DE102012206721A1 - Method for controlling high-side switching element and low-side switching element, involves shortening time period of high state of control signals to duty cycle setting time period by twice guard time and fraction of guard time - Google Patents

Method for controlling high-side switching element and low-side switching element, involves shortening time period of high state of control signals to duty cycle setting time period by twice guard time and fraction of guard time Download PDF

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Jörg Reuss
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches

Abstract

The method involves assigning control signal (GHSS) of high-side switching element or control signal (GLSS) of low-side switching element in dependence on the flow direction indication or dependent on the current direction specified first fraction of guard time associated with first control signal and the remaining second fraction of guard time associated with second control signal. The time period of the high state of respective control signals to the duty cycle setting time period of high state is shortened by twice the guard time and corresponding fraction of guard time. An independent claim is included for driver for driving high-side switching element and low-side switching element.

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung von Schaltelementen einer im Wesentlichen im Gegentakt angesteuerten Halbbrücke in einem Umrichter, insbesondere Wechselrichter oder Gleichrichter.The invention relates to the control of switching elements of a substantially balanced push-pull half-bridge in a converter, in particular an inverter or rectifier.

Wechselrichter dienen dazu, eine Gleichsignal in eine Wechselsignal umzurichten, beispielsweise zur Erzeugung von mehrphasigem (insbesondere dreiphasigem) Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, um hiermit beispielsweise eine mehrphasige elektrische Maschine in einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug mit Energie zu versorgen. Gleichrichter arbeiten genau umgekehrt, wobei aus einem Wechselsignal (beispielsweise einem dreiphasigem Wechselstrom) ein Gleichsignal erzeugt wird.Inverters serve to convert a DC signal into an AC signal, for example for generating polyphase (in particular three-phase) alternating current from a DC voltage source, in order to supply, for example, a polyphase electrical machine in an electric motor driven vehicle with energy. Rectifiers work exactly the other way around, whereby a DC signal is generated from an AC signal (for example, a three-phase alternating current).

In einem Wechselrichter oder aktiven Gleichrichter wird für jede Phase beispielsweise eine Halbbrücke verwendet. Eine beispielhafte Halbbrücke 1 ist in 1 dargestellt. Eine Halbbrücke 1 umfasst mindestens ein High-Side-Schaltelement HSS zwischen dem oberen High-Side-Potential HSS und dem Phasenanschluss PH und mindestens ein Low-Side-Schaltelement LSS zwischen dem Phasenanschluss PH und dem unteren Low-Side-Potential LS. Die Schaltelemente HSS und LSS können beispielsweise wie in 1 als selbstsperrender n-Kanal-IGBT (insulated-gate bipolar transistor) realisiert werden.In an inverter or active rectifier, for example, a half-bridge is used for each phase. An exemplary half bridge 1 is in 1 shown. A half bridge 1 comprises at least one high-side switching element HSS between the upper high-side potential HSS and the phase connection PH and at least one low-side switching element LSS between the phase connection PH and the lower low-side potential LS. The switching elements HSS and LSS can, for example, as in 1 be realized as a self-blocking n-channel IGBT (insulated-gate bipolar transistor).

Zwischen dem oberen High-Side-Potential UZK/2 und dem Phasenanschluss PH und zwischen dem Phasenanschluss PH und dem unteren Low-Side-Potential –UZK/2 ist außerdem mindestens eine Diode HSD bzw. eine Diode LSD angeordnet. Die Dioden HSD und LSD dienen dazu, den Strom vom Low-Side-Schaltelement LSS bzw. High-Side-Schaltelement HSS zu übernehmen und aufrecht zu halten, wenn das Low-Side-Schaltelement LSS bzw. High-Side-Schaltelement HSS geöffnet werden und nicht mehr leitend sind.Between the upper high-side potential U ZK / 2 and the phase connection PH and between the phase connection PH and the lower low-side potential -U ZK / 2, at least one diode HSD or a diode LSD is additionally arranged. The diodes HSD and LSD serve to take over and maintain the current from the low-side switching element LSS or high-side switching element HSS when the low-side switching element LSS or high-side switching element HSS is opened and are no longer conductive.

Die Schaltelemente HSS und LSS werden durch pulsweitenmodulierte (PWM) Steuersignale GHSS und GLSS an den Steuereingänge der Schaltelemente HSS und LSS gesteuert. Bei den Steuersignalen GHSS und GLSS handelt es sich im Fall von 1 um die Gate-Potentiale.The switching elements HSS and LSS are controlled by pulse width modulated (PWM) control signals G HSS and G LSS at the control inputs of the switching elements HSS and LSS. The control signals G HSS and G LSS are in the case of 1 around the gate potentials.

Die pulsweitenmodulierten Signale wechseln jeweils zwischen zwei Signalzuständen, einem High-Zustand mit höherem Potential und ein Low-Zustand mit niedrigerem Potential. Die Breite eines High-Impulses und damit auch der Tastgrad dc, d. h. das Verhältnis zwischen der Breite des High-Impulses zur Periodendauer, sind dabei moduliert. Der Tastgrad wird auch als Dutycycle bezeichnet.The pulse width modulated signals each change between two signal states, a high state with a higher potential and a low state with a lower potential. The width of a high-pulse and thus the duty cycle dc, d. H. the ratio between the width of the high pulse to the period, are modulated. The duty cycle is also referred to as duty cycle.

Die Halbbrücke 1 wird im Wesentlichen im Gegentakt angesteuert, d. h. unter Vernachlässigung etwaiger Schutzzeiten ist ein Steuersignal im einem High-Zustand, wenn das andere Steuersignal im Low-Zustand ist, und umgekehrt.The half bridge 1 is essentially driven in push-pull, ie, neglecting any guard times is a control signal in a high state when the other control signal is in the low state, and vice versa.

Bei der Verwendung von n-Kanal-IGBTs ist im Wesentlichen jedes Schaltelement in einem High-Zustand des jeweiligen Steuersignals GHSS und GLSS leitend und in einem Low-Zustand des jeweiligen Steuersignals GHSS und GLSS nicht leitet.When using n-channel IGBTs, substantially each switching element in a high state of the respective control signal G HSS and G LSS is conductive and in a low state of the respective control signal G HSS and G LSS not conducting.

Es können auch jeweils mehr als ein einziges High-Side-Schaltelement HSS bzw. Low-Side-Schaltelement LSS pro Halbbrücke 1 verwendet werden. Die einzelnen High-Side-Schaltelemente HSS bzw. Low-Side-Schaltelemente LSS sind dann in Serie oder parallel geschaltet und werden in gleicher Weise angesteuert.It is also possible in each case more than a single high-side switching element HSS or low-side switching element LSS per half-bridge 1 be used. The individual high-side switching elements HSS and low-side switching elements LSS are then connected in series or in parallel and are driven in the same way.

Im Folgenden wird der Ausgangsstrom IPH der Halbbrücke 1 als positiv gewertet, wenn der Ausgangsstrom IPH aus der der Halbbrücke 1 herausfließt und beispielsweise in eine elektrische Maschine fließt. Demnach ist der Ausgangsstrom IPH negativ, wenn der Ausgangsstrom IPH beispielsweise aus einer elektrischen Maschine in die Halbbrücke 1 fließt.In the following, the output current I PH of the half-bridge 1 evaluated as positive if the output current I PH from that of the half-bridge 1 flows out and flows for example in an electric machine. Accordingly, the output current I PH is negative when the output current I PH, for example, from an electric machine in the half-bridge 1 flows.

In 2 ist der Ausgangsstrom Iph bei positiver Stromrichtung (d. h. IPH > 0) bei unterschiedlichen Schaltzuständen dargestellt. In der linken Darstellung in 2 leitet das High-Side-Schaltelement HSS und der Strom fließt über das High-Side-Schaltelement HSS. In der rechten Darstellung sperrt das High-Side-Schaltelement HSS und der Strom fließt über die untere Diode LSD.In 2 is the output current I ph at positive current direction (ie I PH > 0) shown at different switching states. In the left illustration in 2 conducts the high-side switching element HSS and the current flows through the high-side switching element HSS. In the right-hand illustration, the high-side switching element blocks HSS and the current flows via the lower diode LSD.

In 3 ist der Ausgangsstrom IPH bei negativer Stromrichtung (d. h. IPH < 0) bei unterschiedlichen Schaltzuständen dargestellt. In der linken Darstellung sperrt das Low-Side-Schaltelement LSS und der Strom fließt über die obere Diode HSD. In der rechten Darstellung in 3 leitet das Low-Side-Schaltelement LSS und der Strom fließt über das Low-Side-Schaltelement LSS.In 3 is the output current I PH in the negative current direction (ie I PH <0) shown at different switching states. In the left-hand illustration, the low-side switching element LSS blocks and the current flows via the upper diode HSD. In the right-hand illustration in 3 conducts the low-side switching element LSS and the current flows via the low-side switching element LSS.

4 zeigt eine beispielhafte Ansteuerung der Schaltelemente HSS und LSS in vereinfachter Darstellung. Ein oder mehrere Sollwerte SW, beispielsweise Stromsollwerte Iq,soll und Id,soll in Feldkoordinaten, werden mit Istwerten IW verglichen und in Abhängigkeit der Abweichung in einem Regler 2 ein geforderter Tastgrad dcCTRL des Reglers 2 bestimmt. Aus dem geforderten Tastgrad dcCTRL erzeugt der Brückentreiber (PWM-Treiber) 3 passende pulsweitenmodulierte Signale zur Ansteuerung der Steuereingänge der Schaltelemente HSS und LSS (in 4 sind nur die Steuersignale GHSS und GLSS für eine Halbbrücke 1 dargestellt). 4 shows an exemplary control of the switching elements HSS and LSS in a simplified representation. One or more setpoints SW, for example current setpoint values I q, soll and I d, should be in field coordinates, are compared with actual values IW and dependent on the deviation in a controller 2 a required duty factor dc CTRL of the controller 2 certainly. From the required duty cycle dc CTRL generates the bridge driver (PWM driver) 3 suitable pulse width modulated signals for controlling the control inputs of the switching elements HSS and LSS (in 4 are only the control signals G HSS and G LSS for a half-bridge 1 shown).

Es muss unterschieden werden zwischen dem geforderten Tastgrad dcCTRL, der vom Stromregler 2 gefordert wird, und dem Tastgrad dcPWM, den der Brückentreiber 3 dann tatsächlich zur Steuerung des High-Side-Schaltelements HSS einstellt. Ursächlich ist hierfür eine Schutzzeit, in der weder das High-Side-Schaltelement HSS noch das Low-Side-Schaltelement LSS leiten. Diese wird vom Brückentreiber 3 zusätzlich berücksichtigt, so dass der tatsächlich vom Brückentreiber 3 eingestellte Tastgrad dcPWM vom seitens des Reglers 2 geforderten Tastgrad dcCTRL abweicht.It must be distinguished between the required duty cycle dc CTRL , that of the current controller 2 is requested, and the duty cycle dc PWM , the bridge driver 3 then actually sets to control the high-side switching element HSS. The reason for this is a guard time in which neither the high-side switching element HSS nor the low-side switching element LSS conduct. This is the bridge driver 3 additionally considered, so that the actual from the bridge driver 3 Set duty cycle dc PWM from the part of the controller 2 required duty cycle dc CTRL deviates.

Unter einem Tastgrad dc wird das Verhältnis der Zeitdauer, in der das Gate-Potential GHSS ein hohes Potential hat (High-Zustand) und das High-Side-Schaltelement HSS leitet, zu der PWM-Periodendauer TPWM des ansteuernden PWM-Signals verstanden. Der Tastgrad bewegt sich zwischen 0 und 1. Im Fall des vom Regler 2 geforderten Tastgrads dcCTRL handelt es sich um eine gewünschte Zeitdauer tON,HSS*, in das High-Side-Schaltelement HSS leiten soll, d. h.Under a duty cycle dc, the ratio of the time duration in which the gate potential G HSS has a high potential (high state) and the high-side switching element HSS conducts, to the PWM period T PWM understood the driving PWM signal , The duty cycles between 0 and 1. In the case of the controller 2 required duty cycle dc CTRL is a desired time t ON, HSS *, in the high-side switching element HSS should conduct, ie

Figure 00040001
Figure 00040001

Im Fall des tatsächlich eingestellten Tastgrads dcPWM handelt es sich um die Zeitdauer tON,HSS, in der Steuereingang GHSS tatsächlich auf einem hohem Potential liegt und das High-Side-Schaltelement HSS leitet, d. h.In the case of the actually set duty cycle dc PWM is the time t ON, HSS , in the control input G HSS is actually at a high potential and the high-side switching element HSS conducts, ie

Figure 00050001
Figure 00050001

Hierbei ist im Fall des tatsächlich eingestellten Tastgrads dcPWM die Veränderung der Zeitdauer tON,HSS gegenüber der Zeitdauer tON,HSS* durch die Schutzzeit berücksichtigt.In this case, in the case of the actually set duty cycle dc PWM, the change in the time duration t ON, HSS in relation to the time duration t ON, HSS * is taken into account by the guard time.

Wie bereits vorstehend erwähnt, wird als Schutzzeit eine Zeitdauer definiert, während der sowohl das High-Side-Schaltelement HSS als auch das Low-Side-Schaltelement LSS nicht leiten.As already mentioned above, a time period during which both the high-side switching element HSS and the low-side switching element LSS do not conduct is defined as the guard time.

Bei einem konventionellen Brückentreiber 3 wird beispielsweise jeweils die Hälfte der Schutzzeit unabhängig von der Stromrichtung dem Ansteuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS und dem Ansteuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS zugeordnet. Das hat zur Folge, dass die tatsächliche Zeitdauer tON,HSS, in der das High-Side-Schaltelement HSS leitet, gegenüber der dem geforderten Tastgrad dcCTRL entsprechenden Zeitdauer tON,HSS* systematisch um eine Schutzzeit tschutz verkürzt wird und die tatsächliche Zeitdauer tOFF,LSS, in der das Low-Side-Schaltelement LSS sperrt, gegenüber der geforderten Zeitdauer tOFF,LSS systematisch um eine Schutzzeit tSchutz verlängert wird. Das heißt, dass die Pulsdauern beider Pulse um eine Schutzzeit tSchutz verfälscht werden. Dies ist in 5 dargestellt.In a conventional bridge driver 3 For example, each half of the guard time is assigned to the drive signal G HSS of the high-side switching element HSS and the drive signal G LSS of the low-side switching element LSS independently of the current direction. This has the consequence that the actual time duration t ON, HSS , in which the high-side switching element conducts HSS, compared to the required duty cycle dc CTRL corresponding time duration t ON, HSS * systematically shortened by a protection time t protection and the actual Duration t OFF, LSS , in which the low-side switching element LSS blocks, compared to the required time period t OFF, LSS systematically extended by a protection time t protection is extended. This means that the pulse durations of both pulses are falsified by a guard time t protection . This is in 5 shown.

In dem obersten Diagramm in 5 ist der dem geforderten Tastgrad dcCTRL entsprechende Steuersignalverlauf GHSS* des High-Side-Schaltelements HSS dargestellt. Die Pulsdauer des High-Zustands ist hier minimal und beträgt tONmin,HSS*. Im darunter liegenden Diagramm ist der dem geforderten Tastgrad dcCTRL entsprechende Steuersignalverlauf GLSS* des Low-Side-Schaltelements LSS dargestellt. Diese beiden Verläufe entsprechenden jedoch nicht den seitens des Brückentreibers 3 ausgegebenen Steuersignalverläufen, da im Brückentreiber 3 zusätzlich Schutzzeiten berücksichtigt werden. Im darunter liegenden Diagramm ist der tatsächliche Verlauf des Steuersignals GHSS des High-Side-Schaltelements HSS dargestellt. Im Vergleich mit dem obersten Diagramm ergibt sich, dass angesichts der Zuordnung der halben Schutzzeit die Zeitdauer des High-Zustands des Steuersignals GHSS gegenüber der dem geforderten Tastgrad dcCTRL entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands um zweimal die Hälfte der Schutzzeit (d. h. 2·tSchutz/2) verkürzt ist. Im darunter liegenden Diagramm ist der tatsächliche Verlauf des Steuersignals GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS dargestellt. Im Vergleich mit dem zweiten Diagramm ergibt sich, dass angesichts der Zuordnung der halben Schutzzeit die Zeitdauer des Low-Zustands des Steuersignals GLSS gegenüber der dem geforderten Tastgrad dsCTRL entsprechenden Zeitdauer des Low-Zustands um zweimal die Hälfte der Schutzzeit tSchutz (d. h. 2·tSchutz/2) verlängert ist. Aufgrund der Zuordnung der halben Schutzzeit ist andererseits die Zeitdauer des High-Zustands des Steuersignals GLSS gegenüber der dem geforderten Tastgrad dcCTRL entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands um zweimal die Hälfte der Schutzzeit tSchutz (d. h. 2·tSchutz/2) verkürzt.In the top diagram in 5 the control signal curve G HSS * of the high-side switching element HSS corresponding to the required duty cycle dc CTRL is shown. The pulse duration of the high state is minimal here and is t ONmin, HSS *. The diagram below shows the control signal curve G LSS * of the low-side switching element LSS corresponding to the required duty cycle dc CTRL . However, these two courses did not correspond to those on the part of the bridge driver 3 output control signal waveforms, as in the bridge driver 3 additional protection times are taken into account. The diagram below shows the actual profile of the control signal G HSS of the high-side switching element HSS. In comparison with the top diagram, it follows that, in view of the assignment of the half guard time, the duration of the high state of the control signal G HSS is twice the guard time (ie, 2 * t) compared with the high state time corresponding to the required duty cycle dc CTRL Protection / 2) is shortened. The diagram below shows the actual profile of the control signal G LSS of the low-side switching element LSS. In comparison with the second diagram, it follows that, in view of the assignment of the half protection time, the duration of the low state of the control signal G LSS with respect to the time duration of the low state corresponding to the required duty cycle ds CTRL by twice half the protection time t protection (ie · T protection / 2) is extended. On the other hand, due to the assignment of the half guard time, the time duration of the high state of the control signal G LSS is shortened by twice half the guard time t protection (ie, 2 * t protection / 2) from the high state time corresponding to the required duty cycle dc CTRL .

In 5 sind die Verhältnisse bei Betrachtung des minimalen Tastgrades dargestellt, wobei die Pulsbreite des tatsächlichen Steuersignals GHSS der minimalen Pulszeit tPmin entspricht. Bei der Betrachtung des minimalen Tastgrads muss unterschieden werden zwischen dem vom Regler 2 gewünschten minimalen Tastgrad dcmin,CTRL, dem vom Brückentreiber 3 dann gestellten Tastgrad dcmin,PWM und der dann an der elektrischen Maschine ankommenden Spannung UEM, die von der Stromrichtung des Ausgangsstromes IPH abhängt.In 5 the ratios are shown when considering the minimum duty cycle, wherein the pulse width of the actual control signal G HSS corresponds to the minimum pulse time t Pmin . When considering the minimum duty cycle, a distinction must be made between that of the controller 2 desired minimum duty cycle dc min, CTRL , that of the bridge driver 3 then set duty cycle dc min, PWM and then arriving at the electric machine voltage U EM , which depends on the current direction of the output current I PH .

Der vom Regler 2 gewünschte minimale Tastgrad dcmin,CTRL ist der Tastgrad, den der Regler 2 vorgeben kann, ohne dass der Umrichter – also die Hardware – eine Verletzung einer minimalen Pulszeit tPmin oder der Schutzzeit tSchutz verursacht. Eine minimale Pulszeit tPmin zwischen einer steigenden Steuersignalflanke und einer fallenden Steuersignalflanke oder zwischen einer fallenden Steuersignalflanke und einer steigenden Steuersignalflanke soll eingehalten werden, um die Erwärmung der Schaltelemente aufgrund der Verlustleistungsaufnahme bei Flankenwechsel gering zu halten. Es kann auch vorgesehen werden, für einen Ein-Impuls eine andere minimale Pulsdauer als für einen Aus-Impuls vorzusehen.The one from the regulator 2 desired minimum duty cycle dc min, CTRL is the duty cycle that the controller 2 can pretend, without causing the inverter - ie the hardware - a violation of a minimum pulse time t Pmin or the protection time t protection . A minimum pulse time t Pmin between a rising control signal edge and a falling control signal edge or between a falling control signal edge and a rising control signal edge is to be maintained in order to keep the heating of the switching elements low due to the power loss at flank change. It may also be provided to provide a different pulse duration for an on-pulse than for an off-pulse.

Im Fall des minimalen Tastgrades ist demnach die tatsächliche Ist-Schalterstellung des High-Side-Schaltelements HSS maßgeblich; das ist jene Schalterstellung, die der Brückentreiber 3 stellt. Der minimale Tastgrad dcmin,PWM, den der Brückentreiber 3 ohne Verletzung der minimalen Pulszeit tPmin noch stellen kann, ergibt sich demnach zu:

Figure 00070001
In the case of the minimum duty cycle, therefore, the actual actual switch position of the high-side switching element HSS is decisive; this is the switch position that the bridge driver 3 provides. The minimum duty cycle dc min, PWM , the bridge driver 3 without violating the minimum pulse time t Pmin , the result is:
Figure 00070001

Der minimale Tastgrad dcmin,CTRL, den der Stromregler 2 aufgrund der Zuordnung der Schutzzeit noch fordern kann, ist dann um eine Schutzzeit, dividiert durch die Schaltperiode TPWM, größer:

Figure 00070002
The minimum duty cycle dc min, CTRL , the current regulator 2 due to the assignment of the guard time can still demand, then by a guard time divided by the switching period T PWM , greater:
Figure 00070002

Die Phasenspannung UEM, die sich bei diesen Verhältnissen an der Klemme der elektrischen Maschine einstellt, ist von der Stromrichtung des Ausgangsstrom IPH der Halbbrücke 1 abhängig. Im vorletzten Diagramm in 5 ist der zeitliche Verlauf der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM für den Fall IPH > 0 dargestellt. Der Strom IPH fließt durch das High-Side-Schaltelement HSS oder durch die untere Diode LSD, das Potential UEM während der Schutzzeit ist –Uzk/2. Bei Einschalten des High-Side-Schaltelements HSS wechselt das Potential UEM auf UZK/2 und bleibt während der Zeitdauer tPmin in diesem Zustand, bevor das Potential UEM bei Ausschalten des High-Side-Schaltelements HSS wieder auf –UZK/2 wechselt. Bei minimalem Tastgrad und positiver Stromrichtung beträgt die gemittelte Spannung UEM an der Klemme der elektrischen Maschine bezogen auf die Zwischenkreisspannung UZK zwischen dem High-Side-Potential UZK/2 und dem Low-Side-Potential –UZK/2:

Figure 00080001
The phase voltage U EM , which adjusts itself at these conditions at the terminal of the electrical machine, is of the current direction of the output current I PH of the half-bridge 1 dependent. In the penultimate diagram in 5 is the time course of the pulse width modulated phase voltage U EM for the case I PH > 0 shown. The current I PH flows through the high-side switching element HSS or through the lower diode LSD, the potential U EM during the guard time is -U zk / 2. When you turn on the high-side switching element HSS the potential U EM changes to U ZK / 2 and remains during the time period t Pmin in this state before the potential U EM effective only when the high-side switching element HSS again -U ZK / 2 changes. With a minimum duty cycle and a positive current direction, the averaged voltage U EM at the terminal of the electrical machine with respect to the intermediate circuit voltage U ZK is between the high-side potential U ZK / 2 and the low-side potential -U ZK / 2:
Figure 00080001

Im untersten Diagramm von 5 ist der zeitliche Verlauf der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM für den Fall IPH < 0 dargestellt. Im Fall IPH < 0 fließt der Strom durch das Low-Side-Schaltelement LSS oder durch die obere Diode HSD; das Potential UEM während der Schutzzeit ist +Uzk/2.In the bottom diagram of 5 is the time course of the pulse width modulated phase voltage U EM for the case I PH <0 shown. In the case of I PH <0, the current flows through the low-side switching element LSS or through the upper diode HSD; the potential U EM during the guard time is + Uzk / 2.

Bei minimalem Tastgrad und negativer Stromrichtung beträgt die gemittelte Spannung UEM,m an der Klemme der elektrischen Maschine bezogen auf die Zwischenkreisspannung UZK zwischen dem High-Side-Potential UZK/2 und dem Low-Side-Potential –UZK/2:

Figure 00080002
With a minimum duty cycle and negative current direction, the averaged voltage U EM, m at the terminal of the electrical machine with respect to the intermediate circuit voltage U ZK between the high-side potential U ZK / 2 and the low-side potential -U ZK / 2:
Figure 00080002

In 6 sind die Signale aus 5 für den Fall des maximalen Tastgrads dargestellt, wobei hierbei die Pulsdauer des tatsächlich vom Brückentreiber 3 gestellten Steuersignals GLSS der minimalen Pulsbreite tPmin entspricht. Die ersten zwei Diagramme zeigen wieder die Steuersignale GHSS und GLSS, die dem vom Regler 2 vorgegebenen Tastgrad entsprechen. Die unteren beiden Diagramme zeigen die tatsächlich vom Brückentreiber 3 generierten Steuersignale GHSS und GLSS. In 6 are the signals off 5 shown in the case of the maximum duty cycle, in which case the pulse duration of the actual bridge driver 3 set control signal G LSS of the minimum pulse width t Pmin corresponds. The first two diagrams again show the control signals G HSS and G LSS , that of the controller 2 correspond to specified duty cycle. The bottom two diagrams actually show the bridge driver 3 generated control signals G HSS and G LSS .

Bei der Betrachtung des maximalen Tastgrads wird ebenfalls wieder unterschieden zwischen dem vom Regler 2 gewünschten maximalen Tastgrad, den vom Brückentreiber 3 dann gestellten Tastgrad und der dann an der elektrischen Maschine ankommenden Spannung, die von der Stromrichtung abhängt.When considering the maximum duty cycle, a distinction is again made between that of the controller 2 desired maximum duty cycle, that of the bridge driver 3 then set duty cycle and then arriving at the electric machine voltage, which depends on the current direction.

Der vom Regler 2 gewünschte maximale Tastgrad ist der Tastgrad, den der Regler 2 vorgeben kann, ohne dass der Umrichter – also die Hardware – eine Verletzung der minimalen Pulszeit tPmin oder der Schutzzeit verursacht. Im Fall des maximalen Tastgrads ist demnach die Ist-Schalterstellung des Low-Side-Schaltelements LSS maßgeblich; das ist jene Schalterstellung, die der Brückentreiber 3 stellt.The one from the regulator 2 desired maximum duty cycle is the duty cycle that the controller 2 can pretend, without causing the inverter - ie the hardware - a violation of the minimum pulse time t Pmin or the guard time. In the case of the maximum duty cycle, therefore, the actual switch position of the low-side switching element LSS is decisive; this is the switch position that the bridge driver 3 provides.

Der maximale Tastgrad dcmax,PWM, den der Brückentreiber 3 noch stellen kann, ohne dass die minimale Pulsbreite tPmin für die Ist-Schalterstellung des Low-Side-Schaltelements LSS verletzt wird, ergibt sich zu:

Figure 00090001
The maximum duty cycle dc max, PWM , the bridge driver 3 can still set, without the minimum pulse width t Pmin is violated for the actual switch position of the low-side switching element LSS, results in:
Figure 00090001

Der maximale Tastgrad dcmax,CTRL, den der Stromregler 2 noch fordern kann, ist um eine Schutzzeit größer als dcmax,PWM:

Figure 00100001
The maximum duty cycle dc max, CTRL , the current controller 2 is still a protection time greater than dc max, PWM :
Figure 00100001

Die Spannung, die sich bei diesen Verhältnissen an der Klemme der elektrischen Maschine einstellt, ist von der Stromrichtung abhängig.The voltage that occurs at these conditions at the terminal of the electrical machine depends on the current direction.

Im vorletzten Diagramm in 6 ist der zeitliche Verlauf der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM für den Fall IPH > 0 dargestellt. Der Strom IPH fließt durch das High-Side-Schaltelement HSS oder durch die untere Diode LSD, das Potential UEM während der Schutzzeit ist –Uzk/2. Beim Ausschalten des High-Side-Schaltelements HSS wechselt das Potential UEM auf –UZK/2 und bleibt während der Zeitdauer tPmin plus 2·tSchutz auf diesem Potential, bevor das Potential UEM bei Einschalten des High-Side-Schaltelements HSS wieder auf +UZK/2 wechselt. Bei maximalem Tastgrad und positiver Stromrichtung beträgt die gemittelte Spannung UEM an der Klemme der elektrischen Maschine bezogen auf die Zwischenkreisspannung UZK zwischen dem High-Side-Potential UZK/2 und dem Low-Side-Potential –UZK/2:

Figure 00100002
In the penultimate diagram in 6 is the time course of the pulse width modulated phase voltage U EM for the case I PH > 0 shown. The current I PH flows through the high-side switching element HSS or through the lower diode LSD, the potential U EM during the guard time is -U zk / 2. When the high-side switching element HSS is switched off, the potential U EM changes to -U ZK / 2 and remains at this potential during the period t Pmin plus 2 t protection before the potential U EM when the high-side switching element HSS is switched on back to + U ZK / 2 changes. At maximum duty cycle and positive current direction, the average voltage U EM at the terminal of the electrical machine with respect to the intermediate circuit voltage U ZK between the high-side potential U ZK / 2 and the low-side potential -U ZK / 2 is:
Figure 00100002

Im untersten Diagramm von 6 ist der zeitliche Verlauf der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM für den Fall IPH < 0 dargestellt. Im Fall IPH < 0 fließt der Strom durch das Low-Side-Schaltelement LSS oder durch die obere Diode HSD; das Potential UEM während der Schutzzeit ist +Uzk/2. Bei maximalem Tastgrad und negativer Stromrichtung beträgt die gemittelte Spannung UEM an der Klemme der elektrischen Maschine bezogen auf die Zwischenkreisspannung UZK zwischen dem High-Side-Potential UZK/2 und dem Low-Side-Potential –UZK/2:

Figure 00110001
In the bottom diagram of 6 is the time course of the pulse width modulated phase voltage U EM for the case I PH <0 shown. In the case of I PH <0, the current flows through the low-side switching element LSS or through the upper diode HSD; the potential U EM during the guard time is + U zk / 2. At maximum duty cycle and negative current direction, the average voltage U EM at the terminal of the electrical machine with respect to the intermediate circuit voltage U ZK between the high-side potential U ZK / 2 and the low-side potential -U ZK / 2 is:
Figure 00110001

In der nachfolgenden Tabelle sind die vorstehenden Ergebnisse zusammengefasst.The following table summarizes the above results.

Figure 00110002
Figure 00110002

Zur Berechnung des linear nutzbaren relativen Spannungsbereichs ΔULINEAR,Relativ wird die Differenz zwischen dem kleinsten relativen Spannungswert

Figure 00110003
der beiden relativen Spannungswerte
Figure 00110004
bei maximalem Tastgrad dcmax und dem größten relativen Spannungswert
Figure 00120001
der beiden relativen Spannungswerte
Figure 00120002
bei minimalem Tastgrad dcmin gebildet:
Figure 00120003
For calculating the linear usable relative voltage range ΔU LINEAR, Relative becomes the difference between the smallest relative voltage value
Figure 00110003
the two relative voltage values
Figure 00110004
at maximum duty cycle dc max and the largest relative voltage value
Figure 00120001
the two relative voltage values
Figure 00120002
formed at minimum duty cycle dc min :
Figure 00120003

Hieran wird deutlich, dass der lineare Aussteuerbereich ΔULINEAR,Relativ kleiner als 1 ist und je geringer ist, je größer die Schutzzeit tSchutz ist. Wenn beispielsweise die Schutzzeit tSchutz 1/10 der PWM-Periode TPWM beträgt, so wird der lineare Aussteuerbereich allein über die Schutzzeit um 40% reduziert.From this it becomes clear that the linear modulation range ΔU LINEAR is relatively smaller than 1 and the smaller the larger the guard time t protection is. For example, if the guard time t protection is 1/10 of the PWM period T PWM , the linear drive range alone is reduced by 40% over the guard time.

Durch den eingeschränkten linearen Aussteuerbereich ΔULINEAR,Relativ des Umrichters kann die Bauleistung einer über den Umrichter angesteuerten elektrischen Maschine nicht vollständig oder nur mit verschlechtertem Wirkungsgrad genutzt werden. Wenn beispielsweise 100% der Zwischenkreisspannung als relative Ausgangsspannung zur Verfügung stehen, kann bei dem bauartbedingt begrenzten Phasenstrom eine definierte Ausgangsleistung zur Verfügung gestellt werden. Wenn sich die relative Ausgangsspannung um den oben beschriebenen Prozentsatz reduziert, reduziert sich die Ausgangsleistung in gleichem Maße.Due to the limited linear control range ΔU LINEAR, relative to the inverter, the construction output of an electrical machine controlled by the inverter can not be used completely or only with reduced efficiency. If, for example, 100% of the DC link voltage is available as a relative output voltage, a defined output power can be made available in the case of the design-limited phase current. When the relative output voltage decreases by the percentage described above, the output power is reduced to the same extent.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltelemente einer Halbbrücke in einem Umrichter anzugeben, welches bzw. welche eine Erhöhung des linearen Aussteuerbereichs erlaubt.It is an object of the invention to provide a method and a corresponding control device for controlling the switching elements of a half-bridge in a converter, which or which allows an increase of the linear modulation range.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are described in the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines High-Side-Schaltelements und eines Low-Side-Schaltelements mindestens einer im Wesentlichen im Gegentakt angesteuerten Halbbrücke in einem Umrichter, insbesondere in einem Wechselrichter zur Stromversorgung eines ein Fahrzeug antreibenden Elektromotors.A first aspect of the invention relates to a method for controlling a high-side switching element and a low-side switching element of at least one half-bridge in differential mode in a converter, in particular in an inverter for powering an electric motor driving a vehicle.

Bei einem konventionellen Brückentreiber wird beispielsweise jeweils die Hälfte der Schutzzeit unabhängig von der Stromrichtung dem Ansteuersignal des High-Side-Schaltelements und dem Ansteuersignal des Low-Side-Schaltelements zugeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt im Unterschied zum vorstehend beschriebenen konventionellen Verfahren die Zuordnung der Schutzzeit auf die Ansteuersignale der beiden Schaltelemente in Abhängigkeit der Stromrichtung.In a conventional bridge driver, for example, each half of the guard time is assigned to the drive signal of the high-side switching element and the drive signal of the low-side switching element, regardless of the current direction. In the method according to the invention, in contrast to the conventional method described above, the assignment of the guard time to the control signals of the two switching elements as a function of the current direction.

Hierzu wird eine Stromrichtungsangabe für die Richtung des Halbbrücken-Ausgangsstromes der mindestens einen Halbbrücke bestimmt. Die Stromrichtungsangabe kann beispielsweise einem Stromwert des Ausgangsstroms der Halbbrücke entsprechen, der je nach Stromrichtung entweder positiv oder negativ ist. Die Stromrichtungsangabe kann beispielsweise alternativ einem Wahrscheinlichkeitswert für einen positiven (oder alternativ negativen) Ausgangsstrom der Halbbrücke entsprechen. Die Stromrichtungsangabe kann eine Angabe über eine aktuelle Richtung des Ausgangsstroms oder alternativ einen Angabe über eine prognostizierte zukünftige Richtung des Ausgangsstromes sein.For this purpose, a current direction specification for the direction of the half-bridge output current of the at least one half-bridge is determined. The current direction indication may, for example, correspond to a current value of the output current of the half-bridge, which is either positive or negative depending on the current direction. For example, the current direction indication may alternatively correspond to a probability value for a positive (or alternatively negative) output current of the half-bridge. The current direction indication may be an indication of a current direction of the output current or, alternatively, an indication of a predicted future direction of the output current.

Bei dem Verfahren werden ein pulsweitenmoduliertes erstes Steuersignal zum Steuern des High-Side-Schaltelements und ein pulsweitenmoduliertes zweites Steuersignals zum Steuern des Low-Side-Schaltelements in Abhängigkeit einer Tastgrad-Vorgabe und der Stromrichtungsangabe erzeugt. Bei der Tastgrad-Vorgabe handelt es sich beispielsweise um das Signal dcCTRL in 4. Die Tastgrad-Vorgabe muss nicht direkt ein Tastgrad sein, sondern kann auch beispielsweise die absolute Zeitdauer tON,HSS* oder eine andere Größe sein, die den Tastgrad vorgibt.In the method, a pulse-width modulated first control signal for controlling the high-side switching element and a pulse-width modulated second control signal for controlling the low-side switching element in response to a duty cycle specification and the current direction indication are generated. The duty cycle specification is, for example, the signal dc CTRL in 4 , The duty cycle specification need not be directly a duty cycle, but may also be, for example, the absolute time duration t ON, HSS *, or another quantity that dictates the duty cycle.

Bei dem Verfahren wird angenommen, dass im Wesentlichen jedes Schaltelement in einem High-Zustand des jeweiligen Steuersignals leitet und in einem Low-Zustand des jeweiligen Steuersignals nicht leitet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Schaltelementen um IGBTs, insbesondere selbstsperrende n-Kanal-IGBTs. Es können aber auch andere Transistortypen verwendet werden, beispielsweise MOS-FETs.In the method, it is assumed that substantially each switching element conducts in a high state of the respective control signal and does not conduct in a low state of the respective control signal. The switching elements are preferably IGBTs, in particular self-blocking n-channel IGBTs. However, other types of transistors can also be used, for example MOS-FETs.

Im Unterschied zu der beschriebenen stromrichtungsunabhängigen Zuordnung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Schutzzeit, während der sowohl das erste Steuersignal als auch das zweite Steuersignal im Low-Zustand sind, in Abhängigkeit der Stromrichtungsangabe dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters oder dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters vollständig zugeordnet. In contrast to the current direction-independent assignment described in the inventive method in a first variant of the method according to the invention, a guard time during which both the first control signal and the second control signal in the low state, depending on the current direction specification of the first control signal of the high side Completely assigned to the second control signal of the low-side switch.

Bei einer hierzu alternativen zweiten Variante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein von der Stromrichtungsangabe abhängiger erster Bruchteil der Schutzzeit dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters und der verbleibende zweite Bruchteil der Schutzzeit dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters zugeordnet wird.In an alternative second variant of the method, it can be provided that a first fraction of the guard time dependent on the current direction specification is assigned to the first control signal of the high-side switch and the remaining second fraction of the guard time to the second control signal of the low-side switch.

Die Zuordnung der Schutzzeit bzw. des Bruchteils der Schutzzeit zum jeweiligen Steuersignals bedeutet, dass die Zeitdauer des High-Zustands des jeweiligen Steuersignals gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands um das Doppelte der zugeordneten Schutzzeit bzw. des zugeordneten Bruchteils der Schutzzeit verkürzt ist. Die Zeitdauer wird vorzugsweise aber nur soweit reduziert, wie dies die minimale Pulsdauer tPmin zulässt. Falls die resultierende Zeitdauer die minimale Pulsdauer tPmin unterschreiten würde, wird vorzugsweise kein Impuls ausgelöst.The assignment of the guard time or the fraction of the guard time to the respective control signal means that the duration of the high state of the respective control signal compared to the duration of the high state corresponding to the duty cycle specification by twice the associated guard time or the associated fraction of the guard time is shortened. However, the time duration is preferably only reduced to the extent that the minimum pulse duration t Pmin permits. If the resulting time duration would fall below the minimum pulse duration t Pmin , preferably no pulse is triggered.

Bei der ersten Variante des Verfahren, bei der entweder dem ersten oder dem zweiten Steuersignal die Schutzzeit vollständig zugeordnet ist, ist also in Abhängigkeit der Stromrichtungsangabe entweder die Zeitdauer des High-Zustands des ersten Steuersignals oder die Zeitdauer des High-Zustands des zweiten Steuersignals gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands im Wesentlichen um das Doppelte einer Schutzzeit verkürzt.In the first variant of the method, in which either the first or the second control signal, the guard time is completely assigned, so depending on the current direction specification either the duration of the high state of the first control signal or the duration of the high state of the second control signal over the the duty cycle specification corresponding time duration of the high state substantially shortened by twice a guard time.

Bei der zweiten Variante des Verfahren, bei der den Steuersignalen zwei von der Stromrichtungsangabe abhängige Bruchteile der Schutzzeit zugeordnet werden, ist also die Zeitdauer des High-Zustands des ersten Steuersignals gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands um das Doppelte eines von der Stromrichtungsangabe abhängigen Bruchteils einer Schutzzeit verkürzt, während die Zeitdauer des High-Zustands des zweiten Steuersignals gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe entsprechenden Zeitdauer des High-Zustands um das Doppelte des verbleibenden zweiten Bruchteils der Schutzzeit verkürzt ist.In the second variant of the method, in which the control signals are assigned two fractions of the guard time dependent on the current direction specification, the duration of the high state of the first control signal is twice the one of the high state of the high state in accordance with the duty cycle specification shortening the current direction dependent fraction of a guard time, while the duration of the high state of the second control signal over the duration of the duty cycle corresponding to the duty cycle of the high state is shortened by twice the remaining second fraction of the guard time.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass das Low-Side-Schaltelement bei positiver Stromrichtung nicht stromführend ist (s. 2), während das High-Side-Schaltelement bei negativer Stromrichtung nicht stromführend ist (s. 3). Da bei positiver Stromrichtung der Strom nicht über das Low-Side-Schaltelement fließt, kann im Fall einer als positiv erkannten Stromrichtung die gesamte Schutzzeit oder zumindest der größere Teil der Schutzzeit dem Low-Side-Schaltelement zugerechnet werden. Das hat den Vorteil, dass das High-Side-Schaltelement unverfälscht oder zumindest mit geringerer Verfälschung gegenüber der Tastgrad-Vorgabe des Reglers geschaltet werden kann.The method according to the invention is based on the recognition that the low-side switching element is not current-carrying in the positive current direction (s. 2 ), while the high-side switching element in the negative current direction is not energized (s. 3 ). Since, in the case of a positive current direction, the current does not flow via the low-side switching element, in the case of a current direction identified as positive, the entire protection time or at least the greater part of the protection time can be attributed to the low-side switching element. This has the advantage that the high-side switching element can be switched unadulterated or at least with less distortion compared to the duty cycle specification of the controller.

Umgekehrt ist bei negativer Stromrichtung das High-Side-Schaltelement nicht stromführend. Die gesamte Schutzzeit oder zumindest der größere Teil der Schutzzeit kann demnach dem High-Side-Schaltelement zugeordnet werden.Conversely, in the negative current direction, the high-side switching element is not energized. The entire guard time or at least the greater part of the guard time can therefore be assigned to the high-side switching element.

Wie im Folgenden gezeigt werden wird, kann durch die stromrichtungsabhängige Zuordnung der Schutzzeit auf die beiden Steuersignale eine Vergrößerung des maximalen Tastgrads, eine Verringerung des minimalen Tastgrads und damit eine Vergrößerung des linearen Aussteuerbereiches des Umrichters erzielt werden. Dies führt zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Umrichters und einer durch den Umrichter angesteuerten elektrischen Maschine. Außerdem kann die maximale Ausgangsleistung eines elektrischen Antriebssystems gesteigert werden.As will be shown below, increasing the maximum duty cycle, decreasing the minimum duty cycle and thus increasing the linear drive range of the converter can be achieved by the current direction-dependent assignment of the guard time to the two control signals. This leads to the improvement of the efficiency of the converter and an electrical machine controlled by the converter. In addition, the maximum output power of an electric drive system can be increased.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom positiv ist, die Schutzzeit dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters vollständig zugeordnet. Für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom negativ ist, ist die Schutzzeit dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters vollständig zugeordnet.According to a preferred embodiment of the first variant of the method according to the invention, in the case where the half-bridge output current is positive, the guard time is completely assigned to the second control signal of the low-side switch. In the event that the half-bridge output current is negative, the guard time is fully associated with the first control signal of the high-side switch.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom positiv ist, der zweite Bruchteil, welcher dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters zugeordnet ist, größer als der erste Bruchteil, welcher dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters zugeordnet ist. Für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom negativ ist, ist der erste Bruchteil, welcher dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters zugeordnet ist, größer als der zweite Bruchteil, welcher dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters zugeordnet ist.According to a preferred embodiment of the second variant of the inventive method is for the case that the half-bridge output current is positive, the second fraction, which is associated with the second control signal of the low-side switch, greater than the first fraction, which the first control signal assigned to the high-side switch. In the event that the half-bridge output current negative is, the first fraction, which is assigned to the first control signal of the high-side switch, greater than the second fraction, which is associated with the second control signal of the low-side switch.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Stromrichtungsangabe um einen Wahrscheinlichkeitswert für einen positiven (oder negativen Ausgangsstrom), der beispielsweise in Abhängigkeit eines wahrscheinlichen Stromwerts bestimmt wird, oder um den wahrscheinlichen Stromwert selbst.The current direction indication is preferably a probability value for a positive (or negative output current), which is determined, for example, as a function of a probable current value, or the probable current value itself.

Bei Verwendung eines Wahrscheinlichkeitswerts liegt dieser beispielsweise im Wertebereich zwischen 0 und 1. Der Wahrscheinlichkeitswert gibt beispielsweise die Wahrscheinlichkeit an, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom positiv ist. In diesem Fall entspricht beispielsweise der erste Bruchteil (bezogen auf die Schutzzeit) Eins vermindert um den Wahrscheinlichkeitswert, wobei dann der zweite Bruchteil (bezogen auf die Schutzzeit) dem Wahrscheinlichkeitswert selbst entspricht. Für den Fall, dass der Wahrscheinlichkeitswert die Wahrscheinlichkeit angibt, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom negativ ist, entspricht beispielsweise der zweite Bruchteil (bezogen auf die Schutzzeit) Eins vermindert um den Wahrscheinlichkeitswert, während der erste Bruchteil (bezogen auf die Schutzzeit) dem Wahrscheinlichkeitswert selbst entspricht.For example, when using a probability value, it is in the value range between 0 and 1. The probability value indicates, for example, the probability that the half-bridge output current is positive. In this case, for example, the first fraction (related to the guard time) corresponds to one less by the probability value, and then the second fraction (in terms of the guard time) corresponds to the probability value itself. For example, in the case that the probability value indicates the probability that the half-bridge output current is negative, the second fraction (related to the guard time) corresponds to one less by the probability value, while the first fraction (based on the guard time) corresponds to the probability value itself ,

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf eine Ansteuereinrichtung zur Ansteuerung der Schaltelemente mindestens einer Halbbrücke gerichtet. Die Ansteuereinrichtung ist eingerichtet, eine Stromrichtungsangabe für die Richtung des Halbbrücken-Ausgangsstromes der mindestens einen Halbbrücke zu bestimmen. Ferner ist die Ansteuereinrichtung eingerichtet, ein pulsweitenmoduliertes erstes Steuersignal zum Steuern des High-Side-Schaltelements und ein pulsweitenmoduliertes zweites Steuersignal zum Steuern des Low-Side-Schaltelements in Abhängigkeit einer Tastgrad-Vorgabe und der Stromrichtungsangabe zu erzeugen.A second aspect of the invention is directed to a drive device for driving the switching elements of at least one half-bridge. The drive device is set up to determine a current direction specification for the direction of the half-bridge output current of the at least one half-bridge. Furthermore, the drive device is set up to generate a pulse-width-modulated first control signal for controlling the high-side switching element and a pulse-width-modulated second control signal for controlling the low-side switching element as a function of a duty cycle specification and the current direction specification.

Bei einer ersten Variante der Ansteuereinrichtung ist eine Schutzzeit dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters oder dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters in Abhängigkeit der Stromrichtungsangabe vollständig zugeordnet. Bei einer zweiten Variante ist ein von der Stromrichtungsangabe abhängiger erster Bruchteil der Schutzzeit dem ersten Steuersignal des High-Side-Schalters und der verbleibende zweite Bruchteil der Schutzzeit dem zweiten Steuersignal des Low-Side-Schalters zugeordnet.In a first variant of the drive device, a guard time is completely assigned to the first control signal of the high-side switch or the second control signal of the low-side switch as a function of the current direction indication. In a second variant, a first fraction of the guard time depending on the current direction is assigned to the first control signal of the high-side switch and the remaining second fraction of the guard time to the second control signal of the low-side switch.

Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung; vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The above statements on the method according to the invention according to the first aspect of the invention also apply correspondingly to the device according to the invention according to the second aspect of the invention; advantageous embodiments of the device according to the invention correspond to the described advantageous embodiments of the method according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:The invention will be described below with reference to the accompanying drawings with reference to several embodiments. In these show:

1 ein Ausführungsbeispiel für eine konventionelle Halbbrücke 1; 1 an embodiment of a conventional half-bridge 1 ;

2 den Ausgangsstrom IPH bei positiver Stromrichtung für zwei unterschiedliche Schaltzustände; 2 the output current I PH at positive current direction for two different switching states;

3 den Ausgangsstrom IPH bei negativer Stromrichtung für zwei unterschiedliche Schaltzustände; 3 the output current I PH in the negative current direction for two different switching states;

4 eine konventionelle Ansteuerung der Schaltelemente HSS und LSS in vereinfachter Darstellung; 4 a conventional control of the switching elements HSS and LSS in a simplified representation;

5 Signalverläufe bei minimalem Tastgrad und konventioneller Zuordnung der Schutzzeit; 5 Signal curves with minimum duty cycle and conventional assignment of guard time;

6 Signalverläufe bei maximalem Tastgrad und konventioneller Zuordnung der Schutzzeit; 6 Signal curves at maximum duty cycle and conventional assignment of guard time;

7 Signalverläufe bei maximalem Tastgrad, IPH > 0 und Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GLSS; 7 Signal curves at maximum duty cycle, I PH > 0 and assignment of the guard time t protection to the control signal G LSS ;

8 Signalverläufe bei maximalem Tastgrad, IPH < 0 und Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GHSS; 8th Signal curves at maximum duty cycle, I PH <0 and assignment of the guard time t protection to the control signal G HSS ;

9 Signalverläufe bei minimalem Tastgrad, IPH > 0 und Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GLSS; 9 Signal curves at minimum duty cycle, I PH > 0 and assignment of guard time t protection to the control signal G LSS ;

10 Signalverläufe bei minimalem Tastgrad, IPH < 0 und Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GHSS; 10 Signal curves at minimum duty cycle, I PH <0 and assignment of the guard time t protection to the control signal G HSS ;

11 Ein- und Ausgangssignale eines beispielhaften erfindungsgemäßen Brückentreibers 3'; und 11 Input and output signals of an exemplary bridge driver according to the invention 3 '; and

12 eine beispielhafte Implementierung der Bestimmung der Steuersignale GHSS,U und GLSS,U für die Schaltelemente HSS und LSS der Halbbrücke U. 12 an exemplary implementation of the determination of the control signals G HSS, U and G LSS, U for the switching elements HSS and LSS of the half bridge U.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit einer Stromrichtungsangabe eine Schutzzeit dem ersten Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS oder dem zweiten Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS vollständig zugeordnet.In the first embodiment, depending on a current direction specification, a guard time is completely allocated to the first control signal G HSS of the high-side switching element HSS or the second control signal G LSS of the low-side switching element LSS.

Hierbei wird ausgenutzt, dass das Low-Side-Schaltelement LSS bei positiver Stromrichtung des Stroms IPH nicht stromführend ist (s. 2) und das High-Side-Schaltelement HSS bei negativer Stromrichtung nicht stromführend ist (s. 3). Da bei positiver Stromrichtung der Strom IPH nicht über das Low-Side-Schaltelement LSS fließt, kann im Fall von IPH > 0 die gesamte Schutzzeit tSchutz dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS zugerechnet werden, ohne dass es zu einer Verfälschung der Phasenspannung UEM gegenüber der Vorgabe dcCTRL des Reglers 2 kommt. Umgekehrt ist bei negativer Stromrichtung das High-Side-Schaltelement HSS nicht stromführend, so dass für IPH < 0 die gesamte Schutzzeit dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS zugeordnet werden kann.In this case, use is made of the fact that the low-side switching element LSS is not live when the current direction of the current I PH is positive (see FIG. 2 ) and the high-side switching element HSS in the negative current direction is not energized (s. 3 ). Since the current I PH does not flow via the low-side switching element LSS in the case of a positive current direction, in the case of I PH > 0, the entire guard time t protection can be added to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS, without causing it a distortion of the phase voltage U EM compared to the specification dc CTRL of the controller 2 comes. Conversely, in the negative current direction, the high-side switching element HSS is not energized, so that for I PH <0, the entire protection time can be assigned to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS.

Im Folgenden werden vier verschiedene Fälle dargestellt. Hierbei ist der Strom IPH positiv oder negativ, wobei entweder der minimale oder der maximale Tastgrad gestellt werden: maximaler Tastgrad minimaler Tastgrad IPH > 0 FALL I HSS oder LSD stromführend, Schutzzeit wird dem Steuersignal GLSS des LSS zugeordnet FALL III HSS oder LSD stromführend, Schutzzeit wird dem Steuersignal GLSS des LSS zugeordnet IPH < 0 FALL II LSS oder HSD stromführend, Schutzzeit wird dem Steuersignal GHSS des HSS zugeordnet FALL IV LSS oder HSD stromführend, Schutzzeit wird dem Steuersignal GHSS des HSS zugeordnet Four different cases are presented below. Here, the current I PH is positive or negative, with either the minimum or the maximum duty cycle are set: maximum duty cycle minimum duty cycle I PH > 0 CASE I HSS or LSD energized, guard time is assigned to the control signal G LSS of the LSS CASE III HSS or LSD energized, guard time is assigned to the control signal G LSS of the LSS I PH <0 CASE II LSS or HSD energized, guard time is assigned to the control signal G HSS of the HSS CASE IV LSS or HSD energized, guard time is assigned to the HSS control signal G HSS

In 7 sind die entsprechenden Signalverläufe für Fall I dargestellt. Hierbei ist der Strom IPH > 0 und damit entweder das High-Side-Schaltelement HSS oder die untere Diode LSD leitend (s. 2). Die ersten beiden Diagramme zeigen pulsmodulierte Steuersignale GHSS* und GLSS* des High-Side-Schaltelements HSS bzw. des Low-Side-Schaltelements LSS, die sich bei der Umsetzung der Reglervorgabe dcCTRL ohne Berücksichtigung einer Schutzzeit theoretisch ergeben würden. Das dritte und vierte Diagramm zeigen die tatsächlich erzeugten Steuersignale GHSS und GLSS des High-Side-Schaltelements HSS bzw. des Low-Side-Schaltelements LSS.In 7 the corresponding signal curves for case I are shown. Here, the current I PH > 0 and thus either the high-side switching element HSS or the lower diode LSD conductive (s. 2 ). The first two diagrams show pulse-modulated control signals G HSS * and G LSS * of the high-side switching element HSS and the low-side switching element LSS, which would theoretically result in the implementation of the controller default dc CTRL without consideration of a guard time. The third and fourth diagrams show the actually generated control signals G HSS and G LSS of the high-side switching element HSS and the low-side switching element LSS.

Bei maximalem Tastgrad dcCTRL = dcCTRL,max ist die Ein-Zeitdauer tON,HSS* des dcctrl,max entsprechenden Steuersignals GHSS* maximal und die Ein-Zeitdauer tON,LSS* des dcctrl,max entsprechenden Steuersignals GLSS* minimal (s. erstes und zweites Diagramm). Die Ein-Zeitdauer tON,LSS* des Steuersignals GLSS* entspricht der minimalen Pulsbreite tPmin und die Ein-Zeitdauer tON,HSS* des Steuersignals GHSS* entspricht TPWM – TPmin. Die Ein-Zeitdauer tON,HSS* des Steuersignals GHSS* darf nicht weiter erhöht werden, da sonst die Zeitdauer tOFF,HSS* des Aus-Pulses die minimale Pulsdauer tPmin unterschreiten würde. Die Stromrichtung wird gemäß dem Verfahren detektiert und bei positiver Stromrichtung die Schutzzeit dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS vollständig zugeordnet. Dementsprechend ist die Ein-Zeitdauer tON,LSS (s. viertes Diagramm) des Steuersignals GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe dcCTRL entsprechenden Ein-Zeitdauer tON,LSS* (s. zweites Diagramm) um das Doppelte der zugeordneten Schutzzeit tSchutz verkürzt (umgekehrt ist die Off-Zeitdauer des Steuersignals GLSS gegenüber der Vorgabe um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verlängert).At maximum duty cycle dc CTRL = dc CTRL, max the on-time t ON, HSS * of the dc ctrl, max corresponding control signal G HSS * maximum and the on-time t ON, LSS * of the dc ctrl, max corresponding control signal G LSS * minimal (see first and second diagram). The on-time t ON, LSS * of the control signal G LSS * corresponds to the minimum pulse width t Pmin and the on-time t ON, HSS * of the control signal G HSS * corresponds to T PWM - T Pmin . The on-time duration t ON, HSS * of the control signal G HSS * must not be increased further, since otherwise the time duration t OFF, HSS * of the OFF pulse would fall below the minimum pulse duration t Pmin . The current direction is detected in accordance with the method and, in the case of a positive current direction, the guard time is completely allocated to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS. Accordingly, the on-time duration t ON, LSS (see fourth diagram) of the control signal G LSS of the low-side switching element LSS is opposite to the on-time duration t ON, LSS * corresponding to the duty cycle specification dc CTRL (see second diagram). shortened by twice the associated protection time t protection (conversely, the off-time duration of the control signal G LSS compared to the specification by twice the protection time t protection extended).

Da die Zeitdauer tON,LSS geringer als die minimale Pulsbreite tPmin ist und das Low-Side-Schaltelement LSS ohnehin nicht stromführend ist, kann bei Unterschreiten der minimalen Pulsbreite der Ein-Puls auch unterdrückt werden, ohne dass die Ausgangsspannung UEM sich ändert.Since the time duration t ON, LSS is less than the minimum pulse width t Pmin and the low-side switching element LSS is not energized anyway , the ON pulse can also be suppressed when the minimum pulse width is undershot, without the output voltage U EM changing ,

Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GLSS des nicht stromführenden Schaltelements LSS entsprechen in 7 (im Unterschied zu 6) die tatsächliche Pulsbreite tON,HSS des pulsweitenmodulierten Steuersignals GHSS (s. drittes Diagramm) und die Pulsbreite der in gleicher Weise schaltenden pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM (s. fünftes Diagramm) der Vorgabe durch den Regler 2 (s. erstes Diagramm). By the assignment of the guard time t protection to the control signal G LSS of the non-current-carrying switching element LSS correspond to 7 (in contrast to 6 ) the actual pulse width t ON, HSS of the pulse width modulated control signal G HSS (see third diagram) and the pulse width of the pulse width modulated phase voltage U EM (see fifth diagram) switching in the same way 2 (see first diagram).

In 8 sind die Signalverläufe für Fall II dargestellt. Hierbei ist der Strom IPH < 0 und damit entweder das Low-Side-Schaltelement LSS oder die obere Diode HSD leitend (s. 1). Außerdem ist das Tastgrad maximal, d. h. dcCTRL = dcCTRL,max. Die oberen beiden Diagramme entsprechenden denen aus 7. Die Stromrichtung wird gemäß dem Verfahren detektiert und bei negativer Stromrichtung (d. h. IPH < 0) die Schutzzeit dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS vollständig zugeordnet. Dementsprechend ist die Ein-Zeitdauer tON,HSS (s. drittes Diagramm) des Steuersignals GHSS des High-Side-Schaltelements HSS gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe dcCTRL entsprechenden Ein-Zeitdauer tON,HSS* (s. erstes Diagramm) um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verkürzt (umgekehrt ist die Off-Zeitdauer des Steuersignals GHSS gegenüber der Vorgabe um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verlängert).In 8th the waveforms for case II are shown. Here, the current I PH <0 and thus either the low-side switching element LSS or the upper diode HSD conductive (s. 1 ). In addition, the duty cycle is maximum, ie dc CTRL = dc CTRL, max . The upper two diagrams correspond to those 7 , The current direction is detected in accordance with the method and, in the case of a negative current direction (ie, I PH <0), the guard time is completely allocated to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS. Accordingly, the on-time duration t ON, HSS (see third diagram) of the control signal G HSS of the high-side switching element HSS is opposite to the on-time duration t ON, HSS * corresponding to the duty cycle specification dc CTRL (see first diagram). shortened by twice the protection time t protection (conversely, the off-time duration of the control signal G HSS compared to the specification by twice the protection time t protection extended).

Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GHSS des nicht stromführenden Schaltelements HSS entsprechen in 8 (im Unterschied zu 6) die Schaltzeitpunkte des pulsweitenmodulierten Steuersignals GLSS (s. drittes Diagramm) und der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM (s. fünftes Diagramm) der Vorgabe durch den Regler 2 (s. erstes und zweites Diagramm).By the assignment of the guard time t protection to the control signal G HSS of the non-current-carrying switching element HSS correspond to 8th (in contrast to 6 ) the switching times of the pulse width modulated control signal G LSS (see third diagram) and the pulse width modulated phase voltage U EM (see fifth diagram) of the default by the controller 2 (see first and second diagram).

In 9 sind die entsprechenden Signalverläufe für Fall III dargestellt. Hierbei ist der Strom IPH > 0 und damit entweder das High-Side-Schaltelement HSS oder die untere Diode LSD leitend (s. 2). Außerdem ist das Tastgrad minimal, d. h. dcCTRL = dcCTRL,min. Bei minimalem Tastgrad dcCTRL = dcCTRL,min ist die Zeitdauer tON,HSS* eines dcctrl,min entsprechenden Steuersignals GHSS* minimal und die Aus-Zeitdauer tOFF,LSS* des dcctrl,min entsprechenden Steuersignals GLSS* minimal (s. erstes und zweites Diagramm). Die Ein-Zeitdauer tON,HSS* des Steuersignals GHSS* entspricht der minimalen Pulsbreite tPmin und die Aus-Zeitdauer tOFF,LLS* des Steuersignals GLSS* entspricht tPmin. Die Stromrichtung wird gemäß dem Verfahren detektiert und bei positiver Stromrichtung (d. h. IPH > 0) die Schutzzeit dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS vollständig zugeordnet. Dementsprechend ist die Ein-Zeitdauer tON,LSS (s. viertes Diagramm) des Steuersignals GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe dcCTRL entsprechenden Ein-Zeitdauer tON,LSS* (s. zweites Diagramm) um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verkürzt (umgekehrt ist die Off-Zeitdauer des Steuersignals GLSS gegenüber der Vorgabe um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verlängert).In 9 the corresponding signal curves for case III are shown. Here, the current I PH > 0 and thus either the high-side switching element HSS or the lower diode LSD conductive (s. 2 ). In addition, the duty cycle is minimal, ie dc CTRL = dc CTRL, min . At a minimum duty cycle dc CTRL = dc CTRL, min is the time t ON, HSS * a dc ctrl, min corresponding control signal G HSS * minimal and the off-time t OFF, LSS * of dc ctrl, min corresponding control signal G LSS * minimal (see first and second diagram). The on-time duration t ON, HSS * of the control signal G HSS * corresponds to the minimum pulse width t Pmin and the off-time duration t OFF, LLS * of the control signal G LSS * corresponds to t Pmin . The current direction is detected in accordance with the method and, in the case of a positive current direction (ie, I PH > 0), the guard time is completely allocated to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS. Accordingly, the on-time duration t ON, LSS (see fourth diagram) of the control signal G LSS of the low-side switching element LSS is opposite to the on-time duration t ON, LSS * corresponding to the duty cycle specification dc CTRL (see second diagram). shortened by twice the protection time t protection (conversely, the off-time duration of the control signal G LSS compared to the specification by twice the protection time t protection extended).

Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GLSS des nicht stromführenden Schaltelements LSS entsprechen in 9 (im Unterschied zu 6) die tatsächliche Pulsbreite tON,HSS des pulsweitenmodulierten Steuersignals GHSS (s. drittes Diagramm) und die Pulsbreite der in gleicher Weise modulierten Phasenspannung UEM (s. fünftes Diagramm) der Vorgabe durch den Regler 2 (s. erstes Diagramm).By the assignment of the guard time t protection to the control signal G LSS of the non-current-carrying switching element LSS correspond to 9 (in contrast to 6 ) the actual pulse width t ON, HSS of the pulse width modulated control signal G HSS (see third diagram) and the pulse width of the similarly modulated phase voltage U EM (see fifth diagram) of the specification by the controller 2 (see first diagram).

In 10 sind die Signalverläufe für Fall IV dargestellt. Hierbei ist der Strom IPH < 0 und damit ist entweder das Low-Side-Schaltelement LSS oder die obere Diode HSD leitend (s. 1). Außerdem ist das Tastgrad minimal, d. h. dcCTRL = dcCTRL,min. Die oberen beiden Diagramme entsprechenden denen aus 9. Die Stromrichtung wird gemäß dem Verfahren detektiert und bei negativer Stromrichtung die Schutzzeit dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS vollständig zugeordnet. Dementsprechend ist die Ein-Zeitdauer tON,HSS (s. drittes Diagramm) des Steuersignals GHSS des High-Side-Schaltelements HSS gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe dcCTRL entsprechenden Ein-Zeitdauer ION,HSS* (s. erstes Diagramm) um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verkürzt (umgekehrt ist die Off-Zeitdauer des Steuersignals GHSS gegenüber der Vorgabe um das Doppelte der Schutzzeit tSchutz verlängert).In 10 the waveforms for case IV are shown. Here, the current I PH <0 and thus either the low-side switching element LSS or the upper diode HSD is conductive (s. 1 ). In addition, the duty cycle is minimal, ie dc CTRL = dc CTRL, min . The upper two diagrams correspond to those 9 , The current direction is detected in accordance with the method and, in the case of a negative current direction, the guard time is completely assigned to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS. Accordingly, the on-time duration t ON, HSS (see third diagram) of the control signal G HSS of the high-side switching element HSS is opposite to the on-time duration I ON, HSS * corresponding to the duty cycle specification dc CTRL (see first diagram). shortened by twice the protection time t protection (conversely, the off-time duration of the control signal G HSS compared to the specification by twice the protection time t protection extended).

Da die Zeitdauer tON,HSS geringer als die minimale Pulsbreite tPmin ist und das High-Side-Schaltelement HSS ohnehin nicht stromführend ist, kann bei Unterschreiten der minimalen Pulsbreite tPmin der Ein-Puls des Steuersignals GHSS auch unterdrückt werden, ohne dass die Ausgangsspannung UEM sich ändert.Since the time duration t ON, HSS is less than the minimum pulse width t Pmin and the high-side switching element HSS is not energized anyway, falls below the minimum pulse width t Pmin the on-pulse of the control signal G HSS can also be suppressed without the output voltage U EM changes.

Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GHSS des nicht stromführenden Schaltelements HSS entsprechen in 10 (im Unterschied zu 6) die Schaltzeitpunkte des pulsweitenmodulierten Steuersignals GLSS (s. viertes Diagramm) und der pulsweitenmodulierten Phasenspannung UEM (s. fünftes Diagramm) der Vorgabe durch den Regler 2 (s. erstes und zweites Diagramm).By the assignment of the guard time t protection to the control signal G HSS of the non-current-carrying switching element HSS correspond to 10 (in contrast to 6 ) the switching times of the pulse width modulated control signal G LSS (see fourth diagram) and the pulse width modulated phase voltage U EM (see fifth diagram) of the default by the controller 2 (see first and second diagram).

Aus den vorstehend beschriebenen vier Fällen I–IV lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

  • 1. In zwei Fällen (Fall I und Fall IV) würde durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignale des jeweils nicht stromführenden Schaltelements eine Verletzung der minimalen Pulszeit tPmin auftreten. Da diese Verletzung das nicht stromführende Schaltelement beträfe, kann bei Unterschreiten der minimalen Pulszeit tPmin der Puls komplett unterdrückt werden, ohne dass es zu einer Verfälschung der Phasenspannung UEM gegenüber der Vorgabe dcCTRL des Reglers 2 kommt. Generell kann für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom IPH positiv ist, ein Ein-Impuls in dem Steuersignal GLSS unterdrückt werden, wenn die Pulsbreite des Ein-Impuls eine bestimmte Pulsbreite, beispielsweise die minimale Pulsbreite tPmin oder die Hälfte der minimalen Pulsbreite tPmin, unterschreitet. Für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom IPH negativ ist, kann ein Ein-Impuls des Steuersignals GHSS unterdrückt wird, wenn die Pulsbreite des Ein-Impuls eine bestimmte Pulsbreite, beispielsweise die minimale Pulsbreite tpmin oder die Hälfte der minimalen Pulsbreite tPmin, unterschreitet.
  • 2. Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des jeweils nicht stromführenden Schaltelements ergibt sich bei maximalem Tastgrad (s. 7 und 8) unabhängig von der Schutzzeit das folgenden Potential an der elektrischen Maschine bezogen auf die Spannung UZK:
    Figure 00250001
  • 3. Durch die Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des jeweils nicht stromführenden Schaltelements ergibt sich bei minimalem Tastgrad (s. 9 und 10) unabhängig von der Schutzzeit das folgenden Potential an der elektrischen Maschine bezogen auf die Spannung UZK:
    Figure 00250002
From the four cases I-IV described above, the following findings can be derived:
  • 1. In two cases (case I and case IV) would occur by the assignment of the guard time t protection to the control signals of each non-energized switching element violation of the minimum pulse time t Pmin . Since this violation would affect the non-current-carrying switching element, the pulse can be completely suppressed when the minimum pulse time t Pmin is undershot , without the phase voltage U EM being falsified with respect to the specification dc CTRL of the regulator 2 comes. In general, in the case where the half-bridge output current I PH is positive, an on-pulse in the control signal G LSS can be suppressed when the pulse width of the on-pulse is a certain pulse width, for example, the minimum pulse width t Pmin or half of the minimum Pulse width t Pmin , falls below. In the event that the half-bridge output current I PH is negative, an on-pulse of the control signal G HSS can be suppressed if the pulse width of the on-pulse has a certain pulse width, for example the minimum pulse width t pmin or half of the minimum pulse width t Pmin , falls below.
  • 2. The assignment of the guard time t protection to the control signal of the respective non-current-carrying switching element results in maximum duty cycle (s. 7 and 8th ) regardless of the protection time the following potential on the electrical machine with respect to the voltage U ZK :
    Figure 00250001
  • 3. The assignment of the guard time t protection to the control signal of each non-energized switching element results at a minimum duty cycle (s. 9 and 10 ) regardless of the protection time the following potential on the electrical machine with respect to the voltage U ZK :
    Figure 00250002

In der nachfolgenden Tabelle ist das relative Potential UEM bezogen auf die Spannung UZK für zwei unterschiedliche Zuordnungen der Schutzzeit gegenüber gestellt, nämlich einerseits für die konventionelle stromrichtungsunabhängige Zuordnung der Hälfte der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des High-Side-Schaltelements (so wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben), und andererseits für die vorstehend beschriebene stromrichtungsabhängige Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des nicht stromführenden Schaltelements.In the following table, the relative potential U EM is compared with respect to the voltage U ZK for two different assignments of protection time, namely on the one hand for the conventional current direction independent assignment of half the guard time t protection to the control signal of the high-side switching element (as described in the introduction to the description), and on the other hand for the above-described current direction-dependent assignment of the guard time t protection to the control signal of the non-energized switching element.

Figure 00260001
Figure 00260001

Aus der Differenz zwischen dem jeweils vorstehend angegebenen relativen Potential bei maximalen Tastgrad und dem jeweils vorstehend angegebenen relativen Potential bei minimalem Tastgrad ergibt sich der linearen Aussteuerbereich ΔULINEAR,Relativ des Umrichters, wie dies in der nachfolgenden Tabelle für die konventionelle stromrichtungsunabhängige Zuordnung der Schutzzeit tSchutz und für die erfindungsgemäße stromrichtungsabhängige Zuordnung der Schutzzeit tSchutz angegeben ist.From the difference between the respective above-indicated relative potential at the maximum duty cycle and the respective above-indicated relative potential at a minimum duty cycle results in the linear modulation range .DELTA.U LINEAR, Relative of the inverter, as shown in the table below for the conventional current direction independent assignment of the guard time t protection and protection is indicated for the current direction-dependent assignment of the guard time t according to the invention.

Figure 00270001
Figure 00270001

Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich ist, steigt durch die stromrichtungsabhängige Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des jeweils nicht stromführenden Schaltelements der lineare Aussteuerbereich ΔULINEAR,Relativ des Umrichters um 4·tSchutz/TPWM.As can be seen from the above table, the current-direction-dependent assignment of the guard time t protection to the control signal of the respective non-current-carrying switching element increases the linear modulation range ΔU LINEAR, relative to the inverter by 4 t protection / T PWM .

Die vorstehend beschriebene stromrichtungsabhängige Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal des nicht stromführenden Schaltelements sollte dann eingesetzt werden, wenn die Stromrichtung eindeutig feststellbar ist.The above-described current direction-dependent assignment of the protection time t protection to the control signal of the non-current-carrying switching element should then be used if the current direction can be clearly determined.

Ist die Amplitude des Stroms IPH gering, lässt sich aufgrund eines Stromrauschens oder eines Offsets die Richtung des Stromes IPH häufig nicht zuverlässig bestimmen. Außerdem sollte die ermittelte Stromrichtung vorzugsweise an dem zukünftigen Zeitpunkt gültig sein, an dem die Steuersignale, die wiederum auf der ermittelten Stromrichtung basieren, wirksam werden und die Schaltelemente der Halbbrücke entsprechend ansteuern.If the amplitude of the current I PH is low, the direction of the current I PH can often not be reliably determined due to a current noise or an offset. In addition, the determined current direction should preferably be valid at the future point in time at which the control signals, which in turn are based on the determined current direction, become effective and actuate the switching elements of the half-bridge accordingly.

Wenn das Stromvorzeichen nicht zuverlässig bestimmt werden kann, sollte vorzugsweise auch keine ausschließliche Zuordnung der Schutzzeit tSchutz zu einem der beiden Schaltelemente erfolgen, da das stromführende Schaltelement nicht eindeutig identifiziert werden kann. Stattdessen wird ein Bruchteil der Schutzzeit tSchutz dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schalters HSS und der verbleibende Bruchteil der Schutzzeit tSchutz dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schalters LSS zugeordnet. Die Bruchteile hängen dabei von einer Wahrscheinlichkeit pSZ ab, dass der Strom IPH positiv ist (oder alternativ negativ ist).If the current sign can not be determined reliably, preferably no exclusive assignment of the guard time t protection to one of the two switching elements should be made, since the current-carrying switching element can not be clearly identified. Instead, a fraction of the guard time t protection is assigned to the control signal G HSS of the high-side switch HSS and the remaining fraction of the protection time t protection to the control signal G LSS of the low-side switch LSS. The fractions depend on a probability p SZ that the current I PH is positive (or alternatively negative).

Bei der Wahrscheinlichkeit pSZ handelt es sich beispielsweise um einen Faktor zwischen 0 und 1, d. h. 0 ≤ pSZ ≤ 1 The probability p SZ is, for example, a factor between 0 and 1, ie 0 ≤ p SZ ≤ 1

Im Folgenden wird angenommen, dass der Wert pSZ angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit der Strom IPH positiv ist (und entweder durch das High-Side-Schaltelement HSS oder die untere Diode LSD fließt). Dieser Wert pSZ wird beispielsweise pro Halbbrücke 1 bestimmt und an den Brückentreiber 3' (s. 11) übergeben. Der Brückentreiber 3' ordnet pro Halbbrücke die Schutzzeit tSchutz dem Steuersignal des High-Side-Schaltelements HSS und dem Steuersignal des Low-Side-Schaltelements LSS in Abhängigkeit der auf die jeweilige Halbbrücke bezogenen Wahrscheinlichkeit pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W beispielsweise in folgender Weise zu:
tSchutz,U,HSS = (1 – PSZ,U)·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS der Halbbrücke U in Abhängigkeit des Wertes pSZ,U)
tSchutz,U,LSS = pSZ,U·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS der Halbbrücke U in Abhängigkeit des Wertes pSZ,U)
tSchutz,V,HSS = (1 – pSZ,U)·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS der Halbbrücke V in Abhängigkeit des Wertes pSZ,V)
tSchutz,V,LSS = PSZ,V·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS der Halbbrücke V in Abhängigkeit des Wertes pSZ,V)
tSchutz,W,HSS = (1 – pSZ,W)·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS der Halbbrücke W in Abhängigkeit des Wertes pSZ,W)
tSchutz,W,LSS = pSZ,W·tSchutz (Zuordnung des Bruchteils der Schutzzeit tSchutz auf das Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS der Halbbrücke W in Abhängigkeit des Wertes pSZ,W).
In the following it is assumed that the value p SZ indicates the probability with which the current I PH is positive (and flows either through the high-side switching element HSS or the lower diode LSD). This value p SZ , for example, per half-bridge 1 determined and to the bridge driver 3 ' (S. 11 ) to hand over. The bridge driver 3 ' assigns per half-bridge, the protection time t protection the control signal of the high-side switching element HSS and the control signal of the low-side switching element LSS as a function of the respective half-bridge related probability p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W, for example in the following way:
t protection, U, HSS = (1-P SZ, U ) t protection (assignment of the fraction of the guard time t protection to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS of the half-bridge U as a function of the value p SZ, U )
t protection, U, LSS = p SZ, U · t protection (assignment of the fraction of the guard time t protection to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS of the half-bridge U as a function of the value p SZ, U )
t protection, V, HSS = (1 -p SZ, U ) t protection (assignment of the fraction of the guard time t protection to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS of the half-bridge V as a function of the value p SZ, V )
t protection, V, LSS = P SZ, V · t protection (assignment of the fraction of the guard time t protection to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS of the half-bridge V as a function of the value p SZ, V )
t protection, W, HSS = (1-p SZ, W ) t protection (assignment of the fraction of the guard time t protection to the control signal G HSS of the high-side switching element HSS of the half-bridge W as a function of the value p SZ, W )
t Protection, W, LSS = p SZ, W · t Protection (assignment of the fraction of the guard time t Protection to the control signal G LSS of the low-side switching element LSS of the half-bridge W as a function of the value p SZ, W ).

Der Brückentreiber 3' ist also vorzugsweise in der Lage, die Schutzzeit tSchutz abhängig von dem jeweiligen Wert pSZ,U, pSZ,V und pSZ,W in der oben angegebenen Weise dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS oder dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelement LSS zuzuordnen.The bridge driver 3 ' So is preferably able, the protection time t protection depending on the respective value p SZ, U , p SZ, V and p SZ, W in the manner indicated above the control signal G HSS of the high-side switching element HSS or the control signal G. LSS of the low-side switching element LSS assign.

Im Fall von pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W gleich 0,5 wird für die jeweilige Halbbrücke die Schutzzeit tSchutz zu gleichen Teilen dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS und dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS zugeordnet. Dies entspricht dann der konventionellen Zuordnung, welche in der Beschreibungseinleitung diskutiert wird.In the case of p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W is 0.5 for the respective half-bridge, the protection time t protection in equal parts the control signal G HSS of the high-side switching element HSS and the control signal G LSS of Low-side switching element associated with LSS. This then corresponds to the conventional assignment, which is discussed in the introduction to the description.

Im Fall von pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W gleich 1, d. h. der Strom IPH der jeweiligen Phase U, V bzw. W ist sicher positiv, wird für die jeweilige Halbbrücke die Schutzzeit tSchutz vollständig dem Steuersignal GLSS des Low-Side-Schaltelements LSS zugeordnet, wie dies im Zusammenhang mit 7 und 9 diskutiert wurde.In the case of p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W equal to 1, ie the current I PH of the respective phase U, V and W is certainly positive, the protection time t protection is completely the control signal for the respective half-bridge G LSS associated with the low-side switching element LSS, as related to 7 and 9 was discussed.

Im Fall von pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W gleich 0, d. h. der Strom IPH der jeweiligen Phase U, V bzw. W ist sicher negativ, wird für die jeweilige Halbbrücke die Schutzzeit tSchutz vollständig dem Steuersignal GHSS des High-Side-Schaltelements HSS zugeordnet, wie dies im Zusammenhang mit 8 und 10 diskutiert wurde.In the case of p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W equal to 0, ie the current I PH of the respective phase U, V and W is certainly negative, the protection time t protection is completely the control signal for the respective half-bridge G HSS associated with the high-side switching element HSS, as related to 8th and 10 was discussed.

Zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeiten pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W werden vorzugsweise keine zusätzlichen Sensoren oder elektronischen Schaltungen verwendet. Stattdessen werden mit der ohnehin vorhandenen Information durch ein geeignetes Verfahren die Wahrscheinlichkeiten pSZ,U, pSZ,V und pSZ,W bestimmt. Die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W betreffen dabei vorzugsweise den Ausgangsstrom der jeweiligen Halbbrücke zu einem zukünftigen Zeitpunkt, an dem die auf der gleichen Wahrscheinlichkeitswert beruhende Zuordnung der Schutzzeit wirksam ist, d. h. an dem die Steuersignale, die wiederum auf dem ermittelten Wahrscheinlichkeitswert basieren, wirksam werden und die Schaltelemente der jeweiligen Halbbrücke entsprechend ansteuern. Es wird also vorzugsweise eine Stromrichtungsangabe für einen zukünftigen Zeitpunkt vorausgesagt.For determining the probabilities p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W preferably no additional sensors or electronic circuits are used. Instead, the probabilities p SZ, U , p SZ, V and p SZ, W are determined with the already existing information by a suitable method. The probability values p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W preferably relate to the output current of the respective half-bridge at a future time at which the assignment of the protection time based on the same probability value is effective, ie at which the control signals in turn based on the determined probability value, become effective and control the switching elements of the respective half-bridge accordingly. Thus, it is preferable to predict a current direction for a future time.

Die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V und pSZ,W werden in Abhängigkeit wahrscheinlicher Ausgangsströme der jeweiligen Halbbrücken bestimmt. Bei den wahrscheinlichen Ausgangsströmen der Halbbrücken handelt es sich um Stromwerte, der vorzugsweise in Abhängigkeit von Sollgrößen der Stromregelung bestimmt werden, und die vorzugsweise für einen zukünftigen Zeitpunkt vorausgesagt werden.The probability values p SZ, U , p SZ, V and p SZ, W are determined as a function of probable output currents of the respective half-bridges. The probable output currents of the half-bridges are current values, which are preferably determined as a function of nominal values of the current regulation, and which are preferably predicted for a future point in time.

Die Bestimmung der wahrscheinlichen Ausgangsströme der Halbbrücken kann beispielsweise in Abhängigkeit der Stromsollwerte iq,soll und id,soll in Feldkoordinaten erfolgen. Hierbei beschreibt der Stromsollwert iq,soll den momentbildenden Sollstrom und der Stromsollwert id,soll beschreibt den feldbildenden Strom. Die Ströme in Feldkoordinaten ergeben sich durch geometrische Addition der Ströme der verschiedenen Phasen. Das Koordinatensystem von id,soll und iq,soll dreht sich mit der elektrischen Kreisfrequenz ωel, mit der sich auch der Rotor der elektrischen Maschine dreht, so dass id,soll und iq,soll im stationären Fall konstant sind.The determination of the probable output currents of the half bridges can, for example , be carried out in field coordinates as a function of the current desired values i q, soll and i d . In this case, the current setpoint i q, is intended to describe the torque-forming setpoint current and the current setpoint i d, soll describes the field-forming current. The currents in field coordinates result from geometric addition of the currents of the different phases. The coordinate system of i d, soll and i q, should rotate with the electrical angular frequency ω el , with which rotates the rotor of the electric machine, so that i d, soll and i q, should be constant in the stationary case.

In Abhängigkeit der momentanen Stromsollwerte iq,soll und id,soll in Feldkoordinaten, der aktuellen Lage in Feldkoordinaten Φel, der aktuellen elektrische Kreisfrequenz ωel und optional der Zeitdauer tdelay bis zu dem zukünftigen Zeitpunkt, für den die Prognose gelten soll, können Stromsollwerte iα,soll und iβ,soll bestimmt werden, deren Koordinatensystem im Gegensatz zu id,soll und iq,soll nicht mit der elektrischen Kreisfrequenz ωel dreht, sondern still steht (somit sind diese Größen im stationären Fall sinusförmig):

Figure 00310001
Depending on the instantaneous current setpoint values i q, soll and i d, in field coordinates, the current position in field coordinates φ el , the current electrical angular frequency ω el and optionally the time duration t delay up to the future point in time for which the prognosis should apply, current setpoint values i α, soll and i β, should be determined whose coordinate system, in contrast to i d, soll and i q, should not rotate with the electrical angular frequency ω el , but is stationary (thus these quantities are sinusoidal in the stationary case) :
Figure 00310001

Die momentanen Stromsollwerte iα,soll und iβ,soll können in Stromsollwerte iU,soll, iV,soll, iW,soll für die drei Phasen U, V, W in folgender Weise transformiert werden:

Figure 00320001
The current current setpoints i α, soll and i β, soll can be transformed into current setpoint values i U, soll , i V, soll , i W, soll for the three phases U, V, W in the following way:
Figure 00320001

Die momentanen Stromsollwerte iPH,U,soll, iPH,V,soll, iPH,W,soll entsprechen wahrscheinlichen Ausgangsströmen der den Phasen U, V und W zugeordneten Halbbrücken zu einem Zeitpunkt, der gegenüber dem zugrunde liegenden Zeitpunkt der Sollstromwerte id,soll und iq,soll um die Zeit tdelay in der Zukunft liegt.The instantaneous current setpoint values i PH, U, soll , i PH, V, should , i PH, W, should correspond to probable output currents of the half-bridges assigned to the phases U, V and W at a time which is opposite to the underlying instant of the setpoint current values i d , should and i q, should be around the time t delay in the future.

Basierend auf den Stromsollwerte iPH,U,soll, iPH,V,soll, iPH,W,soll lassen sich für die drei Phasen U, V und W die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W berechnen, die angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit der Brückenausgangsstrom IPH der jeweiligen Phasen U, V bzw. W positiv ist, beispielsweise in folgender Weise: pSZ,U = 0,5 + r·iPH,U,soll pSZ,V = 0,5 + r·iPH,V,soll pSZ,W = 0,5 + r·iPH,W,soll Based on the current setpoint values i PH, U, soll , i PH, V, soll , i PH, W, soll , the probability values p SZ, U , p SZ, V or p SZ can be set for the three phases U, V and W. W , which indicate the probability with which the bridge output current I PH of the respective phases U, V or W is positive, for example in the following way: p SZ, U = 0.5 + r · i PH, U, soll p SZ, V = 0.5 + r · i PH, V, soll p SZ, W = 0.5 + r * i PH, W, soll

Mit dem Faktor r > 0 kann die Vertrauenswürdigkeit der vorausgesagten Stromwerte iPH,U,soll, iPH,V,soll, iPH,W,soll eingestellt werden. Um zu verhindern, dass die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V oder pSZ,W größer 1 oder kleiner 0 werden, werden sie entsprechend begrenzt, so dass gilt: 0 ≤ pSZ,U ≤ 1 0 ≤ pSZ,V ≤ 1 0 ≤ pSZ,W ≤ 1 With the factor r> 0, the trustworthiness of the predicted current values i PH, U, soll , i PH, V, soll , i PH, W, soll can be set. In order to prevent the probability values p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W becoming greater than 1 or less than 0, they are correspondingly limited, so that the following applies: 0 ≤ p SZ, U ≤ 1 0 ≤ p SZ, V ≤ 1 0 ≤ p SZ, W ≤ 1

Der Verlauf der Stromwerte iPH,U,soll, iPH,V,soll, iPH,W,soll ist im stationären Fall sinusförmig um die Nulllinie. Bei einem Stromwert iPH,U,soll, iPH,V,soll, iPH,W,soll von 0, ist der entsprechende Wahrscheinlichkeitswert pSZ,U, pSZ,V bzw. pSZ,W 0,5, d. h. mit 50% prozentiger Wahrscheinlichkeit ist die Stromrichtung positiv und mit 50% prozentiger Wahrscheinlichkeit ist die Stromrichtung negativ.The course of the current values i PH, U, soll , i PH, V, soll , i PH, W, soll is in the stationary case sinusoidal around the zero line. For a current value i PH, U, soll , i PH, V, soll , i PH, W, soll of 0, the corresponding probability value p SZ, U , p SZ, V or p SZ, W is 0.5, ie with 50% probability the current direction is positive and with 50% probability the current direction is negative.

Es sind auch andere Verfahren denkbar, welche dazu dienen, die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W zu bestimmen. In einem System, in dem die Phasenspannungen erfasst werden, wäre es beispielsweise möglich, den Stromnulldurchgang durch die Änderung der wirksamen Pulsweite zu identifizieren. Aus dem identifizierten Signal können dann die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W ermittelt werden.Other methods are also conceivable which serve to determine the probability values p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W. For example, in a system in which the phase voltages are detected, it would be possible to identify the current zero crossing by changing the effective pulse width. The probability values p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W can then be determined from the identified signal.

In 11 ist ein beispielhafter Brückentreiber 3' dargestellt, welcher als Eingangssignal die Tastgrad-Vorgabe dcCTRL seitens des Reglers 2, die Periodendauer TPWM für die pulsweitenmodulierten Ausgangssignale, die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W sowie die Schutzdauer tSchutz entgegennimmt. Der Brückentreiber 3' berechnet in Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen Steuersignale GHSS,U und GLSS,U für die Halbbrücke 1 der Phase U, Steuersignale GHSS,V und GLSS,V für die Halbbrücke 1 der Phase V und Steuersignale GHSS,W und GLSS,W für die Halbbrücke 1 der Phase W. Die Wahrscheinlichkeitswerte pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W werden in dem Block 11 in Abhängigkeit der Stromsollwerte id,soll und iq,soll in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt.In 11 is an exemplary bridge driver 3 ' represented, which as input signal the duty cycle specification dc CTRL on the part of the controller 2 , the period duration T PWM for the pulse width modulated output signals, the probability values p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W and the protection period t receives protection . The bridge driver 3 ' calculates in response to these input variables control signals G HSS, U and G LSS, U for the half-bridge 1 the phase U, control signals G HSS, V and G LSS, V for the half-bridge 1 the phase V and control signals G HSS, W and G LSS, W for the half-bridge 1 phase W. The probability values p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W are in the block 11 depending on the current setpoint values i d, soll and i q, should be determined in the manner described above.

Der Brückentreiber 3', der die PWM-Steuersignale erzeugt, ordnet die Schutzzeit tSchutz nicht stromrichtungsunabhängig jeweils zur Hälfte dem High-Side-Schaltelement HSS und dem Low-Side-Schaltelement LSS der jeweiligen Phase U, V und W zu, sondern führt die Zuordnung abhängig von der halbbrückenabhängigen Stromrichtungswahrscheinlichkeit pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W durch. Der Wahrscheinlichkeitswert pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W gibt dabei beispielsweise an, mit welcher Wahrscheinlichkeit der Strom durch das High-Side-Schaltelement HSS der jeweiligen Halbbrücke fließt. Im Fall von pSZ,i = 1 mit i ∊ {U, V, W}, wird die Schutzzeit tSchutz der betreffenden Halbbrücke i dann vollständig dem Low-Side-Schaltelement LSS der jeweiligen Halbbrücke zugeordnet; Im Fall von pSZ,i = 0 wird die Schutzzeit tSchutz vollständig dem High-Side-Schaltelement HSS der jeweiligen Halbbrücke i zugeordnet.The bridge driver 3 ' , which generates the PWM control signals, assigns the protection time t protection not current direction independent in each case half the high-side switching element HSS and the low-side switching element LSS the respective phase U, V and W, but performs the assignment depending on the half-bridge-dependent current direction probability p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W through. The probability value p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W indicates, for example, the probability with which the current flows through the high-side switching element HSS of the respective half-bridge. In the case of p SZ, i = 1 with i ε {U, V, W}, the protection time t protection of the respective half-bridge i is then completely assigned to the low-side switching element LSS of the respective half-bridge; In the case of p SZ, i = 0, the protection time t protection is completely assigned to the high-side switching element HSS of the respective half-bridge i.

In 12 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Erzeugung der Steuersignale GHSS,U und GLSS,U der Halbbrücke der Phase U. Aus dem seitens des Reglers 2 gelieferten Tastgrad dcCTRL wird ein Tastgrad dcCTRL,LSS für das Low-Side-Schaltelement LSS gemäß dcCTRL,LSS = 1 – dcCTRL berechnet. Der Tastgrad dcCTRL,HSS für das High-Side-Schaltelement HSS ist identisch mit dem Tastgrad dcCTRL, welchen der Regler 2 liefert.In 12 shows an exemplary implementation of the generation of the control signals G HSS, U and G LSS, U of the half-bridge of the phase U. From the part of the controller 2 delivered duty cycle dc CTRL is a duty cycle dc CTRL, LSS for the low-side switching element LSS according to dc CTRL, LSS = 1 - dc CTRL calculated. The duty cycle dc CTRL, HSS for the high-side switching element HSS is identical to the duty cycle dc CTRL , which the controller 2 supplies.

Die Tastgrad-Werte dcCTRL,HSS und dcCTRL,LSS werden modifiziert, und zwar entsprechend der Aufteilung der Schutzzeit tSchutz auf die beiden Steuersignale GHSS,U und GLSS,U: Aus dem zugeordneten Bruchteil tSchutz,U,HSS der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GHSS,U des High-Side-Schaltelements HSS und der PWM-Periodendauer TPWM wird gemäß (tSchutz,U,HSS/TPWM)·2 eine Reduktion rdcHSS,U des Tastgrads für das High-Side-Schaltelement HSS aufgrund des zugeordneten Bruchteils tSchutz,U,HSS der Schutzzeit tSchutz berechnet. Die Reduktion rdcHSS,U des Tastgrads wird von dem Tastgrad-Wert dcCTRL,HSS gemäß dcCTRL,HSS – rdcHSS,U = dcPWM,HSS,U subtrahiert. Der resultierende Tastgrad dcPWM,HSS,U gibt den vom Brückentreiber 3' dann gestellten Tastgrad für das High-Side-Schaltelement HSS der Phase U an. Dieser Tastgrad dcPWM,HSS,U wird in dem Block 10 in ein pulsbreitenmoduliertes Signal GHSS,U mit dem Tastgrad dcPWM,HSS,U gewandelt.The duty cycle values dc CTRL, HSS and dc CTRL, LSS are modified, according to the division of the protection time t protection on the two control signals G HSS, U and G LSS, U : From the associated fraction t protection, U, HSS the Protection time t Protection to the control signal G HSS, U of the high-side switching element HSS and the PWM period T PWM is according to (t protection, U, HSS / T PWM ) · 2 a reduction rdc HSS, U of the duty cycle for the high -Side switching element HSS due to the assigned fraction t protection, U, HSS of protection time t protection calculated. The reduction rdc HSS, U of the duty cycle is subtracted from the duty cycle value dc CTRL, HSS according to dc CTRL, HSS -rdc HSS, U = dc PWM, HSS, U. The resulting duty cycle dc PWM, HSS, U is that of the bridge driver 3 ' then set duty cycle for the high-side switching element HSS phase U on. This duty cycle dc PWM, HSS, U is in the block 10 in a pulse width modulated signal G HSS, U with the duty cycle dc PWM, HSS, U converted.

In entsprechender Weise wird aus dem zugeordneten Bruchteil tSchutz,U,LSS der Schutzzeit tSchutz zu dem Steuersignal GLSS,U des Low-Side-Schaltelements LSS und der PWM-Periodendauer TPWM gemäß (tSchutz,U,LSS/TPWM)·2 eine Reduktion rdcLSS,U des Tastgrads für das Low-Side-Schaltelement LSS aufgrund des zugeordneten Bruchteils tSchutz,U,LSS der Schutzzeit tSchutz berechnet. Die Reduktion rdcLSS,U des Tastgrads wird von dem Tastgrad-Wert dcCTRL,LSS gemäß dcCTRL,LSS – rdcLSS,U = dcPWM,LSS,U subtrahiert. Der resultierende Tastgrad dcPWM,LSS,U gibt den vom Brückentreiber 3' dann gestellten Tastgrad für das Low-Side-Schaltelement LSS der Phase U an. Dieser Tastgrad dcPWM,LSS,U wird in dem Block 10 in ein pulsbreitenmoduliertes Signal GLSS,U mit dem Tastgrad dcPWM,LSS,U gewandelt. Die pulsbreitenmodulierten Signale GHSS,U und GLSS,U werden dabei so zueinander synchronisiert, dass auf eine fallende Flanke des Signals GHSS,U oder des Signals GLSS,U nach der Zeitdauer tSchutz,U,LSS + tSchutz,U,HSS die steigende Flanke des Signals GLSS,U bzw. des Signals GHSS,U folgt (außer, wenn ein Puls unterdrückt wird).In a corresponding manner, from the associated fraction t protection, U, LSS of the protection time t protection to the control signal G LSS, U of the low-side switching element LSS and the PWM period T PWM according to (t protection, U, LSS / T PWM ) · 2 a reduction rdc LSS, U of the duty cycle for the low-side switching element LSS due to the associated fraction t protection, U, LSS the protection time t protection calculated. The reduction rdc LSS, U of the duty cycle is subtracted from the duty cycle value dc CTRL, LSS according to dc CTRL, LSS - rdc LSS, U = dc PWM, LSS, U. The resulting duty cycle dc PWM, LSS, U gives that from the bridge driver 3 ' then set duty cycle for the low-side switching element LSS of the phase U on. This duty cycle dc PWM, LSS, U is in the block 10 in a pulse width modulated signal G LSS, U with the duty cycle dc PWM, LSS, U converted. The pulse width modulated signals G HSS, U and G LSS, U are synchronized with each other so that on a falling edge of the signal G HSS, U or the signal G LSS, U after the time t protection, U, LSS + t protection, U , HSS follows the rising edge of the signal G LSS, U or the signal G HSS, U (except when a pulse is suppressed).

Claims (10)

Verfahren zum Steuern eines High-Side-Schaltelements (HSS) und eines Low-Side-Schaltelements (LSS) mindestens einer im Wesentlichen im Gegentakt angesteuerten Halbbrücke (1) mit den beiden Schaltelementen und mindestens zwei Dioden (HSD, LSD) in einem Umrichter, mit den Schritten: – Bestimmen einer Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) für die Richtung des Halbbrücken-Ausgangsstromes (IPH) der mindestens einen Halbbrücke (1); und – Erzeugen eines pulsweitenmodulierten ersten Steuersignals (GHSS) zum Steuern des High-Side-Schaltelements (HSS) und eines pulsweitenmodulierten zweiten Steuersignals (GLSS) zum Steuern des Low-Side-Schaltelements (LSS) in Abhängigkeit einer Tastgrad-Vorgabe (dcCTRL) und der Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W), wobei im Wesentlichen jedes Schaltelement (HSS, LSS) in einem High-Zustand des jeweiligen Steuersignals leitet und in einem Low-Zustand des jeweiligen Steuersignals nicht leitet, wobei – eine Schutzzeit (tSchutz), während der sowohl das erste Steuersignal (GHSS) als auch das zweite Steuersignal (GLSS) im Low-Zustand sind, dem ersten Steuersignal (GHSS) des High-Side-Schaltelements (HSS) oder dem zweiten Steuersignal (GLSS) des Low-Side-Schaltelements (LSS) in Abhängigkeit der Stromrichtungsangabe vollständig zugeordnet ist oder – ein von der Stromrichtungsangabe abhängiger erster Bruchteil der Schutzzeit (tSchutz) dem ersten Steuersignal (GHSS) des High-Side-Schaltelements (HSS) und der verbleibende zweite Bruchteil der Schutzzeit (tSchutz) dem zweiten Steuersignal (GLSS) des Low-Side-Schaltelements (LSS) zugeordnet ist, und die Zeitdauer (tON,HSS, tON,LSS) des High-Zustands des jeweiligen Steuersignals (GHSS, GLSS) gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe (dcCTRL) entsprechenden Zeitdauer (tON,HSS*, tON,LSS*) des High-Zustands um das Doppelte der zugeordneten Schutzzeit bzw. des zugeordneten Bruchteils der Schutzzeit verkürzt ist.Method for controlling a high-side switching element (HSS) and a low-side switching element (LSS) of at least one half-bridge which is driven in a differential mode ( 1 ) with the two switching elements and at least two diodes (HSD, LSD) in a converter, with the steps: - determining a current direction specification (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) for the direction of the half-bridge output current ( I PH ) of the at least one half-bridge ( 1 ); and - generating a pulse width modulated first control signal (G HSS ) for controlling the high-side switching element (HSS) and a pulse-width modulated second control signal (G LSS ) for controlling the low-side switching element (LSS) in response to a duty cycle specification (dc CTRL ) and the current direction indication (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ), wherein substantially each switching element (HSS, LSS) conducts in a high state of the respective control signal and in a low state of the respective control signal does not conduct, wherein - a guard time (t protection ) during which both the first control signal (G HSS ) and the second control signal (G LSS ) are in the low state, the first control signal (G HSS ) of the high-side switching element (HSS) or the second control signal (G LSS ) of the low-side switching element (LSS) depending on the current direction indication is fully assigned or - a dependent on the current direction indication first fraction of the guard time (t protection ) the first control signal (G HSS ) of the high-side switching element (HSS) and the remaining second fraction of the guard time (t protection ) associated with the second control signal (G LSS ) of the low-side switching element (LSS), and the time duration (t ON , HSS , t ON, LSS ) of the high state of the respective control signal (G HSS , G LSS ) with respect to the time duration (t ON, HSS *, t ON, LSS *) corresponding to the duty cycle specification (dc CTRL ) State is shortened by twice the assigned protection time or the associated fraction of the protection period. Verfahren nach Anspruch 1, wobei – für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) positiv ist, – die Schutzzeit (tSchutz) dem zweiten Steuersignal (GLSS) des Low-Side-Schaltelements (LSS) vollständig zugeordnet ist bzw. – der zweite Bruchteil größer als der erste Bruchteil ist, – für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) negativ ist, – die Schutzzeit dem ersten Steuersignal (GHSS) des High-Side-Schaltelements (HSS) vollständig zugeordnet ist bzw. – der erste Bruchteil größer als der zweite Bruchteil ist.The method of claim 1, wherein - in the event that the half-bridge output current (I PH ) is positive, - the guard time (t protection ) is completely associated with the second control signal (G LSS ) of the low-side switching element (LSS) - the second fraction is greater than the first fraction, - in the event that the half-bridge output current (I PH ) is negative, - The guard time is completely associated with the first control signal (G HSS ) of the high-side switching element (HSS) or - the first fraction is greater than the second fraction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromrichtungsangabe einem Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) für einen positiven oder negativen Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) entspricht.Method according to one of the preceding claims, wherein the current direction specification corresponds to a probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) for a positive or negative half-bridge output current (I PH ). Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) ein Wert im Wertebereich zwischen 0 und 1 ist und – der Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) die Wahrscheinlichkeit angibt, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) positiv ist, der erste Bruchteil – bezogen auf die Schutzzeit – Eins minus dem Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) entspricht und der zweite Bruchteil – bezogen auf die Schutzzeit – dem Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) entspricht, oder – der Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) die Wahrscheinlichkeit angibt, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) negativ ist, der zweite Bruchteil – bezogen auf die Schutzzeit – Eins minus dem Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) entspricht und der erste Bruchteil – bezogen auf die Schutzzeit – dem Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) entspricht.Method according to claim 3, wherein the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) is a value in the value range between 0 and 1 and - the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ , W ) indicates the probability that the half-bridge output current (I PH ) is positive, the first fraction - related to the guard time - one minus the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) and the second fraction - in relation to the guard time - corresponds to the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ), or - the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) Probability indicates that the half-bridge output current (I PH ) is negative, the second fraction - referred to the guard time - equals one minus the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) and the first fraction - related to the guard time - the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Wahrscheinlichkeitswert (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) in Abhängigkeit eines insbesondere wahrscheinlichen Ausgangsstroms bestimmt wird, insbesondere gemäß folgender Beziehung: p = 0,5 + r·i, wobei p dem Wahrscheinlichkeitswert entspricht, i dem Ausgangsstrom entspricht und r eine konstante oder variable Größe ist und der Wahrscheinlichkeitswert p auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 begrenzt wird.Method according to one of Claims 3 or 4, the probability value (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) being determined as a function of a particularly probable output current, in particular according to the following relationship: p = 0.5 + r · i, where p corresponds to the probability value, i corresponds to the output current and r is a constant or variable quantity and the probability value p is limited to a value range between 0 and 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) eine Angabe über eine prognostizierte zukünftige Richtung des Halbbrücken-Ausgangsstromes (IPH) zu einem zukünftigen Zeitpunkt ist, an dem die auf der Stromrichtungsangabe beruhende Zuordnung der Schutzzeit wirksam ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the current direction indication (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) is an indication of a predicted future direction of the half-bridge output current (I PH ) at a future time at which the the assignment of the protection time based on the current direction indication is effective. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) umfasst: – Bestimmen eines wahrscheinlichen Werts des Ausgangsstroms in Abhängigkeit zweier Stromsollwerte (id,soll, iq,soll) in Feldkoordinaten.Method according to one of the preceding claims, wherein the step of determining a current direction specification (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) comprises: - determining a probable value of the output current as a function of two current setpoint values (i d, soll , i q, should ) in field coordinates. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) positiv ist, ein High-Impuls des zweiten Steuersignals (GLSS) unterdrückt wird, wenn die Pulsbreite (tON,LSS) des High-Impuls des zweiten Steuersignals (GLSS) geringer als eine bestimmte Pulsbreite, insbesondere eine minimal zulässige Pulsbreite (tPmin), ist, und – für den Fall, dass der Halbbrücken-Ausgangsstrom (IPH) negativ ist, ein High-Impuls des ersten Steuersignals (GHSS) unterdrückt wird, wenn die Pulsbreite (tON,HSS) des High-Impuls des ersten Steuersignals (GHSS) geringer als eine bestimmte Pulsbreite, insbesondere eine minimal zulässige Pulsbreite (tPmin), ist.Method according to one of the preceding claims, wherein - in the event that the half-bridge output current (I PH ) is positive, a high pulse of the second control signal (G LSS ) is suppressed when the pulse width (t ON, LSS ) of the high Pulse of the second control signal (G LSS ) is less than a certain pulse width, in particular a minimum allowable pulse width (t Pmin ), and - in the event that the half-bridge output current (I PH ) is negative, a high pulse of the first control signal (G HSS ) is suppressed when the pulse width (t ON, HSS ) of the high pulse of the first control signal (G HSS ) is less than a certain pulse width, in particular a minimum allowable pulse width (t Pmin ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente n-Kanal-IGBTs sind.Method according to one of the preceding claims, wherein the switching elements are n-channel IGBTs. Ansteuereinrichtung (3', 11) für ein High-Side-Schaltelement (HSS) und ein Low-Side-Schaltelement (LSS) mindestens einer im Wesentlichen im Gegentakt angesteuerten Halbbrücke (1) mit den beiden Schaltelementen und zwei Dioden (HSD, LSD) in einem Umrichter, wobei die Ansteuereinrichtung eingerichtet ist, – eine Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) für die Richtung des Halbbrücken-Ausgangsstromes (IPH) der mindestens einen Halbbrücke (1) zu bestimmen, – ein pulsweitenmoduliertes erstes Steuersignal (GHSS) zum Steuern des High-Side-Schaltelements (HSS) und ein pulsweitenmoduliertes zweites Steuersignal (GLSS) zum Steuern des Low-Side-Schaltelements (LSS) in Abhängigkeit einer Tastgrad-Vorgabe (dcCTRL) und der Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) zu erzeugen, wobei im Wesentlichen jedes Schaltelement in einem High-Zustand des jeweiligen Steuersignals leitet und in einem Low-Zustand des jeweiligen Steuersignals nicht leitet, wobei – eine Schutzzeit (tSchutz), während der sowohl das erste Steuersignal (GHSS) als auch das zweite Steuersignal (GLSS) im Low-Zustand sind, dem ersten Steuersignal (GHSS) des High-Side-Schaltelements (HSS) oder dem zweiten Steuersignal (GLSS) des Low-Side-Schaltelements (LSS) in Abhängigkeit der Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) vollständig zugeordnet ist, oder – ein von der Stromrichtungsangabe (pSZ,U, pSZ,V, pSZ,W) abhängiger erster Bruchteil der Schutzzeit dem ersten Steuersignal (GHSS) des High-Side-Schaltelements (HSS) und der verbleibende zweite Bruchteil der Schutzzeit dem zweiten Steuersignal (GLSS) des Low-Side-Schaltelements (LSS) zugeordnet ist, und die Zeitdauer (tON,HSS, tON,LSS) des High-Zustands des jeweiligen Steuersignals gegenüber der der Tastgrad-Vorgabe (dcCTRL) entsprechenden Zeitdauer (tON,HSS*, tON,LSS*) des High-Zustands um das Doppelte der zugeordneten Schutzzeit bzw. des zugeordneten Bruchteils der Schutzzeit verkürzt ist.Control device ( 3 ' . 11 ) for a high-side switching element (HSS) and a low-side switching element (LSS) of at least one essentially half-bridge ( 1 ) with the two switching elements and two diodes (HSD, LSD) in a converter, wherein the drive device is set up, - a current direction indication (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) for the direction of the half-bridge output current ( I PH ) of the at least one half-bridge ( 1 ), - a pulse width modulated first control signal (G HSS ) for controlling the high side switching element (HSS) and a pulse width modulated second control signal (G LSS ) for controlling the low side switching element (LSS) in response to a duty cycle specification (dc CTRL ) and the current direction indication (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) to produce, wherein substantially each switching element in a high state of the respective control signal conducts and not in a low state of the respective control signal a protection time (t protection ) during which both the first control signal (G HSS ) and the second control signal (G LSS ) are in the low state, the first control signal (G HSS ) of the high-side switching element ( HSS) or the second control signal (G LSS ) of the low-side switching element (LSS) in dependence of the current direction indication (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) is completely assigned, or A first fraction of the guard time depending on the current direction specification (p SZ, U , p SZ, V , p SZ, W ) corresponds to the first control signal (G HSS ) of the high-side switching element (HSS) and the remaining second fraction of the guard time to second control signal (G LSS ) of the low-side switching element (LSS) is assigned, and the duration (t ON, HSS , t ON, LSS ) of the high state of the respective control signal with respect to the duty cycle command (dc CTRL ) corresponding The duration (t ON, HSS *, t ON, LSS *) of the high state is shortened by twice the assigned protection time or the associated fraction of the protection time.
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