-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mehreren Halbbrücken und einer Ansteuereinrichtung. Die Halbbrücken besitzen jeweils zwei Ventile zum wechselweisen Schalten. Die Ansteuereinrichtung schaltet die Ventile wechselweise, wobei zwischen einem Ausschalten eines der Ventile und einem Einschalten des anderen Ventils eine Totzeit vorgesehen ist, in der beide Ventile ausgeschaltet sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Korrektur der Totzeit in einem Wechselrichter.
-
Wechselrichter werden beispielsweise bei batteriegespeisten Flurförderzeugen eingesetzt, bei denen eine von einer Batterie bereitgestellte Gleichspannung für einen elektrischen Antrieb umgesetzt wird. Beim Schalten in einer Halbbrücke eines Wechselrichters ist stets eine Totzeit vorgesehen, damit es nicht zu Querströmen in der Halbbrücke kommt, die die Verluste des Wechselrichters vergrößern und die Bauteile des Wechselrichters zerstören können. Üblicherweise arbeitet ein Wechselrichter mit einer fest eingestellten Totzeit, die aus Sicherheitsgründen sehr groß gewählt ist. Dadurch wird der Ansteuerbereich, der dem Wechselrichter zur Verfügung steht, unnötig verkleinert. Außerdem wird durch die große Totzeit eine in dem Wechselrichter vorgesehene Freilaufdiode leitfähig, wodurch es zu dem sogenannten Rückstromeffekt oder auch Reverse Recovery Effect kommt. Dieser Rückstromeffekt hat negative Auswirkungen auf die Verlustleistung und die elektromagnetische Verträglichkeit des Wechselrichters.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die nachfolgende 5 verwiesen, die einen Wechselrichter 11 mit einer Gleichspannungsquelle 3 zeigt. Die Transistoren 2a, 2b bilden eine Halbbrücke, über die eine Phasenspannung an einen Motor 1 angelegt werden kann. Die Transistoren 2a, 2b der Halbbrücke werden, so wie auch die Halbbrücke mit den Transistoren 2c und 2d und die dritte Halbbrücke mit den Transistoren 2e und 2f über eine Ansteuereinrichtung 12 geschaltet. Unmittelbar einsichtig ist, dass, wenn beide Transistoren 2a und 2b in einer Halbbrücke gleichzeitig geschaltet werden, die Gleichspannungsquelle 3 kurzgeschlossen ist. Es ist daher nach einem Schließen des Transistors 2a vor dem Öffnen des Transistors 2b ein Totzeitintervall vorzusehen. Wie in 6 dargestellt, ist daher eine Totzeit vorzusehen, die verstreicht zwischen dem Umschalten der beiden Transistoren in einer Halbbrücke.
-
Aus
DE 198 08 104 A1 ist eine Wechselrichtersteuervorrichtung bekannt geworden, bei der abhängig von der Phasenspannung eine Totzeitkompensationseinrichtung die Totzeit korrigiert.
-
In M. Rose et al.: „Zero Body Diode Conduction Tim in Variable Speed Drive Converter Systems", in Proc. IEEE EOE Conf., 2009, pp. 1–10 wird ein Verfahren zur Totzeitreduktion in Wechselrichtern vorgestellt. Dabei wird am Amfang jeweils die Thresholdspannung der MOSFETs gemessen. Dies muss für jeden MOSFET separat geschehen, weil die Thresholdspannungen von MOSFETs stark variieren, Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Thresholdspannung muss eine Temperaturkompensation eingefügt werden. Der Zustand einer Signalverzögerungsleistung wird vom Totzeitregler aufgezeichnet, wenn die Gate-Sourcespannung des MOSFET im Freilaufpfad die Thresholdspannung erreicht hat, wenn die Stromkommutierung beginnt und wenn die Stromkommutierung beendet ist. Daraus wird dann die verbliebene Totzeit errechnet und im nächsten Schritt kompensiert. Der Beginn und das Ende der Stromkommutierung werden mittels einer kleinen Induktivität in der Halbbrücke erkannt. Aus der Polarität der in diese Induktivität induzierten Spannung kann auch erkannt werden, welcher MOSFET im Freilaufpfad ist. Die zusätzliche Induktivität führt allerdings zu einer Verschlechterung des Schaltverhaltens und kann zu verstärkten Oszillationen beim Schalten führen. Zusätzlich muss noch beachtet werden, dass die Messung der Thresholdspannung sehr genau sein muss, um Querströme zu verhindern.
-
Aus J-J. Huselstein et al.: „Use of the MOSFET Channel Reverse Conduction in an Inverter for Surpression of the Internal Diode Recovery Current", IEE Power Electronics and Applications, 1993, pp. 431 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Induktivität in die Halbbrücke eingefügt wird. Bei einem Querstrom kommt es zu einem starken Stromanstieg, der eine Spannung in diese Induktivität induziert. Mitteils eines nachgeschalteten Integrators und eines Peakdetektors kann dann ein Querstrom erkannt werden. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass eine zusätzliche Induktivität eingefügt werden muss, was sich negativ auf das Schaltverhalten auswirkt. Außerdem ist die Erkennung abhängig von der Genauigkeit der Induktivität, deren Toleranzen oft recht groß sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Wechselrichter die Totzeit zu minimieren, ohne dass es zu Querströmen durch die Halbbrücke kommt.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist mehrere Halbbrücken auf, die jeweils zwei Ventile wechselweise schalten. Ferner besitzt der Wechselrichter eine Ansteuereinrichtung, die zwischen einem Ausschalten eines Ventils und einem Einschalten des anderen Ventils eine Totzeit vorsieht, in der beide Ventile ausgeschaltet sind. Erfindungsgemäß ist parallel zu jedem Ventil ein RC-Glied geschaltet, das derart ausgelegt ist, dass die Spannung über einer Kapazität des RC-Glieds von der Stärke eines auftretenden Querstroms abhängig ist. Ferner ist erfindungsgemäß eine Totzeitkorrektureinrichtung vorgesehen, die die Spannung über der Kapazität erfasst und abhängig von dem erfassten Spannungswert einen Korrekturwert für die Totzeit der Steuereinrichtung bestimmt. Die Erfindung geht von der an sich bekannten Tatsache aus, dass bei dem Schalten eines Ventils in einer Halbbrücke Schwingungen in der Phasenspannung auftreten. Diese treten bei jedem Schaltvorgang auf und werden durch parasitäre Induktivitäten innerhalb der Halbbrücke hervorgerufen. Die Schwingungen an sich sind hinlänglich bekannt. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass auch ein vorhandener Querstrom in den parasitären Induktivitäten eine Spannung induziert, die beispielsweise beim Anschalten zu einer Überhöhung der Phasenspannung führt. Diese, von dem Querstrom induzierte Spannung tritt zeitlich nach der durch den Schaltvorgang induzierten Spannung auf und unterscheidet sich in ihrer Amplitude und ihrer Frequenz. Erfindungsgemäß ist das zusätzliche RC-Glied derart ausgelegt, dass die in der Kapazität sich aufbauende Spannung abhängig von der durch den Querstrom induzierten Schwankung in der Phasenspannung ist. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene RC-Glied parallel zu dem Ventil der Halbbrücke liegt also mit der Spannung der Kapazität ein analoger Spannungswert vor, der ein Maß für die Größe des geflossenen Querstroms ist. Zur Korrektur der Totzeit bestimmt die erfindungsgemäße Totzeitkorrektureinrichtung aus dem über der Kapazität erfassten Spannungswert einen Korrekturwert, den die Ansteuereinrichtung bei einer nachfolgenden Ansteuerung im nächsten oder einem der nächsten Zyklen der Halbbrücke berücksichtigt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Totzeitkorrektureinrichtung ausgelegt, um iterativ Korrekturwerte für die Totzeit zu bestimmen, die die erfasste Spannung über der Kapazität definieren. Durch eine iterative Bestimmung der Korrekturwerte ist der erfindungsgemäße Wechselrichter weitgehend unabhängig von der angeschlossenen Endstufe und ihren elektrischen Parametern sowie von den Betriebszuständen in der Endstufe. Insbesondere Temperaturänderungen in dem Wechselrichter oder in der angeschlossenen Endstufe können durch die iterative Bestimmung, also eine wiederholte Bestimmung der Korrekturwerte über die Zyklen der Halbbrücke hinweg, ausgeglichen werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Totzeitkorrektureinrichtung wahlweise während des Betriebs des Wechselrichters eingeschaltet. Durch das wahlweise Einschalten der Totzeitkorrektureinrichtung ist es möglich, beispielsweise Zeitintervalle oder Zeitpunkte zu wählen, in denen eine Totzeitkorrektur durchgeführt wird. In der Zeit, in der keine Totzeitkorrektur erfolgt, wird bevorzugt mit einem Wert für die Totzeitkorrektur aus einer früheren Totzeitkorrektur gearbeitet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die Totzeitkorrektureinrichtung abhängig von Betriebszuständen des Wechselrichters und/oder einer an den Wechselrichter angeschlossenen Endstufe zu- und/oder abgeschaltet.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Totzeitkorrektureinrichtung einen Speicher für mindestens einen Wert der über der Kapazität erfassten Spannung auf. Ferner besitzt die Totzeitkorrektureinrichtung einen Komparator, der einen erfassten Wert der Spannung über der Kapazität mit mindestens einen Speicherwert vergleicht, wobei die Totzeitkorrektureinrichtung bei Überschreiten des gespeicherten Wertes einen die Totzeit verlängernden Korrekturwert und bei Unterschreiten des gespeicherten Werts einen die Totzeit verkürzenden Korrekturwert generiert. Der aktuelle Wert der Spannung über der Kapazität wird für einen späteren Vergleich de Komparators gespeichert. Eine derart iterativ arbeitende Totzeitkorrektureinrichtung erlaubt mit einfachen Mitteln eine robuste Korrektur der Totzeit.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das RC-Glied jedes Ventils in einer Halbbrücke mit einer parallel zu dem Ventil geschalteten Kapazität und einem parallel zu der Kapazität geschalteten Widerstand ausgestattet. Durch den parallel geschalteten Widerstand wird das RC-Glied derart gedämpft, dass der Spannungswert über der Kapazität maßgeblich durch den Querstrom bestimmt wird. Bevorzugt ist eine Diode zwischen den Widerstand und das Ventil geschaltet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind als Ventile in den Halbbrücken des Wechselrichters Transistoren, insbesondere MOSFETs vorgesehen.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen und bestimmt zur Korrektur der Totzeit bei Ansteuerung einer Halbleiterbrücke in einem Wechselrichter. Die Ventile der Halbleiterbrücke werden mit einer Totzeit geschaltet, wobei jedes Ventil in der Halbbrücke mit einem RC-Glied ausgestattet ist, dessen Kapazitität abhängig von der Größe eines in der Halbbrücke auftretenden Querstroms mit einer Spannung aufgeladen wird. Das Verfahren sieht vor, die an der Kapazität des RC-Gliedes anliegende Spannung zu erfassen und iterativ einen Wert für die Totzeit zu ermitteln, der die über der Kapazität anliegende Spannung minimiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenutzt, dass die aber der Kapazität sich aufbauende Spannung ein Maß für die Größe des Querstroms ist, so dass die Minimierung dieses Spannungswertes einer Minimierung der Totzeit entspricht.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der erfasste Wert der Spannung über der Kapazität aus einem früheren Schaltzyklus der Halbbrücke mit dem aktuellen Spannungswert verglichen und ein die Totzeit verlängernder Korrekturwert bestimmt, wenn der frühere Spannungswert größer als der aktuelle Spannungswert und eint die Totzeit verkürzender Korrekturwert bestimmt, wenn der frühere Spannungswert kleiner als der aktuelle Spannungswert ist. Diesem iterativen Vorgang zur Korrektur der Totzeit liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die über der Kapazität liegende Spannung eine konvexe Form besitzt, deren Minimum einem minimalen Wert des Querstroms entspricht.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1 in einem Schaltbild eine mit zwei RC-Gliedern ausgestattete Halbbrücke,
-
2 den zeitlichen Verlauf der Phasenspannung bei auftretenden Querströmen,
-
3 ein Flussdiagramm zur Totzeitoptimierung,
-
4 den Zusammenhang zwischen der Spannung über dem Kondensator und der Totzeit,
-
5 einen Wechselrichter aus dem Stand der Technik,
-
6 die Schaltvorgänge in einer Halbbrücke mit Totzeit und
-
7 eine schematische Ansicht eines Wechselrichters mit einer Totzeitkorrektureinrichtung.
-
1 zeigt eine Halbbrücke mit Transistoren X1 und X2, die an eine Batteriespannung Ubat angeschlossen sind. Zwischen den beiden Transistoren X1 und X2 liegt die Phasenspannung UPhase an. Die in 1 dargestellte Halbbrücke entspricht beispielsweise der in 5 gezeigten Halbbrücke mit den Transistoren 2a und 2b, wobei in 1 zusätzlich die RC-Glieder mit dem Kondensator C1, dem Widerstand D1 und der Diode D2 in dem RC-Glied 14 und dem Kondensator C2 mit dem Widerstand R2 und der Diode D1 in dem RC-Glied 16 dargestellt sind. Die dargestellten Transistoren X1 und X2 werden jeweils über ihr Gate angesteuert.
-
2 zeigt den Spannungsverlauf der an der Phase anliegenden Spannung über der Zeit. Deutlich zu erkennen ist, dass mit dem Einschalten des Transistors ein erstes Spannungsmaximum 18 auftritt, das von einem zweiten Spannungsmaximum 20 gefolgt ist. In der 2 ist zu erkennen, dass das zweites Spannungsmaximum 20 eine größere Amplitude als das erste Spannungsmaximum 18 besitzt und eine größere Breite als das erste Spannungsmaximum. Die weiteren Spannungsmaxima 22 folgen dem zweiten Spannungsmaximum 20 und sind im Wesentlichen durch den transienten Einschaltvorgang hervorgerufen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das zweite Spannungsmaximum 20 im Wesentlichen durch den über die Halbbrücke fließenden Querstrom und die von diesem induzierte Spannung hervorgerufen ist. Durch das parallel zum Transistor geschaltete RC-Glied wird der Kondensator des RC-Gliedes entsprechend der Spannung des zweiten Maximums aufgeladen. Für den Einschaltvorgang des Transistors X1 wird, sobald die Phasenspannung oberhalb der Versorgungsspannung zuzüglich der Durchlassspannung der Freilaufdiode liegt, die Diode D2 leitfähig und lädt die Kapazität C1 auf Der Widerstand R1 dient zur Entladung der Kapazität während des folgenden Zyklus. Das RC-Glied 14 ist so dimensioniert, dass die Spannung über der Kapazität unterhalb der Amplitude des zweiten Maximums 22 liegt, damit dieses die Ladung der Kapazität maßgeblich beeinflusst. Aus diesem Grund steigt die betragsmäßige Spannung über der Kapazität mit steigendem Querstrom an.
-
3 zeigt in einem Flussdiagramm die iterative Korrektur der Totzeit. Das Verfahren mit Verfahrensschritt 24, bei dem ein maximaler Wert für die Spannung über der Kapazität (AD_Alt) festgesetzt wird. Ebenfalls wird ein Startwert für die Totzeit gesetzt. Hierbei kann es sich um eine korrigierte Totzeit aus einem früheren Optimierungsprozess für die Totzeit handeln oder um einen vorbestimmten Wert der fest eingestellt ist.
-
In Verfahrensschritt 26 wird die Totzeit um einen vorbestimmten Wert reduziert. Nachfolgend erfolgt in Schritt 28 eine Messung der Spannung über der Kapazität des RC-Gliedes. In Verfahrensschritt 30 wird mit Hilfe eines Komparators der neu erfasste Wert für die Spannung über dem Kondensator mit dem alten Wert verglichen. Bei der ersten Iteration erfolgt hier ein Vergleich mit dem vorbestimmten Maximalwert, so dass stets der neue Wert kleiner als der alte Wert ist. Das Verfahren verzweigt somit in Schritt 32, in dem der alte Wert für die Spannung über der Kapazität durch den neu erfassten Spannungswert ersetzt wird. In Schritt 26 erfolgt eine erneute Reduktion der Totzeit. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis der durch die Reduktion der Totzeit gewonnene neue Spannungswert größer oder gleich dem Spannungswert aus einem früheren Iterationsschritt ist. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zu Schritt 34 und erhöht die Totzeit wieder um eine vorbestimmte Schrittweite. In dem dargestellten Verfahren endet im Schritt 36 nachfolgend die Totzeitoptimierung. Es ist aber denkbar, das Verfahren fortzusetzen, beispielsweise, indem über Schritt 32 und Schritt 28 das Verfahren wieder zu der Abfrage 30 zurückkehrt.
-
Das dargestellte Iterationsverfahren zur Auffindung des Minimums ist bei geeignet eingestellter Schrittweite für die Totzeitkorrektur robust und liefert die gewünschte Korrektur der Totzeit.
-
4 zeigt den Zusammenhang zwischen der über der Kapazität anliegenden Spannung und der Totzeit. Der minimale Querstrom ergibt sich für eine Totzeit, bei der der Spannungswert sein Minimum annimmt. Aus 4 ist direkt einsichtig, dass, wenn die Totzeit in der Halbbrücke zu kurz gewählt ist, es zu großen Querströmen bis hin zum Kurzschluss der Gleichspannungsquelle kommt. Insofern ist direkt einsichtig, dass die Spannung über dem Kondensator zunächst mit größer werdender Totzeit abnimmt. Gleichzeitig ist für sehr große Totzeiten einsichtig, dass eine gewisse Größe eines Querstroms vorliegt, da die MOSFETs innerhalb der Halbbrücke selbst kapazitive Eigenschaften besitzen. Das Minimum für den Querstrom ergibt sich daraus, dass der Querstrom eine Spannung in den parasitären Induktivitäten erzeugt, die eine bestimmte Phasenlage zur transienten Schwingung des Einschaltvorgangs hat. Ist die Totzeit geeignet gewählt, so nimmt der Querstrom ein Minimum an, das kleiner als der Wert des Querstroms für sehr große Totzeiten ist. Insofern ist der in 4 dargestellte konvexe Verlauf der Spannung einsichtig. Das vorstehend beschriebene Iterationsverfahren beginnt im rechten Ast des Spannungsverlaufs mit großen Totzeiten als Startwert und geht dann bei einer vorbestimmten Schrittweite dT in das Minimum hinein.
-
Das in 3 dargestellte Ablaufdiagramm kann als eine Schaltung zur Einstellung der Totzeit digital oder analog realisiert werden. Unter Umständen ist zur Messung der Kondensatorspannung eine Schaltung nötig, die diese Spannung in eine dazu proportionale, massebezogene Spannung umwandelt. Außerdem kann nach eine Schaltung zur Spitzenwerterkennung hinzugefügt werden, weil die Spannung über dem Kondensator und der teilweisen Entladung Schwankungen aufweisen kann. Wenn es zu einem betragsmäßigen Anstieg der Spannung über dem Kondensator kommt, dann ist dies ein Indiz für einen fließenden Querstrom. Die Schaltung erkennt diesen Anstieg und kann darauf basierend die optimale Totzeit einstellen, bei der der Laststrom direkt von dem einen auf den komplementären MOSFET kommutiert wird, ohne dass dabei die Freilaufdiode des abschaltenden MOSFETs leitfähig wird. Auch kann zum Finden der minimalen Totzeit ein Regelkreis vorgesehen sein, der als Istwert die aktuelle Spannung über den Kondensator misst und durch eine Totzeitveränderung diese Spannung an einen vorher eingestellten Sollwert anpasst. Dieser Sollwert ist dabei so gewählt, dass es bei der dann eingestellten Totzeit nur zu einem kleinen Querstrom kommt.
-
7 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Wechselrichter 36, für dessen Halbbrücke 38 eine Totzeitkorrektur vorgenommen wird. Zur besseren Übersicht ist lediglich die Totzeitkorrektur in der Halbbrücke 38 dargestellt. Jedes Ventil in der Halbbrücke 38 ist mit einem RC-Glied 40, 42 ausgestattet, die den in 1 dargestellten Aufbau der RC-Glieder 14 und 16 besitzen. Die an den Kondensatoren C1 und C2 anliegende Spannung wird an eine Totzeitkorrektureinrichtung 44 angelegt. Die Totzeitkorrektureinrichtung 44 bestimmt, wie in 3 dargestellt, Korrekturwerte dT1 und dT2 für die Korrektur der Totzeit. Der korrigierte Totzeitwert wird an eine Ansteuereinrichtung 46 an den Wechselrichter 36 angelegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- M. Rose et al.: „Zero Body Diode Conduction Tim in Variable Speed Drive Converter Systems”, in Proc. IEEE EOE Conf., 2009, pp. 1–10 [0005]
- J-J. Huselstein et al.: „Use of the MOSFET Channel Reverse Conduction in an Inverter for Surpression of the Internal Diode Recovery Current”, IEE Power Electronics and Applications, 1993, pp. 431 [0006]
