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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit eines Halbleiterschalters bei einem Stromrichter. Weiterhin betrifft die Erfindung eine diesbezügliche Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit.
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Halbleiterschalter werden unter anderem z. B. zum Gleichrichten und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet, wobei in der Regel mehrere Halbleiterschalter zur Realisierung eines Stromrichters elektrisch miteinander verbunden werden. Die Halbleiterschalter können dabei z. B. in Form von Transistoren, wie z. B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vorliegen. Die Halbleiterschalter sind dabei in der Regel auf einem Substrat angeordnet, das wiederum direkt oder indirekt mit einem Kühlkörper verbunden ist.
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In 1 ist ein handelsüblicher Stromrichter 1 dargestellt, der beispielhaft in Form einer sogenannten 3-phasigen Brückenschaltung ausgebildet ist. Der Stromrichter 1 weist sechs Halbleiterschalter 110 auf. Den Halbleiterschaltern 110 sind jeweilig eine Freilaufdiode 120 und eine Ansteuerschaltung 50 zur Ansteuerung des jeweilig zugehörigen Halbleiterschalters zugeordnet. Im Rahmen des dargestellten Beispiels erzeugt der Stromrichter 1 aus der linksseitig eingespeisten Zwischenkreisgleichspannung Ud eine 3-phasige Wechselspannung. Die jeweilige Ansteuerschaltung 50 erzeugt eine gegenüber dem Emitter E des Halbleiterschalters 110 positive und eine gegenüber dem Emitter E des Halbleiterschalters 110 negative Ausgangspannung. Wenn der Halbleiterschalters 110 eingeschaltet werden soll, dann wird von der zugehörigen Ansteuerschaltung 50 die positive Ausgangsspannung zum Gate G des Halbleiterschalters durchgeschaltet. Wenn der Halbleiterschalter 110 ausgeschaltet werden soll, dann wird von der zugehörigen Ansteuerschaltung 50 die negative Ausgangsspannung zum Gate G des Halbleiterschalters durchgeschaltet.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit eines einzelnen oder mehrerer Halbleiterschalter bei einem Stromrichter und eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerschaltung 50 zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters 110 schematisiert dargestellt, wobei in 2 nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elementen der handelsüblichen Ansteuerschaltung 50 dargestellt sind. Die Ansteuerschaltung 50 wird primärseitig von einer Wechselspannungsquelle gespeist, die eine erste Eingangswechselspannung Uac1 erzeugt. Beim Stand der Technik erzeugt die Wechselspannungsquelle eine konstante Eingangswechselspannung Uac1. Ein Transformator 2 erzeugt eine von der Eingangswechselspannung Uac1 potentialgetrennte zweite Eingangswechselspannung Uac2, indem er die erste Eingangswechselspannung Uac1 transformatorisch von der Primärseite auf die Sekundärseite überträgt. Mittels einer Gleichrichtereinheit, die im Rahmen der beispielhaft dargestellten Ansteuerschaltung 50 aus einem Gleichrichter 3 und einem Kondensator 8 besteht, wird zur Energieversorgung der Ansteuerschaltung 50 eine Eingangsgleichspannung Ue erzeugt.
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Eine Ausgangsspannungserzeugungseinheit, die im Rahmen der beispielhaft dargestellten Ansteuerschaltung 50 aus einem Spannungsregler 9 und einem Widerstand 5 besteht, erzeugt aus der Eingangsgleichspannung Ue eine in Bezug auf den Emitter E des Halbleiterschalters 110, d. h. genauer ausgedrückt eine im Bezug zu dem Emitterpotential des Leistungshalbleiterschalters 110, positive Ausgangspannung Up, welche über einem ersten Kondensator 10 anliegt, und eine in Bezug auf den Emitter E des Halbleiterschalters 110, d. h. genauer ausgedrückt eine im Bezug zu dem Emitterpotential des Leistungshalbleiterschalters 110, negative Ausgangspannung Un, welche über einem zweiten Kondensator 11 anliegt. Der Spannungsregler 9 liegt dabei beispielhaft in Form einer Zenerdiode vor. Die Zenerdiode erzeugt die in Bezug auf den Emitter E des Halbleiterschalters 110 positive Ausgangsspannung Up, welche über dem ersten Kondensator 10 anliegt. Die Höhe der positiven Ausgangsspannung Up entspricht der Durchbruchspannung der Zenerdiode 9. Der Betrag der negativen Spannung Un entspricht der Eingangsgleichspannung Ue abzüglich der positiven Ausgangsspannung Up.
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Eine Schalteinheit 12 schaltet in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal S die positive oder die negative Ausgangspannung auf das Gate G des Halbleiterschalters 110 durch und schaltet somit den Halbleiterschalters 110 ein und aus. Zwischen der Schalteinheit 12 und dem Gate G ist dabei im Rahmen dieses Beispiels ein elektrischer Widerstand 18 zur Strombegrenzung geschaltet.
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Alternativ kann auch jeweils ein elektrischer Widerstand in den Strompfad zwischen dem Anschluss des ersten Kondensators 10 und der Schalteinheit 12, und in den Strompfad zwischen dem Anschluss des zweiten Kondensators 11 und der Schalteinheit 12 geschaltet sein.
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Die Schalteinheit 12 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Schaltelemente einen ersten und einen zweiten elektrisch in Serie geschalteten MOSFET auf, wobei die Source des ersten MOSFET mit dem Drain des zweiten MOSFET elektrisch verbunden ist und die Source des ersten MOSFET und der Drain des zweiten MOSFET über den Widerstand 18 mit dem Gate G des Halbleiterschalters 110 elektrisch verbunden sind. Der Drain des ersten MOSFET ist mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensators 10 elektrisch verbunden und die Source des zweiten MOSFET ist mit dem Anschluss des zweiten Kondensators 11 elektrisch verbunden. Wenn das Steuersignal S einen logischen Pegel von „1” aufweist, ist der erste MOSFET eingeschaltet und der zweite MOSFET ausgeschaltet, so dass die positive Ausgangsspannung Up zum Gate G des Halbleiterschalters 110 durchgeschaltet wird. Wenn das Steuersignal S einen logischen Pegel von „0” aufweist, ist der erste MOSFET ausgeschaltet und der zweite MOSFET eingeschaltet, so dass die negative Ausgangsspannung Un zum Gate G des Halbleiterschalters 110 durchgeschaltet wird.
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Infolge von parasitären Induktivitäten weist beim Ausschalten des Halbleiterschalters 110 die Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110 Spannungsspitzen auf, die, falls diese zu hoch werden, zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Halbleiterschalters 110 führen können. Die Spannungsspitzen sind umso niedriger je langsamer das Ausschalten des Halbleiterschalters 110 erfolgt. Je langsamer der Halbleiterschalters 110 jedoch ausgeschaltetet wird, desto größer werden die energetischen Verluste die am Halbleiterschalter 110 anfallen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad des Stromrichters 1 auswirkt. Weiterhin führen die energetischen Verluste am Halbleiterschalter 110 zu einer Erwärmung des Halbleiterschalters 110, was bei übermäßiger Erwärmung ebenfalls zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Halbleiterschalters 110 führen kann.
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Aus der
DE 20 2010 008 133 U1 ist eine Gate-Treiberanordnung, die angeordnet ist, ein Halbleiterbauelement aufgrund einer für ein Gittersteuergerät erzeugten Steuerinformation zu steuern, bekannt, wobei die Gate-Treiberanordnung ein Trennbauelement, das angeordnet ist, die Steuerinformation zum Steuern des Halbleiterbauelements zu empfangen, und das angeordnet ist, ein Steuerpotential und ein Potential eines steuerbaren Schalters zu trennen und ein Steuerbauelement, das angeordnet ist, die Steuerinformation von dem Trennbauelement zu empfangen, aufweist.
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Aus der
DE 10 2008 022 923 A1 ist ein Verfahren zur Laufzeitermittlung einer Ansteuereinheit eines abschaltbaren Halbleiterschalters eines Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit lastseitigem elektrischen Motor bekannt, wobei in Abhängigkeit einer an- bzw. absteigenden Schaltflanke eines vom Steuersatz des Pulsstromrichters ausgegebenen Ansteuersignals eine Zeitmessung gestartet wird, die jeweils durch eine dazu korrespondierende Flanke einer am angesteuerten abschaltbaren Halbleiterschalter gemessenen Spannung gestoppt wird, wobei während dieser Zeitmessung an einem zum angesteuerten abschaltbaren Halbleiterschalter gehörenden Brückenzweig-Ausgang ein Umrichter-Ausgangsstrom gemessen wird, und wobei diese ermittelten Zeitdifferenzen jeweils als Ein- bzw. Ausschaltlaufzeiten der zum angesteuerten abschaltbaren Halbleiterschalter gehörenden Ansteuereinheit mit ermitteltem Umrichter-Ausgangsstrom abgespeichert werden.
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Aus der
JP 2007-089 325 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung von Schaltverlusten bei Leistungshalbleiterschaltern bekannt, bei dem die Gate Spannung am Leistungshalbleiterschalter angepasst wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Betrieb eines Halbleiterschalters in einem optimierten Betriebspunkt zwischen dem Auftreten von zu hohen Schaltverlusten und dem Auftreten von zu hohen Überspannungen am Halbleiterschalter zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wir gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit eines Halbleiterschalters bei einem Stromrichter mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Ermittlung einer Betriebsgröße oder mehrere Betriebsgrößen des Stromrichters,
- – Ermittlung eines Ausgangspannungssollwerts anhand der Betriebsgröße oder den mehreren Betriebsgrößen des Stromrichters
- – Erzeugung einer im Bezug zum Emitter des Halbleiterschalters negativen Ausgangsspannung von einer Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, wobei die Höhe der negativen Ausgangsspannung vom Ausgangspannungssollwert abhängt, wobei die Höhe der negativen Ausgangsspannung (Un) in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts (Unsoll) verändert wird indem eine im Bezug zum Emitter (E) des Halbleiterschalters (110) positive Ausgangsspannung (Up) der Ansteuereinheit (50') mittels eines in die Ansteuereinheit (50') integrierten Spannungsreglers (9') in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts (Unsoll) verändert wird, oder die Höhe der negativen Ausgangsspannung (Un) in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts (Unsoll) verändert wird indem mittels eines in die Ansteuereinheit (50') integrierten Linear- oder Schaltreglers (20'') in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts (Unsoll) die Summe der Beträge von negativer und positiver Ausgangsspannung (Up, Un) verändert wird.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit eines Halbleiterschalters bei einem Stromrichter umfassend,
- – eine Gebereinrichtung, die zur Ermittlung einer Betriebsgröße oder mehrere Betriebsgrößen des Stromrichters ausgebildet ist,
- – eine Sollwertermittlungseinheit, die zur Ermittlung eines Ausgangspannungssollwerts anhand der Betriebsgröße oder anhand der mehreren Betriebsgrößen des Stromrichters ausgebildet ist, und
- – eine Ansteuereinheit, die Erzeugung einer im Bezug zum Emitter des Halbleiterschalters negativen Ausgangsspannung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters ausgebildet ist, wobei die Höhe der negativen Ausgangsspannung vom Ausgangspannungssollwert abhängt, wobei die Höhe der negativen Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts verändert wird indem eine im Bezug zum Emitter des Halbleiterschalters positive Ausgangsspannung der Ansteuereinheit mittels eines in die Ansteuereinheit integrierten Spannungsreglers in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts verändert wird, oder die Höhe der negativen Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts verändert wird indem mittels eines in die Ansteuereinheit integrierten Linear- oder Schaltreglers in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts die Summe der Beträge von negativer und positiver Ausgangsspannung verändert wird.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen der Einrichtung und umgekehrt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Ausschalten des Halbleiterschalters durch Durchschalten der negativen Ausgangspannung zum Gate des Halbleiterschalters erfolgt. Hierdurch wird ein zuverlässiges Ausschalten des Halbleiterschalters sichergestellt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Betriebsgröße oder die Betriebsgrößen in Form der Temperatur des Halbleiterschalters und/oder in Form der Zwischenkreisspannung des Stromrichters und/oder in Form der Kollektor-Emitter-Spannung des Halbleiterschalters und/oder in Form des Laststroms des Stromrichters vorliegt oder vorliegen, da die Höhe der Überspannungen am Halbleiterschalter von diesen Betriebsgrößen abhängt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Halbleiterschalter als IGBT oder MOSFET ausgebildet ist, da eine Ausbildung des Halbleiterschalters als IGBT oder als MOSFET eine übliche Ausbildung des Halbleiterschalters darstellt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ermittlung einer Verriegelungszeit anhand der Betriebsgröße oder den mehreren Betriebsgrößen des Stromrichters erfolgt und die Ermittlung eines Ansteuersignals zur Ansteuerung des Halbleiterschalters in Abhängigkeit der Verriegelungszeit erfolgt, da dann die Verriegelungszeit und infolge das Ansteuersignal an den Betriebspunkt in dem der Stromrichter betrieben wird, sehr gut angepasst ist. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sollwertermittlungseinheit zur Ermittlung einer Verriegelungszeit anhand der Betriebsgröße oder anhand der mehreren Betriebsgrößen des Stromrichters ausgebildet ist, da dann sowohl die Ermittlung des Ausgangspannungssollwerts als auch die Ermittlung der Verriegelungszeit durch die Sollwertermittlungseinheit erfolgt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 2 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein Stromrichter gemäß dem Stand der Technik und
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2 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit eines einzelnen oder mehrere Halbleiterschalter bei einem Stromrichter und eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters.
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Die Höhe der Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110, die im Betrieb des Stromrichters 1 auftreten, hängen von den Betriebsgrößen Temperatur T des Halbleiterschalters 110, Zwischenkreisspannung Ud des Stromrichters 1 und dem Laststrom I1 des Stromrichters 1 ab.
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Je höher der Laststrom I1 ist desto höher ist der Kollektorstrom, d. h. der vom Kollektor C durch den Halbleiterschalters 110 zum Emitter E des Halbleiterschalters 110 fließende elektrische Strom. Je höher der Kollektorstrom ist desto höher sind die Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110. Das heißt je höher der Laststrom I1 ist desto langsamer muss der Halbleiterschalters 110 ausgeschaltet werden, um die Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce zu reduzieren. Der Halbleiterschalters 110 schaltet umso langsamer aus je kleiner die negative Ausschaltspannung Un ist, d. h. bei ansteigenden Laststrom I1 muss die negative Ausschaltspannung Un reduziert werden um unzulässig hohe Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110, die zu einer Zerstörung oder Beschädigung des Halbleiterschalters 110 führen können zu vermeiden. Ein damit einhergehendes moderates Ansteigen der energetischen Verluste muss dabei in Kauf genommen werden. Es reicht dabei bei einem 3-phasigen System aus den Laststrom I1 nur einer Phase zu messen, da infolge der symmetrischen Stromaufteilung die Höhe des effektiven Laststroms in allen drei Phasen gleich ist.
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Je höher die Zwischenkreisspannung Ud ist, desto höher sind die Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110. Das heißt je höher die Zwischenkreisspannung Ud ist, desto langsamer muss der Halbleiterschalter 110 ausgeschaltet werden, um die Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce zu reduzieren. Der Halbleiterschalters 110 schaltet umso langsamer aus je kleiner die negative Ausschaltspannung Un ist, d. h. bei ansteigender Zwischenkreisspannung Ud muss die negative Ausschaltspannung Un reduziert werden, um unzulässig hohe Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110, die zu einer Zerstörung oder Beschädigung des Halbleiterschalters 110 führen können, zu vermeiden. Ein damit einhergehendes moderates Ansteigen der energetischen Verluste des Halbleiterschalters muss dabei in Kauf genommen werden.
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Je höher die Temperatur T des Halbleiterschalters 110 ist, desto langsamer ist das interne Schaltverhalten des Halbleiterschalters 110 und infolge desto niedriger sind die beim Ausschalten des Halbleiterschalters 110 entstehenden Spannungsspitzen der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters 110. Der Halbleiterschalter 110 schaltet umso schneller aus je größer die negative Ausschaltspannung Un ist, d. h. bei ansteigender Temperatur T des Halbleiterschalters 110, kann die negative Ausschaltspannung Un erhöht werden und damit die energetischen Verluste des Halbleiterschalters reduziert werden.
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Beim Stand der Technik ist es bekannt die Temperatur T eines Halbleiterschalters zu messen indem in der Nähe der üblicherweise auf einem Substrat angeordneten Halbleiterschalter ein Temperatursensor angebracht wird und die Temperatur des Substrats gemessen wird, an das die Halbleiterschalter ihre Verlustenergie abgeben und das sich infolge erwärmt. Die Temperatur des Substrats wird dabei als Temperatur der Halbleiterschalter angesehen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter der Temperatur T eines Halbleiterschalters eine direkt am Halbleiterschalter oder eine am Substrat auf dem der Halbleiterschalter angeordnet ist oder eine am Kühlkörper, der zur Kühlung des Halbleiterschalters dient, gemessene Temperatur verstanden wird. Wenn nur eine solche Temperatur für den Stromrichter gemessen wird, dann wird diese Temperatur allen Halbleiterschaltern des Stromrichters als Temperatur des jeweiligen Halbleiterschalters zugeordnet.
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Eine Gebereinrichtung 15, die zur Ermittlung der Betriebsgrößen des Stromrichters ausgebildet ist, ermittelt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels die Temperatur T des Halbleiterschalters 110, die Zwischenkreisspannung Ud und den Laststrom I1 des Stromrichters 1. Hierzu weist die Gebereinrichtung 15 einen am Substrat, auf dem die Halbleiterschalter 110 des Gleichrichters 1 angeordnet sind, angeordneten Temperatursensor zur Messung der Temperatur T des Halbleiterschalters 110, d. h. des Substrats, einen Stromgeber, der den Laststrom I1 misst und einen Spannungsgeber, der die Zwischenkreisspannung Ud misst, auf. Der Übersichtlichkeit halber und da für das Verständnis der vorliegenden Erfindung unwesentlich, sind die Geber und der Temperatursensor in 2 nicht dargestellt. Selbstverständlich kann die Gebereinrichtung 15 aber auch so ausgebildet sein, dass diese nur eine einzelne Betriebsgröße ermittelt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird die Temperatur T des Halbleiterschalters, der Laststrom I1 und die Zwischenkreisspannung Ud an eine Sollwertermittlungseinheit 7 übermittelt.
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Die Sollwertermittlungseinheit 7 ermittelt einen Ausgangspannungssollwert Unsoll, den die negative Ausgangsspannung Ud annehmen soll, anhand der Betriebsgrößen, d. h. im Rahmen des Ausführungsbeispiels anhand der Temperatur T des Halbleiterschalters, des Laststrom I1 und der Zwischenkreisspannung Ud. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist zur Ermittlung des Ausgangspannungssollwert Unsoll aus den Betriebsgrößen in der Sollwertermittlungseinheit 7 eine empirisch mittels Tests ermittelte Tabelle hinterlegt in der zu verschiedenen Kombinationen von Werten der Temperatur T des Halbleiterschalters, des Laststrom I1 und der Zwischenkreisspannung Ud ein entsprechender Ausgangspannungssollwert Unsoll hinterlegt ist. Zwischenwerte werden dabei mittels Interpolation ermittelt.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Gebereinrichtung 15 alternativ oder zusätzlich auch einen Spannungsgeber zur Ermittlung der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters aufweisen kann und so die Höhe der Spannungsspitzen auch direkt gemessen werden können, was in 2 gestrichelt gezeichnet angedeutet ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Halbleiterschalters stellt ebenfalls eine Betriebsgröße des Stromrichters dar. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung Uce direkt gemessen wird, kann die Ermittlung des Ausgangspannungssollwert Unsoll z. B. auch nur mittels einer analog zu oben beschriebenen arbeitenden Tabellenfunktionalität anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Uce erfolgen. In Spezialfällen kann es aber trotzdem sinnvoll sein andere Betriebsgrößen zur Ermittlung des Ausgangspannungssollwert Unsoll zusätzlich zur Kollektor-Emitter-Spannung Uce zu verwenden.
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Weiterhin sei angemerkt, dass die Ermittlung des Ausgangspannungssollwert Unsoll anhand einer beliebigen Anzahl und beliebigen Kombination von Betriebsgrößen des Stromrichters erfolgen kann.
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Der Ausgangspannungssollwert Unsoll wird von der Sollwertermittlungseinheit 7 an eine Regeleinheit 4 als Regelsollgröße übermittelt. Weiterhin wird die negative Ausgangsspannung Un mittels einer Spannungsmesseinrichtung 6 gemessen, potentialgetrennt und als Regelistgröße an die Regeleinheit 4 übermittelt. Die Regeleinheit 4 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels als PI-Regler (Proportional-Integral-Regler) ausgebildet und ermittelt ein Steuersignal ST anhand des Ausgangspannungssollwerts Unsoll und anhand der negativen Ausgangsspannung Un.
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Das Steuersignal ST wird als Eingangsgröße an eine Wechselspannungserzeugungseinheit 17 übermittelt. Die Wechselspannungserzeugungseinheit 17 erzeugt eine erste Eingangswechselspannung Uac1 in Abhängigkeit des Steuersignals ST zur Energieversorgung der Ansteuereinheit 50 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 110. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die erste Eingangswechselspannung Uac1 nicht mehr konstant sondern ändert sich in Abhängigkeit des Steuersignals ST. Bei der ersten Eingangswechselspannung Uac1 handelt es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels um eine hochfrequente rechteckförmige pulsweitenmodulierte Wechselspannung. In Abhängigkeit des Steuersignals ST wird diese derart von der Wechselspannungserzeugungseinheit 17 erzeugt, dass die Eingangsgleichspannung Ue der Ansteuereinheit 50 steigt, gleich bleibt oder fällt. Ist der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un z. B. größer als der Ausgangspannungssollwert Unsoll, dann wird die erste Eingangswechselspannung Uac1 verringert, wodurch sich die Eingangsgleichspannung Ue verringert. Die Höhe der positiven Ausgangsspannung Up entspricht der Durchbruchspannung der Zenerdiode 9 und ist somit konstant. Der Betrag der negativen Spannung Un entspricht der Eingangsgleichspannung Ue abzüglich der positiven Ausgangsspannung Up, d. h. wenn die Eingangsgleichspannung Ue sinkt, sinkt im gleichen Maße auch der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un. Die erste Eingangswechselspannung Uac1 wird somit solange verringert bis der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un dem Ausgangspannungssollwert Unsoll entspricht.
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Ist der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un niedriger als der Ausgangspannungssollwert Unsoll, dann wird die erste Eingangswechselspannung Uac1 erhöht, wodurch sich die Eingangsgleichspannung Ue erhöht und sich entsprechend der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un erhöht. Die erste Eingangswechselspannung Uac1 wird somit solange erhöht bis der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un dem Ausgangspannungssollwert Unsoll entspricht.
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Je höher der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un ist, desto höher ist die Ausschaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters 110, d. h. desto schneller schaltet er ab. Durch die erfindungsgemäße Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters kann der Halbleiterschalters in einem optimierten Betriebspunkt zwischen dem Auftreten von zu hohen Schaltverlusten und dem Auftreten von zu hohen Überspannungen am Halbleiterschalter betrieben werden.
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Die Einrichtung zur Steuerung der Ausschaltgeschwindigkeit ist dabei in der Regel nur einmal für alle Halbleiterschalter 110 vorhanden und alle den jeweiligen Halbleiterschaltern 110 zugeordneten Ansteuerschaltungen 50 des Stromrichters 1 werden zentral von der Wechselspannungserzeugungseinheit 17 der Einrichtung mit elektrischer Energie versorgt, d. h. die erste Eingangswechselspannung Uac1 wird nur einmal pro Stromrichter erzeugt und dient als Eingangsspannung zur Erzeugung der jeweiligen zweiten Eingangswechselspannung für alle Ansteuerschaltungen 50 des Stromrichters 1. Die Wechselspannungserzeugungseinheit 17 ist in diesem Fall elektrisch mit allen Ansteuerschaltungen 50 verbunden. Alternativ kann die Einrichtung aber auch für jede Ansteuerschaltung 50 vorhanden sein, so dass die Anzahl der Einrichtungen der Anzahl der Ansteuerschaltungen 50 entspricht und die jeweilige Wechselspannungserzeugungseinheit mit der jeweilig zugeordneten Ansteuerschaltung 50 elektrisch verbunden ist
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In 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gestrichelt gezeichnet dargestellt. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Anordnung wird bei der ersten Ausführungsform die Höhe der negativen Ausgangsspannung Un in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts Unsoll verändert indem die im Bezug zum Emitter E des Halbleiterschalters 110 positive Ausgangsspannung Up der Ansteuereinheit 50' mittels eines in die Ansteuereinheit 50' integrierten Spannungsreglers 9' in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts Unsoll verändert wird. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird somit keine handelsüblich bekannte Ansteuerschaltung 50 verwendet, sondern eine modifizierte Ansteuerschaltung 50'. Die Spannungsregler 9' weist im Gegensatz zu dem fachüblich verwendeten Spannungsregler 9 der handelsüblich bekannten Ansteuerschaltung 50 einen Eingang auf über den sich die Höhe der positiven Ausgangsspannung Up, welche von dem Spannungsregler 9' erzeugt wird, steuern lässt. Die vom Spannungsregler 9' erzeugte positive Ausgangsspannung Up ist somit nicht mehr konstant. Das Steuersignal ST wird bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nicht mehr von der Regeleinheit 4 an die Wechselspannungserzeugungseinheit 17 übermittelt, sondern über eine Potentialtrennungseinheit 16, die eine elektrische Potentialtrennung vornimmt, an den Eingang des Spannungsregler 9' über den sich die Höhe der positiven Ausgangsspannung Up, welche von dem Spannungsregler 9' erzeugt wird, steuern lässt. Der Spannungsregler 9' kann als wesentliches Element, z. B. einen Transistor enthalten, der elektrisch in Serie mit dem Widerstand 5 geschaltet ist und solchermaßen einen gesteuerten Spannungsteiler mit dem Widerstand 5 bildet. Die Wechselspannungserzeugungseinheit erzeugt wie beim Stand der Technik eine konstante erste Eingangswechselspannung Uac1. Somit ist die Eingangsgleichspannung Ue ebenfalls konstant. Der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un ergibt sich als Betrag der Differenz von Eingangsgleichspannung Ue und positiver Ausgangsspannung Up. Wenn die positive Ausgangsspannung Up ansteigt, sinkt der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un und die Ausschaltgeschwindigkeit verlangsamt sich, d. h. der Halbleiterschalter schaltet langsamer aus. Wenn die positive Ausgangsspannung Up sinkt, steigt der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un und die Ausschaltgeschwindigkeit nimmt zu, d. h. der Halbleiterschalter schaltet schneller aus.
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In 2 ist weiterhin eine zweite Ausführungsform der Erfindung gestrichelt gezeichnet dargestellt. Im Gegensatz zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung wird bei der zweiten Ausführungsform die Höhe der negativen Ausgangsspannung Un in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts Unsoll verändert indem mittels eines in die Ansteuereinheit 50'' integrierten Linear- oder Schaltreglers 20'' in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts Unsoll die Summe der Beträge von negativer und positiver Ausgangsspannung Up und Un verändert wird. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird somit ebenfalls keine handelsüblich bekannte Ansteuerschaltung 50 verwendet, sondern eine modifizierte Ansteuerschaltung 50''. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Ansteuerschaltung 50'' wieder den aus der handelsüblich bekannte Ansteuerschaltung 50 bekannten Spannungsregler 9 auf, der eine konstante positive Ausgangsspannung Up erzeugt. Der Spannungsregler 9 liegt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form einer Zenerdiode 9 vor. Das Steuersignal ST wird bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung nicht von der Regeleinheit 4 an die Wechselspannungserzeugungseinheit 17 übermittelt, sondern über eine Potentialtrennungseinheit 16, die eine elektrische Potentialtrennung vornimmt, an den Eingang des Linear- oder Schaltreglers 20'' über den sich die Höhe der Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'', welche vom Linear- oder Schaltreglers 20'' erzeugt wird, steuern lässt. Somit wird in Abhängigkeit des Ausgangspannungssollwerts Unsoll die Summe der Beträge von negativer und positiver Ausgangsspannung Up und Un mittels des in die Ansteuereinheit 50'' integrierten Linear- oder Schaltreglers 20'' verändert. Der Linear- oder Schaltreglers 20'' ist dabei zwischen Kondensator 8 und der Einheit bestehend aus Spannungsregler 9 und Widerstand 5 angeordnet, wobei der Linear- oder Schaltregler 20'', wie in 2 dargestellt, unten im auf negativem Potential liegenden Zweig der Ansteuerschaltung 50'' angeordnet sein kann oder aber auch oben im auf positiven Potential liegenden Zweig der Ansteuerschaltung 50'' angeordnet sein kann. Die Wechselspannungserzeugungseinheit erzeugt wie beim Stand der Technik eine konstante erste Eingangswechselspannung Uac1. Somit ist die Eingangsgleichspannung Ue ebenfalls konstant. Der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un ergibt sich als Betrag der Differenz von Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'' und positiver Ausgangsspannung Up, d. h. wenn die Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'' sinkt, sinkt im gleichen Maße auch der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un. Die Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'' wird somit solange verringert bis der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un dem Ausgangspannungssollwert Unsoll entspricht. Ist der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un niedriger als der Ausgangspannungssollwert Unsoll, dann wird die Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'' erhöht, und somit, entsprechend der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un erhöht. Die Ausgangsspannung Uen des Linear- oder Schaltreglers 20'' wird somit solange erhöht bis der Betrag der negativen Ausgangsspannung Un dem Ausgangspannungssollwert Unsoll entspricht.
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Die Schalteinheit 12 schaltet in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal S die positive oder die negative Ausgangspannung auf das Gate G des Halbleiterschalters 110 durch und schaltet somit den Halbleiterschalter 110 ein und aus. Das der jeweiligen Schalteinheit zugehörige Ansteuersignal S wird von einer Steuereinrichtung 13 für alle Halbleiterschalter des Stromrichters 1 erzeugt und über eine jeweilige Potentialtrennungseinheit 14, die eine elektrische Potentialtrennung vornimmt, der dem jeweiligen Ansteuersignal S zugeordneten Schalteinheit 12 als Eingangsgröße zugeführt. Für jede Schalteinheit 12, d. h. jeden Halbleiterschalter 110 existiert somit ein zugehöriges Ansteuersignal S. Die in 1 oben auf hohem elektrischem Potential liegenden Halbleiterschalter werden fachspezifisch als sogenannte TOP-Halbleiterschalter und die unteren auf niedrigem Potential liegenden als BOT-Halbleiterschalter bezeichnet. Jedem TOP-Halbleiterschalter ist elektrisch in Serie mit einem zugehörigen BOT-Halbleiterschalter verbunden. Der TOP-Halbleiterschalter bildet zusammen mit dem zugehörigen BOT-Halbleiterschalter eine sogenannte Halbbrückenschaltung, so dass bei dem in 1 beispielshart dargestellten Stromrichter 1 drei Halbbrückenschaltungen vorliegen. Um einen Kurzschluss beim Betrieb des Stromrichters zu vermeiden muss sichergestellt sein, dass niemals beide Halbleiterschalter (TOP- und BOT-Halbleiterschalter) einer Halbbrücke gleichzeitig eingeschaltet sind. Dies wird durch die sogenannte Verriegelungszeit VZ erreicht. Wenn z. B. das Ansteuersignal S an die Schalteinheit des TOP-Halbleiterschalters, das Ausschalten des TOP-Halbleiterschalters vorgibt, dann wird das Einschalten des BOT-Halbleiterschalters der betreffenden Halbbrücke für die Zeitdauer der Verriegelungszeit VZ solange gesperrt, bis die Verriegelungszeit VZ abgelaufen ist. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verriegelungszeit VZ nicht konstant sondern wird anhand einer oder mehrerer Betriebsgrößen des Stromrichters ermittelt. Die Betriebsgröße oder die Betriebsgrößen stimmen dabei vorzugsweise mit der Betriebsgröße oder den Betriebsgrößen anhand derer der Ausgangspannungssollwert Unsoll ermittelt wird überein. Weiterhin sei angemerkt, dass die Ermittlung der Verriegelungszeit VZ anhand einer beliebigen Anzahl und beliebigen Kombination von Betriebsgrößen des Stromrichters erfolgen kann.
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Die Sollwertermittlungseinheit 7 ermittelt die Verriegelungszeit VZ im Rahmen des Ausführungsbeispiels anhand der Temperatur T des Halbleiterschalters, des Laststrom I1 und der Zwischenkreisspannung Ud. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist zur Ermittlung der Verriegelungszeit VZ aus den Betriebsgrößen in der Sollwertermittlungseinheit 7 eine empirisch mittels Tests ermittelte Tabelle hinterlegt in der zu verschiedenen Kombinationen von Werten der Temperatur T des Halbleiterschalters, des Laststrom I1 und der Zwischenkreisspannung Ud eine entsprechende Verriegelungszeit VZ hinterlegt ist. Zwischenwerte werden dabei mittels Interpolation ermittelt. Die von der Sollwertermittlungseinheit 7 ermittelte Verriegelungszeit VZ wird an die Steuereinrichtung 13 übermittelt und von der Steuereinrichtung 13 bei der Erzeugung der Ansteuersignale S für die Schalteinheiten 12 berücksichtigt. Die Ansteuersignale S werden derart von der Steuereinrichtung 13 erzeugt, dass die Verriegelungszeit VZ eingehalten wird. Die Ansteuersignale S dienen zum Ansteuern der Halbleiterschalter über die Schalteinheiten 12.
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In 2 nur ein einziger Halbleiterschalter 110 dargestellt. Der Halbleiterschalter 110 kann zur Erhöhung der Stromtragefähigkeit aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Halbleiterschaltern bestehen. In diesem Fall sind die Gateanschlüsse der parallel geschalteten Halbleiterschalter mit der jeweilig zugehörigen Schalteinheit 12 über den Widerstand 18 elektrisch verbunden.
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Im Rahmen der Ausführungsbeispiele ist der Halbleiterschalter 110 als IGBT ausgebildet. Selbstverständlich kann der Halbleiterschalter 110 aber auch in Form eines anderen Halbleiterschaltertyps, wie z. B. in Form eines MOSFET, vorliegen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung, schließt der Begriff Emitter auch den bei einem anderen Halbleitertyp zum Emitter analogen Anschluss und der Begriff Gate den bei einem anderen Leistungshalbleiterschaltertyp zum Gate analogen Anschluss mit ein. Bei einem MOSFET wird z. B. fachspezifisch der bei einem IGBT mit Emitter bezeichnete Anschluss als Source bezeichnet. Es sei deshalb an dieser Stelle angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung, der Begriff Emitter auch den Begriff Source mit einschließt.
