is needed to convert DC power to AC power. For this purpose, usually three-phase pulse inverters are provided, which are operated with the pulse width modulation method (PWM method). In the case of ordinary three-phase inverters, however, the problem arises that the generated output voltage is always less than or equal to the amount of the DC voltage provided. If, for example, the voltage of the battery drops, the maximum voltage that can be supplied to the electric motor also decreases.

Um diesem Problem zu begegnen, wurden Impedanzwechselrichter entwickelt, mit denen sich die Ausgangsspannung, die der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt wird, hochsetzen lässt. In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Impedanzwechselrichter dargestellt, wobei die vorliegende Ausführung als Z-Source-Converter (ZSC) bezeichnet wird. In der Grundschaltung handelt es sich um eine Kombination aus einem passiven L-C-Netzwerk (Z-Netzwerk) und einem dreiphasigen Pulswechselrichter, der wiederum aus sechs Schaltern mit jeweils einer antiparallel angeordneten Freilaufdiode besteht. An eine Batterie 3 mit einem positiven Pol 13 und einem negativen Pol 14 ist über einen ersten Eingang E1 und einen zweiten Eingang E2 ein Zwischenkreis mit induktiven und kapazitiven Komponenten angeschlossen. Dieser umfasst zwei Drosseln L1 und L2 und zwei Kondensatoren C1 und C2 (Zwischenkreiskondensatoren), die in einer X-Konfiguration geschaltet sind. Zudem folgt unmittelbar auf den ersten Eingang E1 eine Diode D mit einer Anodenseite AS und einer Kathodenseite KS. Während über den Eingängen E1 und E2 die Eingangsspannung UE anliegt, liegt über den Ausgängen A1 und A2 die Zwischenkreisspannung UZK an. Der Zwischenkreis mit Brücke bildet einen sogenannten Z-Source-Umrichter 28.To address this problem, impedance inverters have been developed to increase the output voltage provided to the electrical machine. In 1 there is shown an impedance inverter known in the art, the present embodiment being referred to as Z-source converter (ZSC). The basic circuit is a combination of a passive LC network (Z network) and a three-phase pulse inverter, which in turn consists of six switches, each with an antiparallel freewheeling diode. To a battery 3 with a positive pole 13 and a negative pole 14 is connected via a first input E1 and a second input E2 a DC link with inductive and capacitive components. This comprises two inductors L 1 and L 2 and two capacitors C 1 and C 2 (DC link capacitors) connected in an X configuration. In addition, a diode D with an anode side AS and a cathode side KS follows directly on the first input E1. While the input voltage U E is present across the inputs E1 and E2, the intermediate circuit voltage U ZK is present across the outputs A1 and A2. The DC link with bridge forms a so-called Z-source converter 28 ,

An die Ausgänge A1 und A2 ist ein Wechselrichter 2, welcher im Beispiel ein dreiphasiger Pulswechselrichter ist, angeschlossen. Der Wechselrichter 2 umfasst drei zueinander parallel geschaltete Brückenzweige B1, B2 und B3. Jeder der Brückenzweige B1, B2 und B3 umfasst einen oberen Schalter SO und einen hierzu in Reihe geschalteten unteren Schalter SU. Die Schalter SO und SU sind üblicherweise als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (sogenannte IGBT-Schalter) ausgebildet und sind besonders für den Einsatz bei hohen Spannungen geeignet. Antiparallel zu jedem der Schalter SO und SU ist eine als Schutzdiode wirkende Freilaufdiode geschaltet. Zu den oberen Schaltern SO sind obere Freilaufdioden FO antiparallel geschaltet, während zu den unteren Schaltern SU untere Freilaufdioden FU antiparallel geschaltet sind. Zwischen den oberen Schaltern SO und den unteren Schaltern SU werden die Phasen für eine Drehfeldmaschine 4 abgegriffen. Die Drehfeldmaschine 4 stellt dann eine dreiphasige Last dar.To the outputs A1 and A2 is an inverter 2 , which in the example is a three-phase pulse inverter, connected. The inverter 2 comprises three parallel bridge branches B1, B2 and B3. Each of the bridge branches B1, B2 and B3 comprises an upper switch S O and a lower switch S U connected in series therewith. The switches S O and S U are usually designed as bipolar transistors with insulated gate electrode (so-called IGBT switch) and are particularly suitable for use at high voltages. Antiparallel to each of the switches S O and S U is connected as a protective diode acting freewheeling diode. To the upper switches S O upper freewheeling diodes F O are connected in anti-parallel, while the lower switches S U lower freewheeling diodes F U are connected in anti-parallel. Between the upper switches S O and the lower switches S U are the phases for a rotary field machine 4 tapped. The induction machine 4 then represents a three-phase load.

Bei gewöhnlichen dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichtern kann die Amplitude der pulsförmigen Ausgangsspannung maximal so groß werden wie der Betrag der Zwischenkreisspannung UZK. Folglich liegt das Verhalten eines Tiefsetzstellers vor. Im Gegensatz dazu kann bei einem Z-Source-Converter durch zeitlich getaktetes Kurzschließen des Z-Netzwerkes der zeitliche Mittelwert der Zwischenkreisspannung UZK gegenüber der Eingangsspannung UE erhöht werden. Dieser Kurzschlusszustand wird als Boost oder Shoot-Through bezeichnet. Erreicht wird der Zustand durch Kurzschließen von mindestens einem der Brückenzweige B1, B2 und/oder B3. Somit hat der Z-Source-Converter sowohl eine tiefsetzende als auch eine hochsetzende Funktion.In the case of ordinary three-phase voltage source converters, the amplitude of the pulse-shaped output voltage can be at most as great as the amount of the intermediate circuit voltage U ZK . Consequently, the behavior of a buck converter is present. In contrast, in a Z-source converter by timed short-circuiting of the Z-network, the time average of the intermediate circuit voltage U ZK relative to the input voltage U E can be increased. This short circuit condition is called a boost or shoot-through. The state is achieved by short-circuiting at least one of the bridge branches B1, B2 and / or B3. Thus, the Z source converter has both a deep-set and a high-set function.

Da die Drehfeldmaschine 4 über die Batterie 3 (Traktionsbatterie) gespeist wird, kann es mit zunehmender Entladung der Batterie 3 zu einer sinkenden Eingangsspannung UE und damit zu einem Spannungseinbruch an der Drehfeldmaschine 4 kommen. Der Z-Source-Converter vermeidet dieses Problem, in dem er die der Drehfeldmaschine 4 bereitgestellte Spannung über seine Hochsetzstellerfunktion an das gewünschte Spannungsniveau anpasst.As the induction machine 4 over the battery 3 (Traction battery) is powered, it can with increasing discharge of the battery 3 to a decreasing input voltage U E and thus to a voltage dip at the induction machine 4 come. The Z-Source converter avoids this problem, in that it is the rotary field machine 4 supplied voltage via its boost converter function to the desired voltage level adapts.

Die DE 10 2007 038 959 A1 beschreibt einen Wechselrichter mit zwei Zwischenkreisen und einem Brückenzweig. Der erste Zwischenkreis umfasst hierbei zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, die einerseits an einem gemeinsamen Erdanschluss miteinander verbunden sind und andererseits an zwei Gleichspannungseingängen anliegen. Der Brückenzweig dient der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung und umfasst zwei zur Abgabe der Wechselspannung bestimmte Ausgänge, von denen einer eine Netzdrossel aufweist. Zwischen dem ersten Zwischenkreis und dem Brückenzweig ist ein zweiter Zwischenkreis angeordnet, welcher den Brückenzweig mit Spannung versorgt und eine Hochsetzmöglichkeit für die Eingangsspannung aufweist.The DE 10 2007 038 959 A1 describes an inverter with two DC links and a bridge branch. The first intermediate circuit in this case comprises two capacitors connected in series, which are connected to one another at a common ground terminal on the one hand and on the other hand abut against two DC voltage inputs. The bridge branch serves to convert DC voltage into AC voltage and comprises two outputs intended for delivering the AC voltage, one of which has a mains choke. Between the first intermediate circuit and the bridge branch, a second intermediate circuit is arranged, which the Bridge branch supplied with voltage and a Hochsetzmöglichkeit for the input voltage has.

Aus der DE 10 2008 046 301 A1 ist ein Wechselrichtersystem und ein spezielles Verfahren zum Betrieb desselben bekannt. Das Wechselrichtersystem umfasst einen Impedanzwechselrichter, der nahezu identisch zu dem in 1 dargestellten Z-Source-Converter aufgebaut ist. Die enthaltenen Schalter werden durch ein Pulsweitenmodulationssignal eines Controllers angesteuert. Durch einen geeigneten Betrieb eines ersten Satzes von Schaltern des Wechselrichters auf der Grundlage eines ersten Trägersignals sowie eines zweiten Satzes von Schaltern des Wechselrichters auf der Grundlage eines zweiten Trägersignals kann erreicht werden, dass die induktiven Komponenten des Wechselrichters kleiner als üblich ausgebildet werden können.From the DE 10 2008 046 301 A1 For example, an inverter system and a special method of operating the same is known. The inverter system includes an impedance inverter that is almost identical to the one in 1 constructed Z-source converter is constructed. The contained switches are controlled by a pulse width modulation signal of a controller. By suitably operating a first set of switches of the inverter on the basis of a first carrier signal and a second set of switches of the inverter on the basis of a second carrier signal can be achieved that the inductive components of the inverter can be made smaller than usual.

Aus der Veröffentlichung „J. Anderson and F. Z. Peng (Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University): Four Quasi-Z-Source Inverters, Power Electronics Specialists Conference 2008, Datum: 15.–19. Juni 2008, Seiten 2743–2749” ist die Schaltungsanordnung eines Quasi-Z-Source-Umrichters mit einem parallel zur Diode des Quasi-Z-Source-Umrichters geschalteten Rückspeiseschalter bekannt. Sie unterscheidet sich durch eine andere Bauteilanordnung von dem konventionellen Z-Source-Converter. Wie in 1 kann auch an den Quasi-Z-Source-Umrichter ausgangsseitig ein Wechselrichter angeschlossen sein. Es ist dann bekannt, zumindest einen der Brückenzweige des Wechselrichters kurzzeitig kurzzuschließen und so die Zwischenkreisspannung zu steuern. Damit liegt das selbe Steuerprinzip wie für den Z-Source-Umrichter vor.From the publication "J. Anderson and FZ Peng (Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University): Four Quasi-Z Source Inverters, Power Electronics Specialists Conference 2008, Date: 15-19. June 2008, pages 2743-2749 " the circuit arrangement of a quasi-Z source inverter with a parallel to the diode of the quasi-Z source inverter switched feedback switch is known. It differs from the conventional Z source converter by a different component arrangement. As in 1 can also be connected to the quasi-Z source inverter output side, an inverter. It is then known to briefly short-circuit at least one of the bridge branches of the inverter and thus to control the intermediate circuit voltage. This is the same control principle as for the Z-source inverter.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Leistungsübertragung zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem elektrischen Verbraucher verbessern lässt.It is an object of the invention to provide a method with which the power transmission between a DC voltage source and an electrical load can be improved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter. Ein Quasi-Z-Source-Umrichter ist eine elektrische Schaltungsanordnung, die insbesondere zum Hochsetzen einer Spannung dient. Der Quasi-Z-Source-Umrichter umfasst einen ersten und einen zweiten Eingang zum Anlegen einer Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird von einer Gleichspannungsquelle, z. B. einer Batterie, bereitgestellt. Der Quasi-Z-Source-Umrichter umfasst auch einen ersten und einen zweiten Ausgang. Zudem umfasst er eine erste und eine zweite Drossel mit jeweils einer ersten und einer zweiten Anschlussseite, eine Diode mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite sowie einen ersten und einen zweiten Kondensator mit jeweils einer ersten und einer zweiten Anschlussseite. Diese Komponenten sind innerhalb des Quasi-Z-Source-Umrichters wie folgt geschaltet: Zwischen den ersten Eingang und den ersten Ausgang sind die zwei Drosseln und die Diode zueinander in Serie geschaltet. Hierbei ist die erste Anschlussseite der ersten Drossel mit dem ersten Eingang verbunden, während die zweite Anschlussseite der ersten Drossel mit der Anodenseite verbunden ist. Die Kathodenseite der Diode ist darüber hinaus mit der ersten Anschlussseite der zweiten Drossel verbunden. Die zweite Anschlussseite der zweiten Drossel ist schließlich mit dem ersten Ausgang verbunden. Die Kondensatoren, welche auch als Zwischenkreiskondensatoren bezeichnet werden können, sind wie folgt geschaltet: Der erste Kondensator ist parallel zur Diode und zweiten Drossel geschaltet. Der zweite Kondensator ist so geschaltet, dass er mit seiner ersten Anschlussseite mit der Kathodenseite der Diode verbunden ist und mit seiner zweiten Anschlussseite sowohl mit dem zweiten Eingang als auch mit dem zweiten Ausgang verbunden ist. Unter dem Begriff Drossel ist allgemein ein induktives Bauteil bzw. eine Spule zu verstehen. Unter dem Begriff Kondensator ist allgemein ein kapazitives Bauteil zu verstehen.The method according to the invention serves to operate a vehicle with a quasi-Z source converter. A quasi-Z source inverter is an electrical circuit arrangement that serves in particular for boosting a voltage. The quasi-Z source inverter comprises a first and a second input for applying a DC voltage. This DC voltage is from a DC voltage source, for. As a battery provided. The quasi-Z source inverter also includes first and second outputs. In addition, it comprises a first and a second throttle each having a first and a second terminal side, a diode having an anode side and a cathode side and a first and a second capacitor having a first and a second terminal side. These components are connected within the quasi-Z source inverter as follows: Between the first input and the first output, the two reactors and the diode are connected in series with each other. Here, the first connection side of the first throttle is connected to the first input, while the second connection side of the first throttle is connected to the anode side. The cathode side of the diode is also connected to the first terminal side of the second choke. The second connection side of the second throttle is finally connected to the first output. The capacitors, which can also be referred to as DC link capacitors, are connected as follows: The first capacitor is connected in parallel to the diode and second choke. The second capacitor is connected so that its first terminal side is connected to the cathode side of the diode and its second terminal side is connected both to the second input and to the second output. The term throttle is generally to be understood as meaning an inductive component or a coil. The term capacitor is generally to be understood as a capacitive component.

Der Quasi-Z-Source-Umrichter umfasst auch einen Rückspeiseschalter, welcher antiparallel zur Diode geschaltet ist. Der Rückspeiseschalter kann also insbesondere im geschlossenen Zustand die Diode elektrisch überbrücken. Der Rückspeiseschalter und die Diode können auch in einem gemeinsamen Bauteil vorliegen. Im geschlossenen Zustand kann der Rückspeiseschalter ermöglichen, dass eine an den ersten und zweiten Ausgang angeschlossene Stromquelle zu einem Stromfluss über den ersten und zweiten Eingang führen kann. Hiermit lässt sich der Quasi-Z-Source-Umrichter in Rückwärtsrichtung betreiben. Während an den Eingängen eine Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, ist an die Ausgänge normalerweise eine Last angeschlossen. Mit dem Rückspeiseschalter ist es nun möglich, dass Energie, welche von dem üblicherweise als Last wirkenden Bauelement bereitgestellt wird, über den Rückspeiseschalter in die Gleichspannungsquelle einspeisbar ist. Der Quasi-Z-Source-Umrichter fördert damit die Energieeffizienz und verringert die Verlustleistung. Ansonsten ungenutzte Energie lässt sich verwerten. Ein mit einer solchen Schaltungsanordnung ausgerüstetes Fahrzeug ist damit energiesparender, kostengünstiger zu betreiben, umweltfreundlicher und fähig, mit demselben Energievorrat größere Distanzen zu überbrücken.The quasi-Z source inverter also includes a regenerative switch which is connected in anti-parallel to the diode. The regenerative switch can thus bridge the diode electrically, especially in the closed state. The regenerative switch and the diode can also be present in a common component. When closed, the regenerative switch may allow a current source connected to the first and second outputs to conduct current through the first and second inputs. This allows the quasi-Z source inverter to operate in the reverse direction. While a DC voltage source is provided at the inputs, a load is normally connected to the outputs. With the feedback switch, it is now possible that energy which is provided by the usually acting as a load device, can be fed via the feedback switch in the DC voltage source. The quasi-Z source inverter thus promotes energy efficiency and reduces power loss. Otherwise unused energy can be recycled. A equipped with such a circuit vehicle is thus energy-efficient, cheaper to operate, environmentally friendly and able to bridge with the same energy supply longer distances.

Das Fahrzeug umfasst vorzugsweise auch eine Gleichspannungsquelle, deren positiver Pol mit dem ersten Eingang des Quasi-Z-Source-Umrichters verbunden ist und deren negativer Pol mit dem zweiten Eingang des Quasi-Z-Source-Umrichters verbunden ist. Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich insbesondere um eine elektrochemische Zelle, z. B. eine Traktionsbatterie oder Brennstoffzelle, handeln. Das Fahrzeug umfasst vorzugsweise auch einen Wandler, welcher mit den Ausgängen des Quasi-Z-Source-Umrichters verbunden ist. An den Wandler kann dann insbesondere eine elektrische Maschine angeschlossen sein. Mit dem Wandler ist es insbesondere möglich, durch dessen geeignete Schaltung bzw. Ansteuerung die speziellen Vorzüge der Schaltungsanordnung zum Tragen kommen zu lassen. Der Wandler kann insbesondere so betrieben werden, dass die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung an den Ausgängen der Schaltungsanordnung tiefgesetzt oder hochgesetzt werden kann. Der Wandler erlaubt also insbesondere einen tiefsetzstellenden und/oder hochsetzstellenden Betrieb der Schaltungsanordnung. Die an den Ausgängen bereitgestellte Spannung ist dann insbesondere geringer bzw. höher als die von der Gleichspannungsquelle an den Eingängen bereitgestellte Spannung. Damit lässt sich die Spannung flexibel an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen. Nimmt die maximal bereitstellbare Spannung der Gleichspannungsquelle beispielsweise im Laufe der Zeit ab, so kann durch einen geeigneten Betrieb des Wandlers die Schaltungsanordnung so betrieben werden, dass sie als Aufwärtswandler agiert und dabei z. B. das Spannungsniveau an den Ausgängen konstant hält.The vehicle preferably also includes a DC voltage source whose positive pole is connected to the first input of the quasi-Z source inverter is connected and whose negative pole is connected to the second input of the quasi-Z source inverter. The DC voltage source may in particular be an electrochemical cell, for. As a traction battery or fuel cell act. The vehicle preferably also includes a converter connected to the outputs of the quasi-Z source inverter. In particular, an electrical machine can then be connected to the converter. With the converter, it is possible, in particular, to have the special advantages of the circuit arrangement come into play through its suitable circuit or activation. In particular, the converter can be operated in such a way that the DC voltage provided by the DC voltage source can be boosted or boosted at the outputs of the circuit arrangement. The converter thus permits in particular a deep-set and / or high-set operation of the circuit arrangement. The voltage provided at the outputs is then in particular lower or higher than the voltage provided by the DC voltage source at the inputs. This allows the voltage to be flexibly adapted to the respective conditions. If, for example, the maximum supply voltage of the DC voltage source decreases over time, the circuit arrangement can be operated by a suitable operation of the converter in such a way that it acts as an up-converter and thereby z. B. keeps the voltage level at the outputs constant.

Der Wandler umfasst zumindest einen Brückenzweig, welcher zwischen den ersten und zweiten Ausgang der Schaltungsanordnung geschaltet ist. Der zumindest eine Brückenzweig umfasst einen oberen Schalter und einen unteren Schalter, die in Serie zueinander geschaltet sind, wobei jeweils eine Freilaufdiode antiparallel zum oberen und unteren Schalter geschaltet ist. Eine obere Freilaufdiode ist antiparallel zum oberen Schalter geschaltet, d. h., dass ihre Kathodenseite mit dem ersten Ausgang verbunden ist. Eine untere Freilaufdiode ist antiparallel zum unteren Schalter geschaltet, d. h., dass ihre Anodenseite mit dem zweiten Ausgang verbunden ist. Diese Ausgestaltung des Wandlers erlaubt einen besonders bedarfsgerechten Betrieb der Schaltungsanordnung. Werden der obere und untere Schalter gleichzeitig geschlossen, so kommt es zum Kurzschluss zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang. Diese Stellung führt dann insbesondere zum sogenannten Boost bzw. Shoot-Through. Die Schaltungsanordnung wirkt durch periodisches Einschalten (Pulsweitenmodulation, PWD) dann als Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller. Die zwischen den Ausgängen auftretende Spannung ist dann im Mittel bzw. während der Nicht-Boost-Zustände höher als die zwischen den Eingängen anliegende Spannung. Die von der Schaltungsanordnung bereitgestellte Spannung kann nahezu beliebig variiert und bedarfsgerecht angepasst werden. Die Freilaufdioden übernehmen eine Schutzfunktion und verhindern gezielt Beschädigungen der Bauelemente der Schaltungsanordnung und/oder des Wandlers.The converter comprises at least one bridge branch, which is connected between the first and second output of the circuit arrangement. The at least one bridge branch comprises an upper switch and a lower switch, which are connected in series with each other, wherein in each case a freewheeling diode is connected in anti-parallel to the upper and lower switch. An upper freewheeling diode is connected in anti-parallel to the upper switch, d. that is, their cathode side is connected to the first output. A lower freewheeling diode is connected in anti-parallel to the lower switch, d. h. that its anode side is connected to the second output. This embodiment of the converter allows a particularly needs-based operation of the circuit arrangement. If the upper and lower switches are closed at the same time, there will be a short circuit between the first output and the second output. This position then leads in particular to the so-called boost or shoot-through. The circuit arrangement then acts as a step-up converter or step-up converter by periodically switching on (pulse width modulation, PWD). The voltage occurring between the outputs is then higher than the voltage between the inputs during the middle or during the non-boost states. The voltage provided by the circuit arrangement can be varied almost as desired and adapted as needed. The freewheeling diodes assume a protective function and specifically prevent damage to the components of the circuit arrangement and / or the converter.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient nun zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter, einer Gleichspannungsquelle und einem Wandler in der beschriebenen Ausgestaltung. Gemäß dem Verfahren werden die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind. Es kommt dann insbesondere zur sogenannten Boost-Phase bzw. dem sogenannten Shoot-Through. insbesondere wird hierbei an den Eingängen von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Energie in den Drosseln gespeichert. Anschließend werden die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine zweite Zeitdauer nicht miteinander kurzgeschlossen sind. Liegt während dieser zweiten Zeitdauer an dem Wandler eine Last an, so spricht man insbesondere von einem aktiven Zustand. Liegt jedoch während der zweiten Zeitdauer an dem Wandler keine Last an, so wird dieser Zustand insbesondere als Freilauf bezeichnet. Sowohl im aktiven Zustand als auch im Freilauf wird insbesondere die in den Drosseln gespeicherte Energie in die Kondensatoren umgeladen bzw. steht der Last zur Verfügung. Die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer können insbesondere variabel zueinander eingestellt werden. Insbesondere kann das Verhältnis der ersten Zeitdauer zur zweiten Zeitdauer eingestellt werden. Hierdurch lässt sich die über den Ausgängen anliegende Spannung kontinuierlich und variabel einstellen, wobei je nach Wahl der jeweiligen Zeitdauern die hochsetzstellenden Eigenschaften der Schaltungsanordnung eingestellt werden. Die einer Last zur Verfügung stellbare Spannung kann sehr variabel angepasst werden.The method according to the invention now serves for operating a vehicle having a quasi-Z source converter, a DC voltage source and a converter in the described embodiment. According to the method, the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over a first period of time. It then comes in particular to the so-called boost phase or the so-called shoot-through. In particular, energy supplied to the inputs from the DC voltage source is stored in the chokes. Subsequently, the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output are not short-circuited to each other over a second period of time. If a load is applied to the converter during this second period of time, one speaks in particular of an active state. However, if there is no load on the converter during the second time period, then this state is referred to in particular as freewheeling. Both in the active state and in the freewheel, in particular, the energy stored in the chokes is transferred to the capacitors or is available to the load. The first time duration and the second time duration can in particular be set variably to one another. In particular, the ratio of the first time period to the second time duration can be set. As a result, the voltage applied across the outputs can be adjusted continuously and variably, wherein the high-setting properties of the circuit arrangement are set, depending on the choice of the respective time periods. The voltage available to a load can be adjusted very variably.

Erfindungsgemäß wird der durch die erste Drossel und/oder zweite Drossel fließende Strom in einem ersten Regelkreis anhand des Verhältnisses der ersten Zeitdauer zur zweiten Zeitdauer geregelt. Unabhängig davon erfolgt die Regelung der am ersten Kondensator und/oder zweiten Kondensator anliegenden Spannung im Rahmen eines zweiten Regelkreises ebenfalls anhand des Einstellens des Verhältnisses der ersten Zeitdauer zur zweiten Zeitdauer. Drosselstrom und Kondensatorspannung können so unabhängig voneinander geregelt werden. Die unabhängige Regelung des Drosselstroms und der Kondensatorspannung kann hierbei ausschließlich durch die Wahl des zeitlichen Anteils der Boost-Phasen erfolgen. Es wird eine einfache und dennoch zweckmäßige Regelung der auftretenden Spannungen und Ströme ermöglicht.According to the invention, the current flowing through the first throttle and / or second throttle is regulated in a first control loop on the basis of the ratio of the first time duration to the second time duration. Irrespective of this, the regulation of the voltage applied to the first capacitor and / or the second capacitor in the context of a second control circuit likewise takes place by means of setting the ratio of the first time duration to the second time duration. Inductor current and capacitor voltage can be controlled independently of each other. The independent regulation of the inductor current and the capacitor voltage can be effected exclusively by selecting the time proportion of the boost phases. It is a simple, yet convenient control of the occurring voltages and currents allows.

Vorzugsweise bildet hierbei der erste Regelkreis einen inneren Regelkreis, welcher von dem zweiten Regelkreis überlagert wird. Dann ist die Regelung durch ein ausschließliches Einstellen des Verhältnisses der ersten Zeitdauer zur zweiten Zeitdauer besonders einfach und unkompliziert möglich. Preferably, in this case, the first control loop forms an inner control loop, which is superimposed by the second control loop. Then, the regulation by an exclusive setting of the ratio of the first period of time to the second period of time is particularly simple and straightforward possible.

Vorzugsweise wird der Rückspeiseschalter zumindest über ein Teilintervall der zweiten Zeitdauer geschlossen und während der ersten Zeitdauer geöffnet. Insbesondere bevorzugt ist es hierbei, den Rückspeiseschalter über die gesamte zweite Zeitdauer zu schließen. Im Falle, dass am Wandler eine Last anliegt, erfolgt dieses Schließen des Rückspeiseschalters vorzugsweise insbesondere dann, wenn der doppelte Drosselstrom kleiner wird als der Laststrom. Ohne Schließen des Rückspeiseschalters kommt es dann nämlich zum laststrombedingten Kurzschluss. Dies ist ein ungewollter Zustand, der insbesondere von einem Wechsel von einem Freilaufzustand oder Boost-Zustand in einen aktiven Zustand auftritt. Es stellt sich ein Boost-Zustand ein, obwohl ein aktiver Zustand erwünscht ist. Dieser laststrombedingte Boost-Zustand kann verhindert werden, indem der Rückspeiseschalter zeitgleich parallel zu den aktiven Zuständen zugeschaltet wird. Eine an den Wandler angeschlossene Last kann damit sehr stabil und störungsfrei betrieben werden. Auch unter extremen Situationen kommt es zu keinen unerwünschten Spannungseinbrüchen. Die Konstanz der bereitgestellten Spannung wird sichergestellt.Preferably, the regenerative switch is closed at least over a partial interval of the second time period and opened during the first time period. In this case, it is particularly preferable to close the regenerative switch over the entire second period of time. In the event that a load is applied to the converter, this closing of the feedback switch is preferably carried out in particular when the double inductor current is smaller than the load current. Without closing the regenerative switch then it comes namely to the load current-related short circuit. This is an unwanted condition which occurs in particular from a change from a freewheel state or boost state to an active state. It turns on a boost state, although an active state is desired. This load-current-dependent boost state can be prevented by the regenerative switch being switched on simultaneously with the active states. A connected to the converter load can be operated very stable and trouble-free. Even in extreme situations, there are no unwanted voltage drops. The constancy of the voltage provided is ensured.

Vorzugsweise umfasst der Wandler zumindest zwei Brückenzweige, wobei im Rahmen des Verfahrens zumindest einer der Brückenzweige ausgewählt wird, für den der obere und untere Schalter so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über die erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind, und wobei die Auswahl so erfolgt, dass ein möglichst geringer Maximalstrom über sämtliche Schalter und/oder Freilaufdioden der Brückenzweige fließt. Die Auswahl des kurzzuschließenden Brückenzweiges erfolgt also insbesondere so, dass die Strombelastung der Bauelemente in den Brückenzweigen reduziert wird. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer der Bauelemente verlängern. Die Schaltungsanordnung bzw. der Wandler werden geschützt, ohne dass unerwünschte Defekte und Störungen auftreten. Die Betriebsweise ist insgesamt äußerst schonend.Preferably, the converter comprises at least two bridge branches, wherein in the method at least one of the bridge branches is selected, for which the upper and lower switches are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over the first time period, and wherein the Selection is made so that the lowest possible maximum current flows over all switches and / or free-wheeling diodes of the bridge arms. The selection of the short-circuiting bridge branch is thus in particular such that the current load of the components in the bridge branches is reduced. In this way, the life of the components can be extended. The circuit arrangement or the converter are protected without undesired defects and malfunctions occurring. The operation is extremely gentle overall.

Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass der Wandler zumindest zwei Brückenzweige umfasst und zumindest zwei der Brückenzweige ausgewählt werden, für die jeweils der obere und der untere Schalter so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über die erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind. Bei einem Kurzschluss der beiden Ausgänge teilt sich der fließende Strom dann insbesondere auf mehrere Brückenzweige auf, so dass die in diesen Brückenzweigen vorhandenen Bauelemente geringeren Strombelastungen ausgesetzt sind. Beschädigungen der Schalter und/oder Freilaufdioden werden zuverlässig vermieden, Schäden werden verhindert und die Lebensdauer der Schaltungsanordnung und/oder des Wandlers wird erhöht.Preferably, it can also be provided that the converter comprises at least two bridge branches and at least two of the bridge branches are selected, for each of which the upper and the lower switch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over the first time period. In the event of a short circuit between the two outputs, the flowing current is then split in particular over a plurality of bridge branches, so that the components present in these bridge branches are exposed to lower current loads. Damage to the switches and / or freewheeling diodes are reliably avoided, damage is prevented and the life of the circuit arrangement and / or the converter is increased.

Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens eine Last an den Wandler angeschlossen. Vorzugsweise werden dann die oberen und unteren Schalter zumindest eines der Brückenzweige mit den unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten betrieben:

  • 1) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang miteinander kurzgeschlossen sind (Boost-Zustand);
  • 2) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass ein Strom über die Last fließt (aktiver Zustand);
  • 3) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass kein Strom über die Last fließt und der erste Ausgang und der zweite Ausgang nicht miteinander kurzgeschlossen sind (Freilauf-Zustand); und
  • 4) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass ein Strom über die Last fließt (aktiver Zustand).
Preferably, in the context of the method, a load is connected to the converter. Preferably, then, the upper and lower switches of at least one of the bridge branches are operated with the immediately consecutive steps:
  • 1) setting the upper and lower switches so that the first output and the second output are shorted together (boost state);
  • 2) adjusting the upper and lower switches so that a current flows across the load (active state);
  • 3) setting the upper and lower switches so that no current flows across the load and the first output and the second output are not shorted together (freewheeling state); and
  • 4) Adjust the upper and lower switches so that a current flows over the load (active state).

Dieses Betriebsverfahren kann insbesondere dann Anwendung finden, wenn der Wandler nur einen Brückenzweig aufweist, und insbesondere als DC/DC-Wandler funktioniert. Das Verfahren kann also insbesondere Anwendung bei einphasiger Belastung finden. Das Betriebsverfahren zeichnet sich durch sehr wenige Schaltvorgänge aus, so dass die Schaltverluste insgesamt gering gehalten werden können.This operating method can be used in particular when the converter has only one bridge branch, and in particular functions as a DC / DC converter. The method can thus find particular application in single-phase loading. The operating method is characterized by very few switching operations, so that the switching losses can be kept low overall.

Vorzugsweise ist der Wandler ein Wechselrichter für den mehrphasigen Betrieb einer elektrischen Maschine. Insbesondere kann er so ausgebildet sein, dass er einen dreiphasigen Wechselrichterbetrieb zulässt. Der Wechselrichter umfasst dann für jede zu erzeugende Phase jeweils einen Brückenzweig, wobei die einzelnen Brückenzweige alle parallel zueinander geschaltet sind. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter des Wechselrichters mit geeigneten Steuersignalen kann so zwischen den Ausgängen anliegende Gleichspannung über ein Pulsweitenmodulationsverfahren in geeigneter Art und Weise in Wechselspannung umgewandelt werden. Die Schaltungsanordnung wirkt dann gemeinsam mit einer Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter als DC/AC-Wandler mit gleichzeitig hochsetzstellender Funktionalität. Durch den Rückspeiseschalter kann die gesamte Anordnung auch rückwärtig betrieben werden. Das heißt, dass eine an den Wechselrichter angeschlossene Wechselspannungsquelle dazu genutzt werden kann, Gleichspannung an den Eingängen der Schaltungsanordnung bereitzustellen und so beispielsweise eine an die Eingänge angeschlossene Batterie aufzuladen.Preferably, the converter is an inverter for the multi-phase operation of an electrical machine. In particular, it can be designed so that it allows a three-phase inverter operation. The inverter then comprises a bridge branch for each phase to be generated, the individual bridge branches being all connected in parallel with one another. By suitably controlling the switches of the inverter with suitable control signals, DC voltage applied between the outputs can thus be converted into AC voltage in a suitable manner via a pulse width modulation method. The circuit then acts together with a DC voltage source and the inverter as a DC / AC converter with simultaneously hochsetzstellender functionality. Through the regenerative switch, the entire arrangement can also be operated backward. This means that an AC voltage source connected to the inverter can be used to provide DC voltage at the inputs of the circuit arrangement and so for example to charge a connected to the inputs battery.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter bereitgestellt, welcher eine Diode und einen parallel zur Diode geschalteten Rückspeiseschalter, eine erste Drossel, eine zweite Drossel, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst. Das Fahrzeug umfasst eine Gleichspannungsquelle, welche eingangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist. Ferner umfasst das Fahrzeug einem Wandler, welcher ausgangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist und welcher zumindest einen Brückenzweig umfasst, der zwischen einen ersten und einen zweiten Ausgang des Quasi-Z-Source-Umrichters geschaltet ist. Der zumindest eine Brückenzweig umfasst einen oberen und einen unteren Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Im Rahmen des Verfahrens werden die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind und anschließend die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine zweite Zeitdauer nicht miteinander kurzgeschlossen sind. Gemäß dieser Alternativen Ausgestaltung wird der Rückspeiseschalter zumindest über ein Teilintervall der zweiten Zeitdauer geschlossen und während der ersten Zeitdauer geöffnet. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe auch durch die alternative Ausgestaltung der Erfindung gelöst.According to an alternative embodiment of the invention, a method for operating a vehicle having a quasi-Z source converter is provided, which comprises a diode and a parallel-to-diode feedback switch, a first choke, a second choke, a first capacitor and a second capacitor includes. The vehicle comprises a DC voltage source which is connected on the input side to the quasi-Z source inverter. Furthermore, the vehicle comprises a converter, which is connected on the output side to the quasi-Z source converter and which comprises at least one bridge branch, which is connected between a first and a second output of the quasi-Z source converter. The at least one bridge branch comprises an upper and a lower switch, which are connected in series. In the context of the method, the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over a first period of time and then the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output via a second period of time are not shorted together. According to this alternative embodiment, the regenerative switch is closed at least over a partial interval of the second time period and opened during the first time period. According to the invention, the above object is also achieved by the alternative embodiment of the invention.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter bereitgestellt, welcher eine Diode und einen parallel zur Diode geschalteten Rückspeiseschalter, eine erste Drossel, eine zweite Drossel , einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst. Das Fahrzeug umfasst eine Gleichspannungsquelle, welche eingangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist. Ferner umfasst das Fahrzeug einem Wandler, welcher ausgangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist und welcher zumindest einen Brückenzweig umfasst, der zwischen einen ersten und einen zweiten Ausgang des Quasi-Z-Source-Umrichters geschaltet ist. Der zumindest eine Brückenzweig umfasst einen oberen und einen unteren Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Im Rahmen des Verfahrens werden die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind und anschließend die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine zweite Zeitdauer nicht miteinander kurzgeschlossen sind. Gemäß dieser weiteren alternativen Ausgestaltung umfasst der Wandler zumindest zwei Brückenzweige. Es wird zumindest einer der Brückenzweige ausgewählt, für den der obere und der untere Schalter so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über die erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind, wobei die Auswahl so erfolgt, dass ein möglichst geringer Maximalstrom über sämtliche Schalter und/oder Freilaufdioden der Brückenzweige fließt. Vorzugsweise kann auch im Rahmen der weiteren alternativen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Wandler zumindest zwei Brückenzweige umfasst und zumindest zwei der Brückenzweige ausgewählt werden, für die jeweils der obere und der untere Schalter so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über die erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe auch durch die weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung gelöst.According to a further alternative embodiment of the invention, a method for operating a vehicle with a quasi-Z source converter is provided, which comprises a diode and a diode switch connected in parallel with the diode, a first choke, a second choke, a first capacitor and a second Capacitor includes. The vehicle comprises a DC voltage source which is connected on the input side to the quasi-Z source inverter. Furthermore, the vehicle comprises a converter, which is connected on the output side to the quasi-Z source converter and which comprises at least one bridge branch, which is connected between a first and a second output of the quasi-Z source converter. The at least one bridge branch comprises an upper and a lower switch, which are connected in series. In the context of the method, the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over a first period of time and then the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output via a second period of time are not shorted together. According to this further alternative embodiment, the converter comprises at least two bridge branches. At least one of the bridge branches is selected, for which the upper and the lower switch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over the first time period, wherein the selection is made so that the lowest possible maximum current across all switches and / or free-wheeling diodes of the bridge branches flows. Preferably, it can also be provided within the scope of the further alternative embodiment that the converter comprises at least two bridge branches and at least two of the bridge branches are selected, for which in each case the upper and the lower switch are set so that the first output and the second output via the first period of time are shorted together. According to the invention, the above object is also achieved by the further alternative embodiment of the invention.

Gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter bereitgestellt, welcher eine Diode und einen parallel zur Diode geschalteten Rückspeiseschalter, eine erste Drossel, eine zweite Drossel, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst. Das Fahrzeug umfasst eine Gleichspannungsquelle, welche eingangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist. Ferner umfasst das Fahrzeug einem Wandler, welcher ausgangsseitig mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter verbunden ist und welcher zumindest einen Brückenzweig umfasst, der zwischen einen ersten und einen zweiten Ausgang des Quasi-Z-Source-Umrichters geschaltet ist. Der zumindest eine Brückenzweig umfasst einen oberen und einen unteren Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Im Rahmen der anderen alternativen Ausführungsform werden die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine erste Zeitdauer miteinander kurzgeschlossen sind und anschließend die Schalter des zumindest einen Brückenzweiges so gestellt werden, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang über eine zweite Zeitdauer nicht miteinander kurzgeschlossen sind. Im Rahmen der anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung wird eine Last an den Wandler angeschlossen. Es werden dann die oberen und unteren Schalter zumindest eines der Brückenzweige mit den unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten betrieben:

  • 1) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang miteinander kurzgeschlossen sind (Boost-Zustand);
  • 2) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass ein Strom über die Last fließt (aktiver Zustand);
  • 3) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass kein Strom über die Last fließt und der erste Ausgang und der zweite Ausgang nicht miteinander kurzgeschlossen sind (Freilauf-Zustand); und
  • 4) Einstellen des oberen und unteren Schalters, so dass ein Strom über die Last fließt (aktiver Zustand).
According to another alternative embodiment of the invention, there is provided a method of operating a vehicle having a quasi-Z source inverter comprising a diode and a diode-connected regenerative switch, a first choke, a second choke, a first capacitor, and a second Capacitor includes. The vehicle comprises a DC voltage source which is connected on the input side to the quasi-Z source inverter. Furthermore, the vehicle comprises a converter, which is connected on the output side to the quasi-Z source converter and which comprises at least one bridge branch, which is connected between a first and a second output of the quasi-Z source converter. The at least one bridge branch comprises an upper and a lower switch, which are connected in series. In the context of the other alternative embodiment, the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second output are short-circuited to each other over a first period of time and then the switches of the at least one bridge branch are set so that the first output and the second Output are not shorted together over a second period of time. In the other alternative embodiment of the invention, a load is connected to the transducer. The upper and lower switches of at least one of the bridge branches are then operated with the steps following one another directly:
  • 1) setting the upper and lower switches so that the first output and the second output are shorted together (boost state);
  • 2) adjusting the upper and lower switches so that a current flows across the load (active state);
  • 3) setting the upper and lower switches so that no current flows across the load and the first output and the second output are not shorted together (freewheeling state); and
  • 4) Adjust the upper and lower switches so that a current flows over the load (active state).

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe auch durch die andere alternative Ausführungsform gelöst.According to the invention, the above object is also achieved by the other alternative embodiment.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen wie auch die in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und/oder die in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description, as well as the features and feature combinations mentioned in the description of the figures and / or the features and feature combinations shown alone in the figures, can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:Reference to exemplary embodiments, the invention is explained in more detail below. Show it:

1 ein Schaltbild eines Z-Source-Umrichters und eines dreiphasigen Pulswechselrichters nach dem Stand der Technik; 1 a circuit diagram of a Z-source inverter and a three-phase pulse inverter according to the prior art;

2 ein Schaltbild eines Quasi-Z-Source-Umrichters und eines dreiphasigen Pulswechselrichters nach dem Stand der Technik; 2 a circuit diagram of a quasi-Z source inverter and a three-phase pulse inverter according to the prior art;

3 einen zeitlichen Verlauf einer Zwischenkreisspannung; 3 a time course of a DC link voltage;

4A ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild einer Kaskadenregelstruktur; 4A an equivalent control circuit diagram of a cascade control structure;

4B ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild für ein vereinfachtes regelungstechnisches Model der Strecke; 4B a control circuit equivalent circuit diagram for a simplified control technical model of the route;

5 ein Schaltbild eines Quasi-Z-Source-Umrichters und eines dreiphasigen Pulswechselrichters mit eingezeichnetem Stromverlauf im Boost-Zustand mit dem Laststrom einer Phase in einem Betriebspunkt; 5 a circuit diagram of a quasi-Z source inverter and a three-phase pulse inverter with a recorded current profile in the boost state with the load current of a phase in an operating point;

6 ein Schaltbild eines Quasi-Z-Source-Umrichters und eines DC/DC-Wandlers bei einphasiger Belastung; 6 a circuit diagram of a quasi-Z source inverter and a DC / DC converter in single-phase load;

7A eine schematische Pulsabfolge für ein Modulationsverfahren nach dem Stand der Technik; und 7A a schematic pulse sequence for a modulation method according to the prior art; and

7B eine schematische Pulsabfolge für ein modifiziertes Modulationsverfahren. 7B a schematic pulse sequence for a modified modulation method.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

Die Schaltungsanordnung der 2 weist einen ähnlichen Aufbau wie die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung auf. Jedoch ist der Z-Source-Umrichter 28 durch den Quasi-Z-Source-Umrichter 1 ersetzt. Der Quasi-Z-Source-Umrichter 1 umfasst einen ersten Eingang E1 und einen zweiten Eingang E2. Über den Eingängen E1 und E2 liegt die von der Batterie 3 zur Verfügung gestellte Eingangsspannung UE an. Der positive Pol 13 der Batterie 3 ist hierbei mit dem ersten Eingang E1 verbunden. Der negative Pol 14 der Batterie 3 ist mit dem zweiten Eingang E2 verbunden. Über den ersten Eingang E1 fließt der Strom IE. Der Quasi-Z-Source-Umrichter 1 umfasst auch einen ersten Ausgang A1 und einen zweiten Ausgang A2. Die über den beiden Ausgängen A1 und A2 anliegende Zwischenkreisspannung UZK ist von der Eingangsspannung UE verschieden, da der Quasi-Z-Source-Umrichter zwischen dem Eingang E1 und dem Ausgang A1 bzw. dem Eingang E2 und dem Ausgang A2 mehrere elektrische Bauelemente aufweist. Eine erste Drossel L1 ist mit ihrer ersten Anschlussseite 5 an den ersten Eingang E1 angeschlossen. Sie ist mit ihrer zweiten Anschlussseite 6 an die Anodenseite AS einer Diode D angeschlossen. Die Kathodenseite KS der Diode D ist mit der ersten Seite 7 einer zweiten Drossel 12 verbunden. Die zweite Anschlussseite 8 der zweiten Drossel 12 ist schließlich mit dem ersten Ausgang A1 verbunden. Ein erster Kondensator C1 ist parallel zur Diode D und zur zweiten Drossel 12 geschaltet. Hierbei ist er mit seiner ersten Anschlussseite 9 mit der Anodenseite AS der Diode D bzw. der zweiten Anschlussseite 6 der ersten Drossel L1 verbunden. Mit seiner zweiten Anschlussseite 10 ist der erste Kondensator C1 mit dem ersten Ausgang A1 bzw. der zweiten Anschlussseite 8 der zweiten Drossel 12 verbunden. Schließlich befindet sich in der Schaltungsanordnung des Quasi-Z-Source-Umrichters 1 auch ein zweiter Kondensator C2, dessen erste Anschlussseite 11 mit der Kathodenseite KS der Diode D verbunden ist. Sie ist folglich auch mit der ersten Anschlussseite 7 der zweiten Drossel 12 verbunden. Die zweite Anschlussseite 12 des zweiten Kondensators C2 ist sowohl mit dem zweiten Eingang E2 als auch mit dem zweiten Ausgang A2 elektrisch verbunden.The circuit arrangement of 2 has a similar structure as in 1 shown circuit arrangement. However, the Z source inverter is 28 through the quasi Z source inverter 1 replaced. The quasi-Z source inverter 1 includes a first input E1 and a second input E2. Above the inputs E1 and E2 is the one from the battery 3 provided input voltage U E on. The positive pole 13 the battery 3 is connected to the first input E1. The negative pole 14 the battery 3 is connected to the second input E2. The current I E flows via the first input E1. The quasi-Z source inverter 1 also includes a first output A1 and a second output A2. The intermediate circuit voltage U ZK present across the two outputs A1 and A2 differs from the input voltage U E , since the quasi-Z source converter has a plurality of electrical components between the input E1 and the output A1 or the input E2 and the output A2 , A first throttle L 1 is with its first connection side 5 connected to the first input E1. She is with her second connection side 6 connected to the anode side AS of a diode D. The cathode side KS of the diode D is on the first side 7 a second throttle 12 connected. The second connection side 8th the second throttle 12 is finally connected to the first output A1. A first capacitor C 1 is parallel to the diode D and to the second choke 12 connected. Here he is with his first connection page 9 with the anode side AS of the diode D or the second connection side 6 the first throttle L 1 connected. With its second connection side 10 is the first capacitor C 1 with the first output A1 and the second connection side 8th the second throttle 12 connected. Finally, there is in the circuit arrangement of the quasi-Z source inverter 1 also a second capacitor C 2 , whose first connection side 11 is connected to the cathode side KS of the diode D. It is therefore also with the first connection side 7 the second throttle 12 connected. The second connection side 12 of the second capacitor C 2 is electrically connected both to the second input E2 and to the second output A2.

Eine Besonderheit besteht nun darin, dass in dem Quasi-Z-Source-Umrichter 1 auch ein Rückspeiseschalter SR vorgesehen ist. Es kann sich bei dem Rückspeiseschalter SR insbesondere um einen IGBT-Schalter handeln. Er ist parallel zur Diode D geschaltet. Hiermit wird eine Rückspeisefähigkeit der Stromrichterschaltung erzielt. Im Ausführungsbeispiel ist die Drehfeldmaschine 4 eine elektrische Maschine eines Kraftwagens, die zum Antrieb des Kraftwagens dient. Bremst der Kraftwagen, kann die Drehfeldmaschine 4 auch als Generator eingesetzt werden und elektrische Energie zur Verfügung stellen. Diese kann dann über den Rückspeiseschalter SR in die Batterie 3 eingespeist werden. Bremsenergie des Kraftfahrzeugs kann also zum Wideraufladen der Batterie 3 verwendet werden. Hierzu wird der Rückspeiseschalter SR geschlossen und überbrückt dann die Diode D. Der Rückspeiseschalter SR dient also zur Rückspeisung von Energie in die Batterie 3.A special feature is that in the quasi-Z source inverter 1 Also, a regenerative switch SR is provided. It can become the regenerative switch SR act in particular to an IGBT switch. It is connected in parallel with diode D. Hereby, a regenerative capability of the power converter circuit is achieved. In the embodiment, the induction machine is 4 an electric machine of a motor vehicle, which serves to drive the motor vehicle. If the car brakes, can the induction machine 4 can also be used as a generator and provide electrical energy. This can then via the regenerative switch SR in the battery 3 be fed. Braking energy of the motor vehicle can thus recharge the battery 3 be used. For this purpose, the regenerative switch SR is closed and then bridges the diode D. The regenerative switch SR thus serves for the return of energy into the battery 3 ,

Die Schaltungsanordnung der 2 kann nun wie folgt betrieben werden: Das prinzipielle Betriebsverfahren ist schematisch in 3 dargestellt. Aufgetragen ist die zwischen dem ersten Ausgang A1 und dem zweiten Ausgang A2 anliegende Zwischenkreisspannung UZK in Volt als Funktion der Zeit t. Über eine erste Zeitdauer T1 werden im Ausführungsbeispiel sowohl der obere Schalter SO als auch der untere Schalter SU des ersten Brückenzweigs B1 des Wechselrichters 2 geschlossen. Hierdurch werden die Ausgänge A1 und A2 kurzgeschlossen. Es kommt zum so genannten Boost bzw. Shoot-Through. Von der Batterie 3 bereitgestellte Energie wird in den Drosseln L1 und L2 gespeichert, während die Zwischenkreisspannung UZK auf 0 Volt einbricht. Auf diese so genannte Boost-Phase, welche über die Zeitdauer T1 andauert, folgt im Ausführungsbeispiel der 3 eine aktive Phase. Diese dauert über die Zeitdauer T2 an. Während der aktiven Phase ist der obere Schalter SO des ersten Brückenzweiges B1 geschlossen, währen der untere Schalter SU des ersten Brückenzweiges B1 geöffnet ist. Am Wechselrichter 2 liegt also eine Last in Form der Drehfeldmaschine 4 an. Die sich ergebende Zwischenkreisspannung UZK nimmt einen Maximalwert uZK,max an, welche sich als Summe der Spannung UC1, am ertsen Kondensator C1 und der Spannung UC2 am zweiten Kondensator C2 ergibt. uZK,max ist erheblich größer als die Eingangsspannung UE. Die über die Zeitdauern T1 und T2 gemittelte Zwischenkreisspannung <uZK> ist ebenfalls größer als die Eingangsspannung UE. Das dargestellte Betriebverfahren erlaubt also ein Hochsetzen der Zwischenkreisspannung UZK. Die während der Boost-Phase in den Drosseln L1 und L2 gespeicherte Energie wird während des aktiven Zustands in die Kondensatoren C1 und C2 sowie in die Drehfeldmaschine 4 umgeladen. Alternativ kann während der Zeitdauer T2 auch eine so genannte Freilaufphase andauern. Dann sind der obere Schalter SO und der untere Schalter SU des ersten Brückenzweiges B1 beide geöffnet, so dass kein Strom aus dem Z-Source Netzwerk in die Brücke fließen kann. Im Freilauf wird die Energie der Drosseln L1 und L2 ausschließlich in die Kondensatoren C1 und C2 umgeladen. Da der zeitliche Mittelwert <uZK> der getakteten Zwischenkreisspannung UZK gerade dem maximal stellbaren Spannungsraumzeiger entspricht, bietet es sich an, den Mittelwert zu regeln.The circuit arrangement of 2 can now be operated as follows: The principle operating method is schematically in 3 shown. Plotted is the intermediate circuit voltage U ZK applied between the first output A1 and the second output A2 in volts as a function of the time t. In the exemplary embodiment, both the upper switch S O and the lower switch S U of the first bridge branch B1 of the inverter are over a first time period T 1 2 closed. This short circuits the outputs A1 and A2. It comes to the so-called boost or shoot-through. From the battery 3 Provided energy is stored in the chokes L 1 and L 2 , while the intermediate circuit voltage U ZK breaks down to 0 volts. In this so-called boost phase, which lasts over the period T 1 , follows in the embodiment of 3 an active phase. This lasts over the time period T 2 . During the active phase, the upper switch S O of the first bridge branch B1 is closed, while the lower switch S U of the first bridge branch B1 is opened. At the inverter 2 So there is a load in the form of the induction machine 4 at. The resulting intermediate circuit voltage U ZK assumes a maximum value u ZK, max , which results as the sum of the voltage U C1 , the ertsen capacitor C 1 and the voltage U C2 on the second capacitor C 2 . u ZK, max is considerably larger than the input voltage U E. The intermediate circuit voltage <u ZK > averaged over the time periods T 1 and T 2 is also greater than the input voltage U E. The illustrated operating method thus allows a boosting of the intermediate circuit voltage U ZK . The stored during the boost phase in the inductors L 1 and L 2 energy is in the active state in the capacitors C 1 and C 2 and in the induction machine 4 transhipped. Alternatively, during the time period T 2 , a so-called free-running phase may also continue. Then, the upper switch S O and the lower switch S U of the first bridge branch B1 are both opened, so that no current can flow from the Z-source network into the bridge. Freewheel energy of the inductors L 1 and L 2 is transferred only in the capacitors C 1 and C. 2 Since the time average <u ZK > of the clocked intermediate circuit voltage U ZK corresponds precisely to the maximum adjustable voltage space vector, it makes sense to regulate the mean value.

Zur Regelung der mittleren Zwischenkreisspannung <uZK> wird eine neuartige Kaskadenstruktur verwendet, die in 4A dargestellt ist. Regelgrößen sind dabei die Drosselströme IL1 und IL2 sowie die Kondensatorspannungen UC1 und UC2 im Z-Netzwerk. Über einen inneren Regelkreis 15 werden dabei die Drosselströme IL1 und IL2 geregelt, während die Regelung der Kondensatorspannungen UC1 und UC2 über einen überlagerten Regelkreis 16 stattfindet. Die Kaskadenregelstruktur umfasst folgende Elemente:

  • – einen Führungsgrößenfilter 17 im Sollwertpfad welcher als Glied mit proportionalem Übertragungsverhalten mit Verzögerung erster Ordnung (PT1-Glied) modelliert wird;
  • – einen Spannungsregler 18, welcher als Proportional-Integral-Glied (PI-Glied) modelliert wird. Der als quasi-kontinuierlich ausgelegte Spannungsregler 18 kann außerdem durch einen anderen Reglertypen ersetzt werden. VP,U bezeichnet die Proportionalverstärkung, TN,U die Nachstellzeit;
  • – einen Stromregler 19, der als PI-Glied modelliert wird. Der als quasi-kontinuierlich ausgelegte Stromregler 19 kann außerdem durch andere Reglertypen ersetzt werden;
  • ein Stellglied 20, das als Totzeitglied modelliert wird. Auftretende Totzeiten sind in der Übertragungsfunktion des Stellgliedes 20 zusammengefasst. Zum einen ist dies die durch die Rechenzeit und Messzeit bedingte Totzeit, zum anderen die Totzeit, die durch das Abtasthalteverhalten des Stromrichters verursacht wird;
  • – die Drosseln L1 und L2, deren Übertragungsverhalten vereinfachend durch ein Integrierglied (I-Glied) modelliert wird;
  • – das die Diode D enthaltende Verkopplungsnetzwerk;
  • – die Kondensatoren C1 und C2, die als I-Glieder modelliert werden;
  • eine Strommessung 21, die als Proportionalglied (P-Glied) modelliert wird; und
  • eine Spannungsmessung 22, die als P-Glied modelliert wird.
To regulate the mean DC link voltage <u ZK >, a novel cascade structure is used, which in 4A is shown. Controlled variables are the inductor currents I L1 and I L2 and the capacitor voltages U C1 and U C2 in the Z network. About an inner loop 15 In this case, the inductor currents I L1 and I L2 are regulated, while the regulation of the capacitor voltages U C1 and U C2 via a superimposed control loop 16 takes place. The cascade rule structure includes the following elements:
  • - a guide size filter 17 in the setpoint path, which is modeled as a member with proportional transmission behavior with first-order lag (PT 1 -element);
  • - a voltage regulator 18 , which is modeled as a proportional-integral (PI) element. The quasi-continuous voltage regulator 18 can also be replaced by another type of controller. V P, U denotes the proportional gain, T N, U the reset time;
  • - a current regulator 19 which is modeled as a PI member. The quasi-continuous current regulator 19 can also be replaced by other types of controllers;
  • - an actuator 20 which is modeled as deadtime member. Occurring dead times are in the transfer function of the actuator 20 summarized. On the one hand, this is the dead time caused by the computing time and measuring time, and on the other hand the dead time, which is caused by the sample holding behavior of the power converter;
  • - The chokes L 1 and L 2 , whose transmission behavior is simplified modeled by an integrator (I-element);
  • The coupling network containing the diode D;
  • The capacitors C 1 and C 2 , which are modeled as I-links;
  • - a current measurement 21 , which is modeled as a proportional element (P-element); and
  • - a voltage measurement 22 , which is modeled as a P-limb.

Die Drosseln L1 und L2 sowie die Kondensatoren C1 und C2 können auch als PT1-Glieder modelliert werden. Störgrößen im Regelkreis sind der Zwischenkreisstrom IZK und die Eingangsspannung UE. Da diese Störgrößen durch die Messung bekannt sind, wird außerdem deren Vorsteuerung vorgenommen.The inductors L 1 and L 2 and the capacitors C 1 and C 2 can also be modeled as PT 1 members. Disturbance variables in the control loop are the DC link current I ZK and the input voltage U E. Since these disturbances are known by the measurement, also their feedforward control is made.

Der Drosselstromregelkreis, der die Strommessung 21 umfasst, bildet einen ersten bzw. inneren Regelkreis. Im Rahmen der Kaskadenregelung ist diesem unterlagerten Drosselstromregelkreis ein Zwischenkreisspannungsregelkreis überlagert, der die Spannungsmessung 22 umfasst und einen zweiten Regelkreis bildet. Mit dem unterlagerten Drosselstromregelkreis wird der Eingangsstrom IE = IL1 geregelt. UC2 ist Regelgröße. Für die Regelung muss lediglich der Drosselstrom IL1 sowie die Zwischenkreisspannung <uZK> gemessen werden. Der einzige Eingriff in die Schaltung erfolgt hierbei im regulären Betrieb über die Veränderung des Einschaltverhältnisses b des Boost-Zustandes. b ergibt sich hierbei wie folgt (mit der Periode T): T1 = b·T T2 = (1 – b)·T The inductor current loop, the current measurement 21 comprises, forms a first or inner loop. As part of the cascade control this subordinate inductor current control loop is superimposed on a DC link voltage control circuit, the voltage measurement 22 includes and forms a second control loop. With the subordinate inductor current control circuit, the input current I E = I L1 is controlled. U C2 is controlled variable. For the control, only the inductor current I L1 and the intermediate circuit voltage <u ZK > must be measured. The only intervention in the circuit in this case takes place in the regular operation via the change of the turn-on ratio b of the boost state. b is given as follows (with the period T): T 1 = b * T T 2 = (1-b) * T

Mit der Kaskadenregelstruktur wird direkt auf die mittlere Zwischenkreisspannung <uZK> geregelt. Die Regelung kann beispielsweise bei einer 10 kHz PWM-(Pulsweitenmodulation)Taktfrequenz realisiert werden. Die Eingangsspannung UE kann beispielsweise 400 Volt betragen. Die Leistung kann beispielsweise 10 kW betragen.The cascade control structure directly controls the average intermediate circuit voltage <u ZK >. The control can be realized, for example, at a 10 kHz PWM (Pulse Width Modulation) clock frequency. The input voltage U E can be, for example, 400 volts. The power can be for example 10 kW.

Haben die erste Drossel L1 und die zweite Drossel L2 gleiche Induktivitäten und der erste Kondensator C1 die gleiche Kapazität wie der zweite Kondensator C2 so vereinfacht sich die Regelstrecke zu der in 4B dargestellten Regelstruktur. Die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 sowie die Ströme in den Drosseln L1 und L2 haben jeweils die gleiche Größe.If the first throttle L 1 and the second throttle L 2 have the same inductances and the first capacitor C 1 has the same capacitance as the second capacitor C 2 , the controlled system is simplified to the one in FIG 4B illustrated rule structure. The voltages across the capacitors C 1 and C 2 and the currents in the inductors L 1 and L 2 are each the same size.

Gegenüber den bekannten Lösungen zur Regelung eines Z-Source-Umrichters bietet die Kaskadenstruktur den Vorteil, dass Drosselstrom und Kondensatorspannung separat voneinander geregelt werden.Compared with the known solutions for controlling a Z-source converter, the cascade structure offers the advantage that inductor current and capacitor voltage are regulated separately from one another.

Wenn der doppelte Drosselstrom kleiner wird als der Laststrom, kommt es zum laststrombedingten Kurzschluss. Bedingung hierfür ist wiederum, dass für den Aussteuergrad a des aktiven Zustands des lastseitigen Stellers gilt:

Figure 00160001
If the double choke current becomes smaller than the load current, the load current-related short-circuit occurs. The condition for this, in turn, is that the following applies to the modulation level a of the active state of the load-side actuator:
Figure 00160001

Dieser ungewollte Zustand tritt beim Wechsel vom Freilaufzustand oder vom Boost-Zustand in den aktiven Zustand auf. Unter diesen Umständen kommutiert der freilaufende Laststrom nicht zum gewünschten Zeitpunkt von der Freilaufdiode FO bzw. FU auf den korrespondierenden Schalter SO bzw. SU, sondern fließt so lange weiter, bis der Laststrom kleiner als der doppelte Drosselstrom ist. Es stellt sich folglich der Boost-Zustand ein, obwohl ein aktiver Zustand erwünscht ist. Dies bedeutet einerseits, dass nicht der gewünschte Spannungsraumzeiger vom Pulswechselrichter gestellt werden kann und die Drosselströme höher ansteigen als von der Regelung gefordert. Andererseits steigt bei Beendigung der laststrombedingten Boost-Phase die Kondensatorspannung höher an als der Spannungssollwert. Dies kann verhindert werden, indem der Rückspeiseschalter SR zeitgleich parallel zu den aktiven Zuständen zugeschaltet wird. Die Zwischenkreisspannung uZK.max ergibt sich dann wieder aus der Summe der beiden Kondensatorspannungen UC1 und UC2.This unwanted state occurs when switching from the freewheel state or the boost state to the active state. Under these circumstances, the free-running load current does not commute at the desired time from the freewheeling diode F O or F U to the corresponding switch S O or S U , but continues to flow until the load current is less than twice the inductor current. Consequently, the boost state is set, although an active state is desired. On the one hand, this means that the desired voltage space vector can not be set by the pulse-controlled inverter and the inductor currents rise higher than required by the regulation. On the other hand, when the load current-related boost phase ends, the capacitor voltage rises higher than the voltage setpoint. This can be prevented by switching on the regenerative switch SR at the same time as the active states. The intermediate circuit voltage u ZK.max then again results from the sum of the two capacitor voltages U C1 and U C2 .

Die Schalter SO, SU und SR können als Halbleiterschalter, insbesondere als Transistoren, ausgebildet sein.The switches S O , S U and SR can be designed as semiconductor switches, in particular as transistors.

5 zeigt ein Beispiel für eine optimierte Auswahl des Boostzweiges. Im Ausführungsbeispiel der 5 wird der Boost-Zustand über den Brückenzweig B3 geschaltet, d. h. der obere Schalter SO und der untere Schalter SU werden geschlossen. In der Boost-Phase fließt über der mit dem kurzgeschlossenen Brückenzweig B3 verbundenen Ausgangsphase die Summe aus doppeltem Drosselstrom IL (Zwischenkreisstrom) und Schalterstrom IS. Für das Halbleiterbauelement aus unterem Schalter SU und unterer Freilaufdiode FU ergibt sich damit folgende Strombelastung: IS = ILAST – 2IL. 5 shows an example of an optimized selection of the boost branch. In the embodiment of 5 the boost state is switched via the bridge branch B3, ie the upper switch S O and the lower switch S U are closed. In the boost phase, the sum of double inductor current I L (DC link current) and switch current I S flows via the output phase connected to the short-circuited bridge branch B3. For the semiconductor component of lower switch S U and lower freewheeling diode F U , the following current load results: I S = I LOAD - 2I L.

Je nach Vorzeichen der Ströme IL bzw. IS werden die Schalter SO bzw. SU oder die Freilaufdiode FU unterschiedlich stark belastet. Ist beispielsweise 2IL betragsmäßig größer als ILAST und positiv, verringert sich die Strombelastung der Freilaufdiode F. Andererseits kann sich der Strom auch erhöhen. Wünschenswert ist eine möglichst geringe Strombelastung der Bauelemente in der Boost-Phase. Dies wird dadurch erreicht, dass der Boostzweig so gewählt wird, dass die Überlagerung von Drossel- und Laststrom die Strombelastung der Bauelemente reduziert. Im Ausführungsbeispiel erfolgt der Kurzschluss über den Brückenzweig B3, wobei Ströme dann über dem Pfad 23 verlaufen.Depending on the sign of the currents I L or I S , the switches S O or S U or the freewheeling diode F U are loaded to different degrees. For example, if 2I L is greater in magnitude than I LOAD and positive, the current load of freewheeling diode F will decrease. On the other hand, the current may also increase. It is desirable to have the lowest possible current load of the components in the boost phase. This is achieved by selecting the boost branch such that the superposition of the choke and load current reduces the current load on the components. In the exemplary embodiment, the short circuit takes place via the bridge branch B3, wherein currents then pass over the path 23 run.

Alternativ oder zusätzlich können auch zwei der drei Brückenzweige B1, B2 und B3 oder auch alle drei Brückenzweige B1, B2 und B3 gemeinsam kurzgeschlossen werden. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Strombelastung in jedem der einzelnen Brückenzweige B1, B2 und B3, weil sich der Strom aufgrund der Parallelschaltung wiederum aufteilt.Alternatively or additionally, two of the three bridge branches B1, B2 and B3 or even all three bridge branches B1, B2 and B3 can be short-circuited together. This leads to a further reduction of the current load in each of the individual bridge branches B1, B2 and B3, because the current is again divided due to the parallel connection.

Es ist zu beachten, dass bei der Auswahl der Brückenzweige, welche kurzgeschlossen werden, die Stromvorzeichen und Ausgangsphasen zu berücksichtigen sind.It should be noted that when selecting the bridge branches which are shorted, the current signs and output phases must be taken into account.

Die 6 bis 7B zeigen beispielhaft für die einphasige Belastung, wie sich die Schaltzustandsreihenfolge optimieren lässt. Anstelle des Wechselrichters 2 ist nun lediglich ein Brückenzweig B1 an die Ausgänge A1 und A2 des Z-Source-Umrichters 1 angeschlossen. An dem so gebildeten DC/DC-Wandler 29 liegt eine Last 24 an, die über eine Induktivität LLAST und einen Widerstand RLAST gebildet ist. Es wird also der Fall der einphasigen Belastung betrachtet. Grundsätzlich sind jedoch die folgenden Betrachtungen auch für den Fall der dreiphasigen Belastung, wie er in der 2 dargestellt ist, möglich. The 6 to 7B show, by way of example for the single-phase load, how the switching state sequence can be optimized. Instead of the inverter 2 is now only a bridge branch B1 to the outputs A1 and A2 of the Z source inverter 1 connected. On the DC / DC converter thus formed 29 there is a burden 24 on, which is formed via an inductance L LAST and a resistor R LAST . Thus, the case of single-phase loading is considered. Basically, however, the following considerations are also true in the case of the three-phase load, as in the 2 is shown possible.

7A zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Modulationsverfahren bzw. Ansteuerverfahren für die Schalter SO und SU. Bisher ist es üblich, die Boost-Phasen in die Freilaufphasen zu integrieren, da beide Phasen identisch auf die Last 24 wirken. Aufgetragen ist das Tastverhältnis TV als Funktion der Zeit. Dargestellt ist eine gesamte Periode für die Pulsweitenmodulation TPWM. a, b und c sind Tastverhältnisse. b ergibt sich als Verhältnis der ersten Zeitdauer T1 zur gesamten Periode T bzw. TPWM. a ergibt sich als Verhältnis der zweiten Zeitdauer T2 zur gesamten Periode T bzw. TPWM. C ist eine Hilfsgröße, die festgelegt wird als c = a + b. cS und bS sind zugehörige Schaltschwellen. Auf der Zeitachse folgen nacheinander:

  • – eine Boost-Phase 25. Der obere Schalter SO und der untere Schalter SU des Brückenzweigs B1 in 6 sind beide geschlossen;
  • eine aktive Phase 26. Der obere Schalter SO ist geschlossen, während der untere Schalter SU geöffnet ist;
  • eine Freilaufphase 27. Sowohl der obere Schalter SO als auch der untere Schalter SU sind geöffnet;
  • – wiederum eine Boost-Phase 25;
  • – wiederum eine Freilaufphase 27;
  • – wiederum eine aktive Phase 26; und
  • – wiederum eine Boost-Phase 25.
7A shows a known from the prior art modulation method or driving method for the switches S O and S U. So far, it is common to integrate the boost phases in the freewheeling phases, since both phases are identical to the load 24 Act. Plotted is the duty cycle TV as a function of time. Shown is an entire period for the pulse width modulation T PWM . a, b and c are duty cycles. b results as a ratio of the first time period T 1 to the entire period T or T PWM . a results as the ratio of the second time duration T 2 to the total period T or T PWM . C is an auxiliary quantity which is defined as c = a + b. c S and b S are associated switching thresholds. On the timeline follow one after another:
  • - a boost phase 25 , The upper switch S O and the lower switch S U of the bridge branch B1 in 6 they are both closed;
  • - an active phase 26 , The upper switch S O is closed, while the lower switch S U is open;
  • - a freewheeling phase 27 , Both the upper switch S O and the lower switch S U are open;
  • - again a boost phase 25 ;
  • - again a freewheeling phase 27 ;
  • - again an active phase 26 ; and
  • - again a boost phase 25 ,

Bei dieser Art der Modulation finden bei einem Übergang von einer Freilaufphase 27 in eine Boost-Phase 25 zwei Schaltvorgänge statt. Es werden nämlich sowohl der obere Schalter SO als auch der untere Schalter SU jeweils ein- bzw. ausgeschaltet. Erstrebenswert ist jedoch, immer nur eine Umschaltung bei allen Schaltzustandswechseln zu haben.In this type of modulation find a transition from a freewheeling phase 27 in a boost phase 25 two switching operations instead. Namely, both the upper switch S O and the lower switch S U are switched on or off. However, it is desirable to always have only one switchover for all switching state changes.

Indem die Boost-Phase 25 zwischen zwei aktive Phasen 26 verlagert wird findet bei allen Schaltzustandsübergängen nur noch eine Umschaltung statt. Dies bedeutet, dass die Schaltfrequenz der Schalter SO und SU verringert werden kann. Damit verbunden ist eine Verringerung der Schaltverluste. Das vorgeschlagene neue Modulationsverfahren ist schematisch in 7B dargestellt.By the boost phase 25 between two active phases 26 is moved at all switching state transitions only one switching instead. This means that the switching frequency of the switches S O and S U can be reduced. This is associated with a reduction of the switching losses. The proposed new modulation scheme is schematically shown in FIG 7B shown.

Zusätzlich ist in 7B der Schaltzustand des Rückspeiseschalters SR eingezeichnet. Vorzugsweise wird der Rückspeiseschalter SR während einer aktiven Phase 26 (optional innerhalb eines Freilaufs) über die gesamte Dauer der Phase geschlossen. Wie bereits erläutert, lassen sich hierdurch unerwünschte laststrombedingte Kurzschlüsse vermeiden.Additionally is in 7B the switching state of the regenerative switch S R drawn. Preferably, the feedback switch S R during an active phase 26 (optionally within one freewheel) closed over the entire duration of the phase. As already explained, unwanted load current-related short circuits can be avoided in this way.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Quasi-Z-Source-UmrichterQuasi-Z-source inverter
22
Wechselrichterinverter
33
Batteriebattery
44
DrehfeldmaschineInduction machine
5, 6, ..., 125, 6, ..., 12
Anschlussseiteterminal side
1313
positiver Polpositive pole
1414
negativer Polnegative pole
15, 1615, 16
Regelkreisloop
1717
FührungsgrößenfilterReference value filter
1818
Spannungsreglervoltage regulators
1919
Stromreglercurrent regulator
2020
Stellgliedactuator
2121
Strommessungcurrent measurement
2222
Spannungsmessungvoltage measurement
2323
Pfadpath
2424
Lastload
2525
Boostphaseboost phase
2626
aktive Phaseactive phase
2727
FreilaufphaseFreewheeling phase
2828
Z-Source-UmrichterZ-source inverter
2929
DC/DC-WandlerDC / DC converter
tt
ZeitTime
T, TPWM T, T PWM
Periodeperiod
UZK, UC1, UC2, UE, <uZK>, uZK,max U ZK , U C1 , U C2 , U E , <u ZK >, u ZK, max
Spannungtension
IE, IL, IS, ILAST, IL1, IL2 I E , I L , I S , I LOAD , I L1 , I L2
Stromelectricity
B1, B2, B3B1, B2, B3
Brückenzweigbridge branch
DD
Diodediode
L1, L2 L 1 , L 2
Drosselthrottle
C1, C2 C 1 , C 2
Kondensatorcapacitor
SR S R
RückspeiseschalterRegenerative switch
E1, E2E1, E2
Eingangentrance
A1, A2A1, A2
Ausgangoutput
ASAS
Anodenseiteanode side
KSKS
Kathodenseitecathode side
SO, SU S O, S U
Schalterswitch
FO, FU F O , F U
FreilaufdiodeFreewheeling diode
T1, T2 T 1 , T 2
Zeitdauertime
RLAST R LOAD
Widerstandresistance
LASTLOAD
Induktivitätinductance
cS, bS c S , b S
Schaltschwelleswitching threshold
a, b, ca, b, c
Verhältnisrelationship
VP,U V P, U
Proportionalverstärkungproportional gain
TN,U T N, U
NachstellzeitIntegral

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007038959 A1 [0007] DE 102007038959 A1 [0007]
  • DE 102008046301 A1 [0008] DE 102008046301 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „J. Anderson and F. Z. Peng (Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University): Four Quasi-Z-Source Inverters, Power Electronics Specialists Conference 2008, Datum: 15.–19. Juni 2008, Seiten 2743–2749” [0009] "J. Anderson and FZ Peng (Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University): Four Quasi-Z Source Inverters, Power Electronics Specialists Conference 2008, Date: 15-19. June 2008, pages 2743-2749 " [0009]

Claims (7)

Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter (1), welcher eine Diode (D) und einen parallel zur Diode (D) geschalteten Rückspeiseschalter (SR), eine erste Drossel (L1), eine zweite Drossel (L2), einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensator (C2) umfasst, mit einer Gleichspannungsquelle (3), welche eingangsseitig (E1, E2) mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter (1) verbunden ist, und mit einem Wandler (2, 29), welcher ausgangsseitig (A1, A2) mit dem Quasi-Z-Source-Umrichter (1) verbunden ist und welcher zumindest einen Brückenzweig (B1, B2, B3) umfasst, der zwischen einen ersten (A1) und einen zweiten Ausgang (A2) des Quasi-Z-Source-Umrichters (1) geschaltet ist, wobei der zumindest eine Brückenzweig (B1, B2, B3) einen oberen (SO) und einen unteren Schalter (SU) umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei im Rahmen des Verfahrens die Schalter (SO, SU) des zumindest einen Brückenzweiges (B1, B2, B3) so gestellt werden, dass der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) über eine erste Zeitdauer (T1) miteinander kurzgeschlossen sind und anschließend die Schalter (SO, SU) des zumindest einen Brückenzweiges (B1, B2, B3) so gestellt werden, dass der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) über eine zweite Zeitdauer (T2) nicht miteinander kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die erste (L1) und/oder zweite Drossel (L2) fließende Strom (LL1 bzw. IL2) in einem ersten Regelkreis (15) anhand des Verhältnisses der ersten Zeitdauer (T1) zur zweiten Zeitdauer (T2) geregelt wird und die am ersten (C1) und/oder zweiten Kondensator (C2) anliegenden Spannung (UC1 bzw. UC2) in einem zweiten Regelkreis (16) anhand des Verhältnisses der ersten Zeitdauer (T1) zur zweiten Zeitdauer (T2) geregelt wird.Method for operating a vehicle with a quasi-Z source converter ( 1 ), which comprises a diode (D) and a feedback switch (S R ) connected in parallel with the diode (D), a first choke (L 1 ), a second choke (L 2 ), a first capacitor (C 1 ) and a second capacitor (C 2 ), with a DC voltage source ( 3 ), which on the input side (E1, E2) with the quasi-Z source converter ( 1 ) and with a transducer ( 2 . 29 ), which on the output side (A1, A2) with the quasi-Z source converter ( 1 ) and which comprises at least one bridge branch (B1, B2, B3) connected between a first (A1) and a second output (A2) of the quasi-Z source converter ( 1 ), wherein the at least one bridge branch (B1, B2, B3) comprises an upper (S O ) and a lower switch (S U ), which are connected in series, wherein in the context of the method, the switches (S O , S U ) of the at least one bridge branch (B1, B2, B3) are set so that the first output (A1) and the second output (A2) are short-circuited to each other over a first time period (T 1 ) and then the switches (S O , S U ) of the at least one bridge branch (B1, B2, B3) are set so that the first output (A1) and the second output (A2) are not short-circuited to each other over a second period of time (T 2 ), characterized in that the current (L L1 or I L2 ) flowing through the first (L 1 ) and / or second inductor (L 2 ) in a first control circuit ( 15 ) is regulated on the basis of the ratio of the first time duration (T 1 ) to the second time duration (T 2 ) and the voltage (U C1 or U C2 ) applied to the first (C 1 ) and / or second capacitor (C 2 ) in a second Control loop ( 16 ) is controlled on the basis of the ratio of the first time period (T 1 ) to the second time duration (T 2 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regelkreis (15) einen inneren Regelkreis bildet und der zweite Regelkreis (16) dem ersten Regelkreis überlagert wird.Method according to Claim 1, characterized in that the first control loop ( 15 ) forms an inner control loop and the second control loop ( 16 ) is superimposed on the first control loop. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückspeiseschalter (SR) zumindest über ein Teilintervall der zweiten Zeitdauer (T2) geschlossen wird und während der ersten Zeitdauer (T1) geöffnet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the feedback switch (S R ) is closed at least over a partial interval of the second time period (T 2 ) and during the first time period (T 1 ) is opened. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (2, 29) zumindest zwei Brückenzweige (B1, B2, B3) umfasst und zumindest einer der Brückenzweige (B1, B2, B3) ausgewählt wird, für den der obere (SO) und der untere Schalter (SU) so gestellt werden, dass der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) über die erste Zeitdauer (T1) miteinander kurzgeschlossen sind, wobei die Auswahl so erfolgt, dass ein möglichst geringer Strom über sämtliche Schalter (SO, SU) und/oder Freilaufdioden (FO, FU) der Brückenzweige (B1, B2, B3) fließt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transducer ( 2 . 29 ) at least two bridge branches (B1, B2, B3) and at least one of the bridge branches (B1, B2, B3) is selected, for which the upper (S O ) and the lower switch (S U ) are set so that the first Output (A1) and the second output (A2) over the first period (T 1 ) are short-circuited to each other, wherein the selection is made so that the lowest possible current across all switches (S O , S U ) and / or freewheeling diodes (F O , F U ) of the bridge branches (B1, B2, B3) flows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (2, 29) zumindest zwei Brückenzweige (B1, B2, B3) umfasst und zumindest zwei der Brückenzweige (B1, B2, B3) ausgewählt werden, für die jeweils der obere (So) und der untere Schalter (SU) so gestellt werden, dass der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) über die erste Zeitdauer (T1) miteinander kurzgeschlossen sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transducer ( 2 . 29 ) at least two bridge branches (B1, B2, B3) and at least two of the bridge branches (B1, B2, B3) are selected, for each of the upper (So) and the lower switch (S U ) are set so that the first Output (A1) and the second output (A2) over the first period (T 1 ) are shorted together. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last (4, 24) an den Wandler (2, 29) angeschlossen wird, wobei die Schalter (SO, SU) des zumindest einen Brückenzweiges (B1, B2, B3) mit den unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten betrieben werden: 1) Einstellen des oberen (SO) und unteren Schalters (SU), so dass der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) miteinander kurzgeschlossen sind; 2) Einstellen des oberen (SO) und unteren Schalters (SU), so dass ein Strom über die Last (4, 24) fließt; 3) Einstellen des oberen (SO) und unteren Schalters (SU), so dass kein Strom über die Last (4, 24) fließt und der erste Ausgang (A1) und der zweite Ausgang (A2) nicht miteinander kurzgeschlossen sind; und 4) Einstellen des oberen (SO) und unteren Schalters (SU), so dass ein Strom über die Last (4, 24) fließt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a load ( 4 . 24 ) to the converter ( 2 . 29 ), wherein the switches (S O , S U ) of the at least one bridge branch (B1, B2, B3) are operated with the immediately following steps: 1) setting the upper (S O ) and lower switch (S U ), such that the first output (A1) and the second output (A2) are shorted together; 2) Adjust the upper (S O ) and lower switch (S U ) so that a current across the load ( 4 . 24 ) flows; 3) Adjusting the upper (S O ) and lower switch (S U ) so that no current flows through the load ( 4 . 24 ) and the first output (A1) and the second output (A2) are not shorted together; and 4) adjusting the upper (S O ) and lower switch (S U ) so that a current across the load ( 4 . 24 ) flows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Wechselrichter (2) für den mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Betrieb einer elektrischen Maschine (4) ist und für jede zu erzeugende Phase einen jeweiligen Brückenzweig (B1, B2, B3) umfasst, welcher parallel zu den Brückenzweigen (B1, B2, B3) für die jeweils anderen Phasen geschaltet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the converter is an inverter ( 2 ) for the multiphase, in particular three-phase, operation of an electrical machine ( 4 ) and for each phase to be generated comprises a respective bridge branch (B1, B2, B3) which is connected in parallel to the bridge branches (B1, B2, B3) for the respective other phases.
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