DE102013212048A1

DE102013212048A1 - Z-Source-Inverter mit optimiertem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE102013212048A1
Application number: DE102013212048.6A
Authority: DE
Inventors: Raphael Fruhauf; Jian Tian; Michel Wandhammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2014206696A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Z-Source-Inverter, insbesondere für einen DC-DC-Wandler oder einen Elektromotor. Der Inverter weist wenigstens zwei mit einer Induktivität verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücken auf. Der Inverter weist eine mit Steueranschlüssen der Halbleiterschalter-Halbbrücken verbundene Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, die Halbbrücken zum Erzeugen einer Wechselspannung anzusteuern. Die Steuereinheit ist ausgebildet, ein Shoot-Through-Signal zu erzeugen und die wenigstens eine der Halbbrücken zum Aufladen der Induktivität mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern. Erfindungsgemäß weist der Inverter einen Stromsensor auf. Der Stromsensor ist ausgebildet, einen durch einen mit dem Inverter ausgangsseitig verbundenen Verbraucher fließenden Laststrom zu erfassen und ein den Laststrom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Stromsignals das Shoot-Through-Signal wenigstens für einen Teil der Halbbrücken zu erzeugen. So kann vorteilhaft insbesondere bei einer geringen Belastung des Inverters, das heißt bei einem kleinen Ausgangsstrom vergleichen mit dem maximal möglichen Ausgangsstrom des Inverters, nur ein Teil der Halbbrücken in den Shoot-Through geschaltet werden, wodurch die Effizienz des Wandlers vorteilhaft gesteigert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Z-Source-Inverter, insbesondere für einen DC-DC-Wandler oder einen Elektromotor. Der Z-Source-Inverter, im Folgenden auch Inverter genannt, weist wenigstens zwei mit einer Induktivität verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücken auf. Der Inverter weist eine mit Steueranschlüssen der Halbleiterschalter-Halbbrücken verbundene Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, die Halbbrücken zum Erzeugen einer Wechselspannung anzusteuern. Die Steuereinheit ist ausgebildet, ein Shoot-Through-Signal zu erzeugen und die wenigstens eine der Halbbrücken zum Aufladen der Induktivität mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern.
Bei einem Z-Source-Inverter werden die Halbbrücken zum Aufladen der Induktivität mit Energie und zum Aufbau eines Magnetfeldes in einen sogenannten Shoot-Through-Schaltzustand geschaltet, bei dem ein High-Side-Halbleiterschalter und ein Low-Side-Halbleiterschalter der Halbbrücke gemeinsam leitend geschaltet werden, so dass ein Strom durch beide Halbleiterschalter fließen kann. Der Strom wird so im Wesentlichen nur durch die Induktivität begrenzt. Dieser Schaltzustand ist bei anderen Anwendungen im Zusammenhang mit Halbbrücken bei Leistungsendstufen für Elektromotoren oder bei Wechselrichtern nicht erwünscht, da es bei diesen zu einem unerwünschten Stromanstieg führen kann, bei dem die Halbleiterschalter zerstört werden könnten.
Offenbarung der Erfindung
Es wurde erkannt, dass bei aus dem Stand der Technik bekannten Z-Source-Invertern das Problem besteht, dass beim Schalten des Shoot-Through Schaltverluste entstehen. Die Halbleiterschalter-Halbbrücken, im Folgenden auch Halbbrücken genannt, werden dadurch erwärmt.
Erfindungsgemäß weist der Inverter der eingangs genannten Art einen Stromsensor auf. Der Stromsensor ist ausgebildet, einen durch einen mit dem Inverter ausgangsseitig verbundenen Verbraucher fließenden Laststrom zu erfassen und ein den Laststrom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Stromsignals das Shoot-Through-Signal wenigstens für einen Teil der Halbbrücken zu erzeugen. So kann vorteilhaft insbesondere bei einer geringen Belastung des Inverters, das heißt bei einem kleinen Ausgangsstrom vergleichen mit dem maximal möglichen Ausgangsstrom des Inverters, nur ein Teil der Halbbrücken in den Shoot-Through geschaltet werden, wodurch die Effizienz des Wandlers vorteilhaft gesteigert ist. Die Funktion des Wandlers ist dadurch vorteilhaft nicht beeinflusst.
Beispielhafte Z-Source-Inverter sind neben dem klassischen Z-Source-Inverter ein Quasi-Z-Source-Inverter, ein Trans-Z-Source-Inverter, ein Quasi-Z-Source-Inverter oder ein Quasi-Trans-Z-Source-Inverter, ein EBZSI, (EBZSI = Extended-Boost-Z-Source-Inverter), ein CqZSI (CqZSI = Cascaded-Quasi-Z-Source-Inverter), ein SIZSI S(SIZSI = Switched-Inductor-Z-Source-Inverter) oder ein LCCT-ZSI (LCCT-ZSI = Inductor-Capacitor-Capacitor-Transformer-Z-Source-Inverter). Bei den vorgenannten Z-Source-Invertern werden ebenfalls die Induktivitäten im Shoot-Through-Zustand der Halbbrücken zum Zwischenspeichern von Energie mit magnetischer Feldenergie geladen.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, den Teil der Halbbrücken gleichzeitig, das heißt die Halbbrücken gemeinsam mit dem Shoot-Through-Signal, anzusteuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, in Abhängigkeit eines durch das Stromsignal repräsentierten vorbestimmten Stromwertes, bei einem Strom kleiner als dem Stromwert nur einen Teil der Halbbrücken mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern und bei einem Strom größer als dem Stromwert eine größere Anzahl der Halbbrücken als der Teil der Halbbrücken mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern. Die Steuereinheit kann so vorteilhaft zwischen zwei zueinander verschiedenen Lastzuständen einer Belastung des Inverters diskriminieren und vorteilhaft in Abhängigkeit des Lastzustands nur einen Teil der Halbbrücken, oder eine größere Anzahl der Halbbrücken als den Teil, in den Shoot-Through-Zustand steuern. Die Steuereinheit kann dazu beispielsweise einen Diskriminator aufweisen, welcher eingangsseitig mit dem Stromsensor verbunden ist und ausgangsseitig mit einem Pulsweitenmodulator der Steuereinheit, welcher ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Stromsignals den Pulsweitenmodulator für eine oder mehrere Halbbrücken anzusteuern.
Die Steuereinheit ist in einer anderen Ausführungsform ausgebildet, wenigstens zwei Stromwertintervalle vorrätig zu halten und das Stromwertsignal mit den Stromwertintervallen zu diskriminieren und im Falle einer Übereinstimmung des Stromwertsignals mit einem der vorrätig gehaltenen Stromwertintervalle, das Shoot-Through-Signal für eine dem Stromwertintervall entsprechende Zahl der Halbbrücken zu erzeugen. Beispielsweise kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, bei einem Laststrom, welcher sich in einem Laststromintervall zwischen einem kleinsten möglichen Laststromwert und einem Drittel des maximalen Laststromes befindet, nur eine der Halbbrücken mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern. Die Steuereinheit ist weiter ausgebildet, im Falle eines Stromsignals, welches einen Laststrom zwischen dem Drittel des maximalen Laststromes und dem maximalen Laststrom repräsentiert, zwei Halbbrücken eines Inverters, umfassend zwei Halbbrücken, zum Shoot-Through gemeinsam anzusteuern.
Das Shoot-Through-Signal wird im Folgenden auch Ladesignal genannt, insoweit mittels des Shoot-Through die zuvor genannte Induktivität mit Energie aufgeladen werden kann, sodass in der Induktivität ein Magnetfeld gespeichert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, in Abhängigkeit des Stromsignals entweder einen Teil der Halbbrücken oder alle Halbbrücken mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern. Beispielsweise kann ein Inverter drei Halbbrücken aufweisen. Die Steuereinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, zwei Stromwertintervalle vorrätig zu halten und in Abhängigkeit des Stromsignals, welches in ein kleineres der vorrätig gehaltenen Intervalle fällt, nur eine oder zwei Halbbrücken mit dem Ladesignal anzusteuern. Im Falle des Stromsignals, welches in das größere der vorrätig gehaltenen Intervalle fällt, kann die Steuereinheit zwei, beziehungsweise drei der Halbbrücken mit dem Ladesignal ansteuern.
Mittels des zuvor beschriebenen vorbestimmten Stromwertes als Schwellwert sind zwei Stromwertintervalle gebildet, welche ein Stromwertintervall zwischen einem kleinsten möglichen Laststrom und einem maximal möglichen Laststrom gemeinsam ausfüllen und aneinander anschließen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, für jede Halbbrücke des Inverters ein Stromwertintervall vorrätig zu halten und das Stromsignal mit den Stromwertintervallen zu diskriminieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, in aufeinanderfolgenden Taktperioden zueinander verschiedene Gruppen von Halbbrücken in Abhängigkeit des Stromsignals anzusteuern. So kann vorteilhaft im Falle einer kleinen Belastung des Inverters, bei der beispielsweise nur eine oder zwei Halbbrücken mit dem Shoot-Through-Signal angesteuert werden, zwischen sämtlichen Halbbrücken des Inverters abgewechselt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Inverters ist ein Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt der Shoot-Through-Ansteuerung innerhalb einer Taktperiode und einem Beginn der Taktperiode bei einer zeitlichen Folge von Taktperioden und bei der Ansteuerung sämtlicher der Halbbrücken in jede Taktperiode jeweils unverändert. Die Shoot-Through-Ansteuerung, insbesondere die Zeitpunkte der Shoot-Through-Ansteuerung, ist so vorteilhaft unabhängig von dem Stromsignal, sodass in Abhängigkeit des Stromsignals nur die Zahl der zu schaltenden Halbbrücken geändert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl der von der Steuereinheit in jeder Taktperiode erzeugten Shoot-Through-Signale bei einer zeitlichen Folge aufeinanderfolgender Taktperioden unverändert. Die Art der Shoot-Through-Ansteuerung, und so eine Wirkung der Shoot-Through-Ansteuerung auf die Invertierung, kann so unabhängig von dem Stromsignal sein. Vorteilhaft kann so der Wandlungswirkungsgrad in Abhängigkeit des Stromsignals verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Inverter wenigstens drei Halbbrücken, genau drei Halbbrücken, vier Halbbrücken oder fünf Halbbrücken. Auf die Weise kann der Inverter vorteilhaft eine Leistungsendstufe für einen Elektromotor oder eine elektrische Maschine bilden. Die elektrische Maschine bildet den zuvor genannten Verbraucher, dessen Laststrom vom Stromsensor erfasst werden kann. Die elektrische Maschine weist beispielsweise drei, vier oder fünf Statorspulen auf. Der Inverter weist bevorzugt für jede Statorspule des Stators eine Halbbrücke auf. Im Falle einer elektrischen Maschine mit drei Statorspulen ist die Leistungsendstufe dann beispielsweise als B6-Brücke ausgebildet.
Bevorzugt weist der Inverter drei Halbbrücken auf und die Steuereinheit ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Stromsignals nur eine Halbbrücke, zwei der Halbbrücken gemeinsam oder alle drei Halbbrücken gemeinsam mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ansteuern eines Z-Source-Inverters, wobei der Z-Source-Inverter wenigstens zwei Halbleiterschalter-Halbbrücken aufweist, und bei dem wenigstens eine Halbbrücke zum Aufladen einer Induktivität des Inverters mit einem Shoot-Through angesteuert wird.
Bei dem Inverter wird ein ausgangsseitig durch einen mit dem Inverter verbundenen Verbraucher fließender Laststrom erfasst. Weiter werden in Abhängigkeit des Laststroms eine Anzahl der Halbbrücken, bevorzugt ein ganzzahliger Anteil sämtlicher Halbbrücken des Inverters, mit einem Shoot-Through-Signal zum Durchsteuern der Halbbrücken auf die Halbbrücken beaufschlagt.
So kann vorteilhaft die bereits erwähnte Erkenntnis genutzt werden, dass ein Wirkungsgrad des Inverters von einem Laststrom und von einer Anzahl, bevorzugt einem Anteil der Halbbrücken abhängig ist, wobei die Zahl der geschalteten Halbbrücken vom Laststrom, insbesondere proportional vom Laststrom abhängen. Anders formuliert, umso kleiner der Laststrom im Vergleich zum maximal möglichen Laststrom des Inverters, umso weniger Halbbrücken werden vorteilhaft in den Shoot-Trough-Zustand geschaltet.
Bevorzugt werden bei dem Verfahren in Abhängigkeit eines vorbestimmten Laststromwertes bei einem Laststrom kleiner als dem Laststromwert nur eine oder ein Teil der Halbbrücken gemeinsam zum Shoot-Through angesteuert und bei einem Strom größer als dem Stromwert ein größerer Teil der Halbbrücken als der Teil der Halbbrücken, oder alle Halbbrücken gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand angesteuert.
Bevorzugt wird der Laststrombereich des Inverters in Laststromintervalle aufgeteilt, und jedem Laststromintervall eine vorbestimmte Anzahl der Halbbrücken zugeordnet.
Bei einem Inverter mit drei Halbbrücken sind so drei Stromwertintervalle gebildet. Liegt der Laststrom in einem der drei Intervalle, wird die entsprechende Kombination der Halbbrücken durchgesteuert. Die Anzahl der Halbbrücken und die zugehörigen Laststromintervalle können beispielsweise in einer Look-Up-Tabelle einer Steuereinheit des Inverters abgespeichert sein.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den Merkmalen der Figuren und der abhängigen Ansprüche.
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für einen Z-Source-Inverter mit einem Elektromotor, bei dem eine Steuereinheit ausgebildet ist, einen ganzzahligen Anteil der Halbbrücken, oder alle Halbbrücken in Abhängigkeit eines erfassten Laststromes in einen Shoot-Through-Zustand zu steuern;
2 zeigt ein Beispiel für einen Gleichrichter, welcher mit der in 1 gezeigten Z-Source-Spannungsquelle des Elektromotors anstelle des Elektromotors zusammenwirken kann;
Die 3, 4 und 5 zeigen jeweils beispielhaft Ansteuersignale zum Ansteuern der Halbbrücken, welche von einem Pulsweitenmodulator des in 1 gezeigten Inverters in Abhängigkeit des Laststromes erzeugt sind;
6 zeigt ein Diagramm, in welchem drei Kurven dargestellt sind, welche jeweils einen Wirkungsgrad des in 1 gezeigten Inverters für zueinander verschiedene Anteile der Halbbrücken in Abhängigkeit des Laststromes repräsentieren.
1 zeigt einen Z-Source-Inverter 1, insbesondere einen Quasi-Z-Source-Inverter. Der Inverter 1 weist eine Z-Source-Versorgungseinheit 2, in diesem Ausführungsbeispiel eine wie eine Z-Source-Spannungsquelle wirkende Spannungsquelle mit zwei Induktivitäten L1 und L2 und zwei Kapazitäten C1 und C2 auf. Von den Induktivitäten bildet jeweils eine Induktivität zusammen mit einer Kapazität eine Art Schwingkreis, wobei die Kapazität durch Entladung der Induktivität geladen werden kann. Die Induktivitäten werden jeweils während eines Shoot-Through-Zustandes der Halbbrücken geladen. Die Z-Source-Versorgungseinheit 2 weist zwei Anschlüsse 63 und 64 für eine Gleichspannungsquelle auf. Die Z-Source-Versorgungseinheit 2 ist ausgebildet – gesteuert durch mit der Z-Source-Versorgungseinheit 2 ausgangsseitig verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücken –, Wechselspannung zu erzeugen und ausgangsseitig auszugeben.
Der Inverter 1 weist dazu in diesem Ausführungsbeispiel drei Halbleiterschalter-Halbbrücken auf, von denen eine erste Halbbrücke einen Halbleiterschalter 5 und einen Halbleiterschalter 6, eine zweite Halbbrücke einen Halbleiterschalter 7 und einen Halbleiterschalter 8 und eine dritte Halbbrücke einen Halbleiterschalter 9 und einen Halbleiterschalter 10 umfasst. Die Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, 9 und 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Feldeffekttransistoren, insbesondere MOS-Feldeffekttransistoren, gebildet. Die Halbleiterschalter können in einer anderen Ausführungsform auch jeweils als IGBT-Transistoren ausgebildet sein.
Die Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, 9 und 10 weisen jeweils einen Steueranschluss auf, wobei die Steueranschlüsse mit einer Steuereinheit 3 verbunden sind. Ein Steueranschluss 65 des Halbleiterschalters 5 ist beispielhaft bezeichnet. Die Steuereinheit 3 weist einen Pulsweitenmodulator 4 auf, welcher ausgebildet ist. Steuerpulse zum Steuern der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, 9 und 10 zu erzeugen und ausgangsseitig auszugeben.
Die Halbbrücke, gebildet durch die Halbleiterschalter 5 und 6, ist ausgangsseitig mit einem Ausgang 11 verbunden, die Halbbrücke, gebildet durch die Halbleiterschalter 7 und 8, ist ausgangsseitig mit einem Ausgang 12 verbunden und die Halbbrücke, gebildet durch die Halbleiterschalter 9 und 10, ist ausgangsseitig mit einem Ausgang 13 verbunden.
Der Inverter 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgangsseitig mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Stator 14 einer elektrischen Maschine, verbunden. Der Stator 14 weist drei Statorspulen 16, 17 und 18 auf. Die elektrische Maschine weist neben dem Stator 14 auch einen Rotor 15 auf. Der Inverter 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der elektrischen Maschine, wobei der Inverter 1 ausgebildet ist, den Stator 14, insbesondere die Statorspulen 16, 17 und 18, zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu bestromen.
Die Statorspule 16 ist dazu mit dem Ausgang 12 verbunden, die Statorspule 17 mit dem Ausgang 11 und die Statorspule 18 mit dem Ausgang 13. Die Statorspulen 16, 17 und 18 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Sternschaltung miteinander verschaltet.
Der Pulsweitenmodulator 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel zu einer wirkungsgradoptimierten Ansteuerung der drei Halbbrücken ausgebildet. Dazu ist der Pulsweitenmodulator 4 ausgebildet, die Halbbrücken jeweils in Abhängigkeit von einem Laststrom am Ausgang des Inverters 1 in den Shoot-Through-Zustand durchzusteuern.
Die Ausgänge 11, 12 und 13 sind dazu über einen Stromsensor 60 mit dem Stator 14 verbunden. Der Stromsensor 60 ist beispielsweise durch wenigstens einen Shunt-Widerstand gebildet. Der Stromsensor 60 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 57 mit der Steuereinheit 3 verbunden. Die Steuereinheit 3 kann so den Pulsweitenmodulator 4 zum Erzeugen der Shoot-Through-Steuersignale für die Halbbrücken in Abhängigkeit des eingangsseitig über die Verbindungsleitung 57 empfangenen Stromsignals, erzeugt durch den Stromsensor 60, ansteuern. Dazu weist die Steuereinheit 3 in diesem Ausführungsbeispiel einen Diskriminator 62 und einen mit dem Diskriminator verbundenen Speicher 59 auf, in dem für jede Halbbrücke ein Stromwertintervall abgespeichert ist. Das Stromwertintervall 61 ist beispielhaft bezeichnet. Der Diskriminator 62 ist ausgebildet, den das Stromsignal einem Stromwertintervall zuzuordnen – beispielsweise mittels einer Look-Up-Tabelle – und ein Steuersignal zu erzeugen, das eine Anzahl der in den Shoot-Through-Zustand zu steuernden Halbbrücken repräsentiert und dieses an den Pulsweitenmodulator 4 zu senden. Der Pulsweitenmodulator 4 kann den dem Steuersignal entsprechenden ganzzahligen Anteil der Halbleiterschalter-Halbbrücken mit dem Shoot-Trough-Signal ansteuern.
Die Steuereinheit 3 ist beispielsweise durch einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array) gebildet.
2 zeigt einen Spannungswandler 23, wobei der Spannungswandler 23 einen Gleichrichter 24 und einen Transformator 25 umfasst. Der Transformator 25, insbesondere eine Primärspule des Transformators 25, ist mit Eingängen 19 und 20 verbunden. Der Transformator 25 ist ausgangsseitig, insbesondere mit einer Sekundärspule des Transformators 25, mit dem Gleichrichter 24 verbunden. Der Gleichrichter 24 ist beispielsweise durch einen Brückengleichrichter gebildet. Der Gleichrichter 24 ist ausgangsseitig in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Tiefpassfilter umfassend eine Drosselinduktivität und einem Kondensator verbunden. Der Gleichrichter 24 ist ausgangsseitig mit zwei Ausgängen 21 und 22 verbunden, an denen eine von dem Spannungswandler 23 erzeugte Gleichspannung zum Verbrauch bereitgestellt werden kann.
Der Spannungswandler 23 kann anstelle des Stators 14 in 1 mit dem Inverter 1 verbunden werden. So kann der Inverter 1 zusammen mit dem Spannungswandler 3 beispielsweise einen DC-DC-Spannungswandler, insbesondere einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler, bilden. Der Spannungswandler bildet den zuvor genannten Verbraucher, dessen Laststrom vom Stromsensor 60 erfasst werden kann. Der Eingang 19 des Transformators 25 kann dazu mit dem Ausgang 11 des Inverters 1 verbunden werden und der Eingang 20 des Transformators 25 mit dem Ausgang 12 des Inverters 1. Der Ausgang 13 wird in dieser Variante nicht benötigt, demgemäß kann die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 9 und 10 in der Ausführungsform des DC-DC-Wandlers entfallen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Steuersignale, welche von dem in 1 gezeigten Pulsweitenmodulator 4 zum Ansteuern der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, 9 und 10 erzeugt werden können. Die Steuersignale sind in einem Diagramm dargestellt, bei dem eine Abszisse 26 eine Zeitachse repräsentiert und eine Ordinate 27 eine Amplitudenachse.
3 zeigt auch ein positives Steuersignal 29 und ein negatives Steuersignal 30 einer Pulsweitenmodulationssteuerung, erzeugt durch den Pulsweitenmodulator 4 in 1. 3 zeigt auch ein dreieckförmiges Trägersignal 28, welches einen Zeittakt zum Steuern des Pulsweitenmodulators 4 bildet und welches beispielsweise durch einen Zeitgeber 58 erzeugt werden kann, welcher mit dem Pulsweitenmodulator 4 verbunden sein kann. Der Zeitgeber 58 ist in 1 schematisch dargestellt und kann zum Erzeugen eines Zeittaktes für das dreieckförmige Trägersignal beispielsweise einen Schwingquarz aufweisen.
3 zeigt auch drei sinusförmige Ausgangssignale 31, 32 und 33, welche in diesem Ausführungsbeispiel zeitabschnittsweise dargestellt sind.
Das Ausgangssignal 31 kann beispielsweise von dem Inverter 1 am Ausgang 13 bereitgestellt werden, das Ausgangssignal 32 am Ausgang 11 und das Ausgangssignal 33 am Ausgang 12.
Dargestellt ist auch ein High-Side-Steuersignal 34, erzeugt durch den Pulsweitenmodulator 4 in 1, zum Ansteuern des Halbleiterschalters 5, ein Low-Side-Steuersignal 35, erzeugt durch den Pulsweitenmodulator 4, zum Ansteuern des Halbleiterschalters 6, ein High-Side-Steuersignal 36 zum Ansteuern des Halbleiterschalters 7, ein Low-Side-Steuersignal 37 zum Ansteuern des Halbleiterschalters 8, ein High-Side-Steuersignal 38 zum Ansteuern des Halbleiterschalters 9 und ein Low-Side-Steuersignal 39 zum Ansteuern des Halbleiterschalters 10.
Die Halbleiterschalter, welche gemeinsam eine Halbbrücke bilden, werden in diesem Ausführungsbeispiel – gesteuert durch den Pulsweitenmodulator 4 – gemeinsam und gleichzeitig während eines Shoot-Through-Intervalls 40 in den Shoot-Through gesteuert.
Dargestellt sind noch weitere Shoot-Through-Zeitintervalle 41, 42, 43, 44 und 45, während derer jeweils alle Halbbrücken durch den Pulsweitenmodulator 4 in den Shoot-Through gesteuert sind. Die Steuerung sämtlicher Halbbrücken gleichzeitig in den Shoot-Through während der Shoot-Through-Zeitintervalle wird von der Steuereinheit 3 in Abhängigkeit des eingangsseitigen Stromsignals bewirkt, wobei das Stromsignal in diesem Ausführungsbeispiel einen Laststrom in einem vorbestimmten Laststromintervall repräsentiert.
6 zeigt beispielhaft ein Laststromintervall 56 zu der in 3 gezeigten Ansteuerung.
4 zeigt die in 3 bereits dargestellten Ausgangssignale 31, 32 und 33, das dreieckförmige Steuersignal 28 und die in 3 bereits dargestellten Steuersignale 34, 35, 36 und 37 zum Ansteuern der ersten und zweiten Halbbrücke des Inverters 1 in 1.
Anders als in 3 sind durch den Pulsweitenmodulator 4 in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals nur die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 5 und 6 und die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 7 und 8, gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand während der Shoot-Through-Zeitintervalle 40’, 41’, 42’, 43’, 44’ und 45’ durchgeschaltet.
Der Pulsweitenmodulator 4 in 1 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals die Halbleiterschalter 9 und 10, welche die zuvor erwähnte dritte Halbbrücke des Inverters 1 bilden, mittels eines Steuersignals 38’ für den Halbleiterschalter 9 und eines Steuersignals 39’ für den Halbleiterschalter 10 derart durchzusteuern, dass die Ausgangssignale 31, 32 und 33 unverändert bleiben, jedoch die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 9 und 10 nicht in den Shoot-Through durchgeschaltet sind. Dadurch wird ein Wirkungsgrad des Inverters 1 – wie im Folgenden in 6 näher erläutert –, beeinflusst.
5 zeigt von dem Pulsweitenmodulator 4 in 1 erzeugte Steuersignale zum Ansteuern der bereits erwähnten Halbleiterschalter in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals, wobei die Halbleiterschalter 5 und 6 in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand während der in 5 dargestellten Shoot-Through-Zeitintervalle 40’’, 41’’, 42’’, 43’’, 44’’ und 45’’ geschaltet sind.
Die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 7 und 8 werden mittels eines Steuersignals 36’ für den Halbleiterschalter 7 und mittels eines Steuersignals 37’ für den Halbleiterschalter 8 derart angesteuert, dass die Ausgangssignale 31, 32 und 33 unverändert sind, die Halbleiterschalter jedoch nicht während der Shoot-Through-Zeitintervalle 40’’, 41’’, 42’’, 43’’, 44’’ und 45’’ in den Shoot-Through-Zustand geschaltet sind.
Der Pulsweitenmodulator 4 ist ausgebildet, für den Halbleiterschalter 9 ein Steuersignal 38’ und für den Halbleiterschalter 10 ein Steuersignal 39’ zu erzeugen, welche in 3 bereits dargestellt und erläutert worden sind. Der Pulsweitenmodulator 4 ist ausgebildet, nur einen Teil der Halbbrücken, in dem in 5 gezeigten Beispiel nur die Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 5 und 6, in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals in den Shoot-Through zu schalten. Das Stromsignal repräsentiert in dem Ausführungsbeispiel der 5 nur eine vorbestimmte, insbesondere geringe Belastung des Inverters 1.
6 zeigt ein Diagramm, in dem drei Kurven 48, 49 und 50 dargestellt sind, welche jeweils einen Wirkungsgrad des in 1 dargestellten Inverters 1 in Abhängigkeit des zuvor erwähnten Stromsignals repräsentieren, wobei das Stromsignal einen ausgangsseitig fließenden Laststrom des Inverters 1 repräsentiert.
Das Diagramm weist eine Abszisse 46 auf, welche den zuvor erwähnten Laststrom repräsentiert und eine Ordinate 47, welche einen Wirkungsgrad des zuvor erwähnten Inverters 1 repräsentiert.
Dargestellt ist auch ein Stromwert 51, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Strom von 10 Ampere repräsentiert, einen Stromwert 52, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Strom von 20 Ampere repräsentiert und einen Stromwert 53, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Strom von 45 Ampere repräsentiert. Zwischen dem Stromwert 51 und einem Schnittpunkt der Abszisse 46 und der Ordinate 47, welcher einen Nullwert des Diagramms repräsentiert, erstreckt sich das Stromwertintervall 54, zwischen dem Stromwert 51 und dem Stromwert 52 erstreckt sich ein Stromwertintervall 55 und zwischen dem Stromwert 52 und dem Stromwert 53 erstreckt sich ein Stromwertintervall 56.
Die in 1 dargestellte Steuereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, sämtliche Halbbrücken des Inverters 1, also die erste Halbbrücke, die zweite Halbbrücke und die dritte Halbbrücke des in 1 dargestellten Inverters 1, in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Stromsignals, welches einen Laststrom im Intervall 56 repräsentiert, gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand während des Shoot-Through-Intervalls wie das Shoot-Through-Intervall 40, 41, 42, 43, 44 oder 45 wie in 3 dargestellt, zu schalten.
Während des Stromwertintervalls 55, welches sich zwischen dem Stromwert 51 von 10 Ampere und dem Stromwert 52 von 20 Ampere erstreckt, werden von der Steuereinheit 2 nur die erste Halbbrücke und die zweite Halbbrücke des Inverters 1 gemeinsam während der zuvor erwähnten Shoot-Through-Zeitintervalle gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand geschaltet.
Während des Stromwertintervalls 54, welches sich zwischen dem Stromwert 51 von 10 Ampere und dem Ursprung von 0 Ampere erstreckt, wird nur die erste Halbbrücke umfassend die Halbleiterschalter 5 und 6 in Abhängigkeit des Stromsignals während der zuvor erwähnten Shoot-Through-Zeitintervalle in den Shoot-Through-Zustand geschaltet.
Sichtbar ist in 6, dass der Wirkungsgrad des Inverters 1, repräsentiert durch die Kurven 48, 49 und 50, mittels der wie zuvor beschrieben gebildeten, gestuften Ansteuerung der Halbbrücken in den Shoot-Through-Zustand verbessert sein kann.
Die Kurve 50, welche einen Wirkungsgrad des Inverters 1 repräsentiert, bei dem alle drei Halbleiterschalter gemeinsam in den Shoot-Through geschaltet werden, erreicht ihren Maximalwert im Stromwertintervall 56. Die Kurve 49, welche einen Wirkungsgrad des Inverters 1 repräsentiert, bei dem nur zwei der drei Halbbrücken gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand geschaltet sind, erreicht ihren Maximalwert im Stromwertintervall 55. Die Kurve 48, welche einen Wirkungsgrad des Inverters 1 repräsentiert, bei dem nur eine Halbbrücke in den Shoot-Through-Zustand geschaltet ist, hat ihren Maximalwert im Stromwertintervall 54.
Der maximale Wirkungsgrad der Kurven 48, 49 und 50 liegt in diesem Ausführungsbeispiel in den jeweiligen Stromwertintervallen bei jeweils mehr als 80 Prozent.
Würde der Inverter 1 – wie die Kurve 50 zeigt – stets bei sämtlichen Lastströmen mit sämtlichen Halbbrücken in den Shoot-Through-Zustand gesteuert werden, so ergibt sich im Stromwertintervall 54 und im Stromwertintervall 55 ein deutlich schlechterer Wirkungsgrad, als im Falle der Ansteuerung mit nur einer Halbbrücke im Shoot-Through im Stromwertintervall 54, oder im Falle der Ansteuerung von zwei Halbbrücken in den Shoot-Through-Zustand im Stromwertintervall 55. Sichtbar ist auch, dass bei der Ansteuerung von nur einer Halbbrücke in den Shoot-Through-Zustand der Wirkungsgrad des Inverters, repräsentiert durch die Kurve 48, im Intervall 55 und im Intervall 56 weiter abnimmt, sodass in den Intervallen 55 und 56 eine Ansteuerung in den Shoot-Through-Zustand von zwei oder drei Halbbrücken vorteilhaft einen größeren Wirkungsgrad des Inverters 1 bewirkt.

Claims

Z-Source-Inverter (1), mit wenigstens zwei mit einer Induktivität verbunden Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10), wobei der Z-Source-Inverter (1) eine mit Steueranschlüssen der Halbbrücken verbundene Steuereinheit (3) aufweist, welche ausgebildet ist, die Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) zum Erzeugen einer Wechselspannung anzusteuern, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die wenigstens eine der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) zum Aufladen der Induktivität mit einem Shoot-Through-Signal in einen Shoot-Through-Zustand (40, 41, 42, 43, 44, 45) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Z-Source-Inverter (1) einen Stromsensor (60) aufweist, welcher ausgebildet ist, einen durch einen mit dem Inverter (1) ausgangsseitig verbundenen Verbraucher (14, 23) fließenden Laststrom zu erfassen und ein den Laststrom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen, und die Steuereinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Stromsignals das Shoot-Through-Signal wenigstens für einen Teil der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) zu erzeugen.
Z-Source-Inverter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ausgebildet ist, in Anhängigkeit eines durch das Stromsignal repräsentierten vorbestimmten Laststromwertes (51, 52, 53) bei einem Strom kleiner als dem Laststromwert (51, 52, 53) nur einen Teil der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern, und bei einem Strom größer als dem Laststromwert (51, 52, 53) eine größere Anzahl der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) als der Teil der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit einem Shoot-Through-Signal anzusteuern.
Z-Source-Inverter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Stromsignals entweder einen Teil der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10), oder alle Hallbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern.
Z-Source-Inverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ausgebildet ist, in aufeinanderfolgenden Taktperioden zueinander verschiedene Gruppen von Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) in Abhängigkeit des Stromsignals anzusteuern.
Z-Source-Inverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt der Shoot-Through-Ansteuerung innerhalb einer Taktperiode und einem Beginn der Taktperiode bei einer zeitlichen Folge von Taktperioden und bei der Ansteuerung sämtlicher der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) in jeder Taktperiode jeweils unverändert ist.
Z-Source-Inverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der von der Steuereinheit (3) in jeder Taktperiode erzeugten Shoot-Through-Signale bei einer zeitlichen Folge aufeinanderfolgender Taktperioden unverändert ist.
Z-Source-Inverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Z-Source-Inverter (1) wenigstens drei Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfasst.
Z-Source-Inverter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Stromsignals nur eine Halbbrücke (5, 6, 7, 8, 9, 10), zwei der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) gemeinsam oder alle der wenigstens drei Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) gemeinsam mit dem Shoot-Through-Signal anzusteuern.
Verfahren zum Ansteuern eines Z-Source-Inverters, welcher wenigstens zwei Halbleiterschalter-Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufweist, und bei dem wenigstens eine Halbbrücke (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Halbleiterschalter-Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) zum Aufladen einer Induktivität des Inverters (1) mit einem Shoot-Through-Signal in einen Shoot-Through-Zustand (40, 41, 42, 43, 44, 45) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitig durch einen mit dem Z-Source-Inverter (1) verbundenen Verbraucher (14, 23) fließender Laststrom erfasst wird und die in Abhängigkeit des Laststroms eine Anzahl der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit einem Shoot-Through-Signal zum Durchsteuern der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) auf die Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem in Abhängigkeit eines vorbestimmten Laststromwertes bei einem Laststrom kleiner als dem Laststromwert (51, 52, 53) nur eine oder ein Teil der Halbbrücken gemeinsam zum Shoot-Through angesteuert werden und bei einem Strom größer als dem Stromwert ein größerer Teil der Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) als der Teil der Halbbrücken(5, 6, 7, 8, 9, 10), oder alle Halbbrücken (5, 6, 7, 8, 9, 10) gemeinsam in den Shoot-Through-Zustand (40, 41, 42, 43, 44, 45) angesteuert werden.