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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern von Schaltelementen eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last.
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Schaltmodule einer Leistungselektronik in Umrichtern oder Umrichtersystemen, insbesondere für die Nutzung in Antriebssystemen, werden meist nach theoretischen Modellen ausgelegt. Dabei wird ein langjähriger Belastungsverlauf zugrunde gelegt, wobei maximale Strombelastungen der einzelnen Schaltmodule entsprechend dem Belastungsverlauf festgelegt werden. Die Erkennung einer Überdimensionierung oder einer Unterdimensionierung der Schaltelemente ist im Betrieb nicht feststellbar, da es hierzu erforderlich wäre, die Temperaturen der Schaltmodule sowie deren jeweilige Stromprofile zu kennen. Eine Messung dieser beiden Betriebsparameter während des Betriebs wird jedoch nicht vorgenommen. Weicht nun das tatsächliche Belastungsprofil von dem für die Auslegung herangezogenen Belastungsprofil ab, so besteht keine Möglichkeit, die aktuelle, tatsächliche Belastung der Schaltmodule direkt zu ermitteln. Unter ungünstigen Umständen können dabei jedoch Probleme hinsichtlich der Alterung einzelner Schaltmodule und damit der Lebensdauer dieser Schaltmodule und des Umrichters im Gesamten auftreten.
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Es wäre wünschenswert, die tatsächliche Belastung der einzelnen Schaltmodule eines Umrichters während des Betriebs zur Erkennung von Einzelmodulüberlastungen zu kennen, um die Möglichkeit einer Alterungsanalyse und einer Lebensdauerprognose vornehmen zu können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last anzugeben, welche baulich und/oder funktionell derart verbessert sind, dass eine Alterungsanalyse sowie eine Lebensdauerprognose der einzelnen Komponenten des Umrichters ermöglicht werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last vorgeschlagen. Zur Durchführung des Verfahrens umfasst der Umrichter eine Anzahl an Schaltelementen, die in zumindest zwei, insbesondere parallelen, Zweigen verschaltet sind. Weiter umfasst der Umrichter eine Umrichtersteuerung zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen gemäß einem vorgegebenen Schaltzustandsmuster. Das Schaltzustandsmuster umfasst zumindest zwei unterschiedliche Schaltzustände des Umrichters, wobei ein Schaltzustand zu einem gegebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend geschalteten Schaltelementen und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen umfasst. Ferner umfasst der Umrichter eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zugeordneten Schaltelements eine zwischen dessen Kollektor und Emitter anliegende Kollektor-Emitterspannung zu messen oder ermitteln. Es versteht sich, dass unter dem Begriff „im Betrieb des zugeordneten Schaltelements“ ein leitend geschaltetes Schaltelement zu verstehen ist.
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Bei dem Verfahren wird als Schritt a) einmalig für jedes der Schaltelemente eine temperaturabhängige Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar ermittelt und in einer zentralen Recheneinheit des Umrichters gespeichert. Die Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar wird vor der erstmalingen Inbetriebnahme des Umrichters für jedes der Schaltelemente, beispielsweise durch Versuche, charakterisiert. In einem Schritt b) werden im Betrieb für einen ersten Schaltzustand für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente die Kollektor-Emitter-Spannungen ermittelt und aus durch Messung und/oder Berechnung bekannten Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente für jedes der leitend geschalteten Schaltelemente als Betriebsparameter ein durch das jeweilige Schaltelement fließender Strom und/oder die Temperatur ermittelt. Schritt b) wird iterativ für zumindest einen zweiten Schaltzustand wiederholt, bis sämtliche Schaltmuster bis zum Erreichen des zweiten Schaltmusters wieder erreicht sind, und damit alle Schaltelemente zumindest einmal leitend geschaltet waren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, aus wenigen bekannten Betriebsparametern einzelner Schaltelemente, welche entweder durch eine Messung und/oder durch eine Berechnung bekannt sind, im Betrieb des Umrichters jeweils alle im Betrieb durch die einzelnen Schaltelemente fließenden Schaltelementströme und Schaltelementtemperaturen zu ermitteln, die für eine messtechnisch basierte Alterungsanalyse des gesamten Umrichters erforderlich sind. Aus einer größeren Anzahl über einen längeren Zeitraum gemessenen und errechneten Schaltelementströmen und Schaltelementtemperaturen kann so eine relevante Lebensdauerprognose für jedes einzelne Schaltelement erzeugt werden. Dies ermöglicht es, den Umrichter und dessen Schaltelemente höheren Betriebsbelastungen auszusetzen sowie nahezu die volle Schaltelementlebensdauer zu nutzen.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird aus der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar bei bekannter Kollektor-Emitter-Spannung und bekannter Temperatur eines jeweiligen Schaltelements auf den durch ihn fließenden Strom geschlossen. Alternativ oder zusätzlich kann aus der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar bei bekannter Kollektor-Emitter-Spannung und bekanntem Strom eines jeweiligen Schaltelements auf dessen Temperatur geschlossen werden.
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Sind somit zwei der drei ein Schaltelement charakterisierenden Größen (die Kollektor-Emitter-Spannung, der durch das Schaltelement fließende Strom und die Betriebstemperatur) bekannt, so kann aus der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar der dritte, fehlende Betriebsparameter ermittelt werden. Dadurch, dass jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, ist in jedem Fall die Kollektor-Emitter-Spannung eines jeden der Schaltelemente des Umrichters bekannt.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann aus der Schaltungstopologie des Umrichters und der Last eine Stromaufteilung in den Zweigen zu einem jeweils betrachteten Zeitpunkt ermittelt werden. Die Stromaufteilung in den Zweigen der Schaltungstopologie ermöglicht es, bei Kenntnis lediglich eines einzigen Stromes auf Ströme in einem oder mehreren anderen Zweigen zu schließen. Dadurch können durch sukzessives Messen und Kenntnis der Schaltzustände die fehlenden Betriebsparameter eines jeden Schaltelements ermittelt werden.
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In einer ersten Variante kann als bekannter Betriebsparameter ein durch Messung ermittelter Temperaturwert eines der Schaltelemente verarbeitet werden. Hierzu kann beispielsweise bei einem der Schaltelemente ein interner Temperatursensor vorgesehen werden. Unabhängig von der gesamten Anzahl der Schaltelemente des Umrichters ist es dabei ausreichend, lediglich eines der Schaltelemente mit dem Temperatursensor zu versehen. Dadurch kann der Umrichter mit geringen Kosten bereitgestellt werden.
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Alternativ kann als bekannter Betriebsparameter zumindest ein in einem Zweig des Umrichters oder in einem Zweig der Last fließender Strom gemessen und verarbeitet werden. Die Anzahl der hierzu notwendigen Stromsensoren bemisst sich nach der Anzahl der Zweige des Umrichters. Im Falle eines Drehstromumrichters sind zwei Stromzweige mit einem Stromsensor zu versehen, um entsprechende Ströme erfassen zu können.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann als bekannter Betriebsparameter das relative Verhältnis der Stromaufteilung in zumindest zwei Zweigen des Umrichters bei gleichzeitiger Annahme von gleichen Temperaturen der Schaltelemente verarbeitet werden. Auch wenn hierbei kein einziger Temperaturwert in konkreter Höhe bekannt ist, kann unter Nutzung der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar durch entsprechende Verrechnung auf die zu ermittelnden Ströme durch die jeweiligen Schaltelemente geschlossen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Anzahl an Schaltelementen, die in zumindest zwei Zweigen verschaltet sind. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Umrichtersteuerung zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen gemäß einem vorgegebenen Schaltzustandsmuster, wobei das Schaltzustandsmuster zumindest zwei unterschiedliche Schaltzustände des Umrichters erfasst und wobei ein Schaltzustand zu einem gegebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend geschalteten Schaltelementen und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zugeordneten Schaltelements eine zwischen dessen Kollektor und Emitter anliegende Kollektor-Emitter-Spannung zu messen oder ermitteln. Eine zentrale Recheneinheit der Vorrichtung weist einen Speicher auf, indem für jedes der Schaltelemente eine temperaturabhängige Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar gespeichert ist. Die zentrale Recheneinheit ist dazu ausgebildet, im Betrieb für jeden Schaltzustand für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente (d.h. im Durchlassfall) die Kollektor-Emitter-Spannung zu ermitteln und aus durch Messung und/oder Berechnung bekannten Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente für jedes der leitend geschalteten der Schaltelemente als Betriebsparameter einen durch das jeweilige Schaltelement fließenden Strom und/oder die Temperatur zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf, wie diese vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
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Eines der Schaltelemente kann gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung einen internen Temperatursensor aufweisen. Es ist ausreichend, wenn, unabhängig von der Anzahl der Schaltelemente des Umrichters, lediglich ein einziges der Schaltelemente den internen Temperatursensor aufweist. Schaltelemente mit internem Temperatursensor sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst ein Schaltelement zumindest eines der Zweige ein internes Strommessmittel. Eine Strommessung kann beispielsweise an bzw. mit Hilfe der parasitären Zuleitungsinduktivität des betreffenden Schaltelements erfolgen, indem das Spannungsintegral während eines Stromimpulsanstiegs ermittelt wird, das direkt proportional zum Impulsstrom ist. Obwohl nur steile Stromschaltflanken korrekt gemessen werden können, ist dies bei einem Umrichter mit schnell schaltenden Schaltelementen problemlos möglich.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst einer der Zweige des Umrichters ein externes Strommessmittel. Beispielsweise kann das externe Strommessmittel an den Phasen zur Last angeordnet sein. Die Anzahl der externen Strommessmittel bemisst sich nach der Anzahl der Phasen. Es ist ausreichend, wenn lediglich eine Teilanzahl an Phasen mit einem externen Strommessmittel versehen ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Schaltelemente IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFETs (Junction Field Effect Transistor) oder MOSFETs (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Letztere können als Halbleiterschaltelemente oder als Silizium-Carbid- oder Gallium-Nitrit-Schaltelemente ausgebildet sein. IGBTs weisen den Vorteil auf, dass diese typischerweise bereits über eine Schutzschaltung verfügen, welche es ermöglicht, im Durchlassfall die Kollektor-Emitter-Spannung zu ermitteln. Diese Spannung wird typischerweise dazu verwendet, ein unerwünschtes Verhalten bzw. einen unerwünschten Schaltzustand zu detektieren und, wenn ein solcher unerwünschter Fall in Form eines Überlaststroms vorliegt, den IGBT zuverlässig abzuschalten. Hierzu verfügt ein IGBT über einen Messkreis, welcher an Kollektor- und Hilfsemitteranschlüsse angeschlossen ist. Anstelle die hier anliegenden Potenziale zur Kurzschlusserkennung zu nutzen, werden diese den jeweiligen, zugeordneten Spannungsmessmitteln zugeführt, um die Kollektor-Emitter-Spannung zu messen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die zentrale Recheneinheit in einem digitalen Treiber eines der Schaltelemente verwirklicht, der mit jeweiligen digitalen Treibern der übrigen Schaltelemente kontaktlos oder leitungsgebunden Daten austauschen kann. Alternativ kann die zentrale Recheneinheit auch außerhalb des Umrichters angeordnet sein und ist zu diesem Zweck zum Datenaustausch in geeigneter Weise mit den Treibern der Schaltelemente verbunden.
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Der Umrichter stellt insbesondere einen Drehstromumrichter mit zwei Zweigen dar. Wahlweise kann dieser als 2-Level- oder als 3-Level-Drehstromumrichter ausgebildet sein.
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Die Erfindung basiert auf der Überlegung, im Betrieb des Umrichters die Kollektor-Emitter-Spannungen im Durchlassfall von allen Schaltelementen zu ermitteln. Werden als Schaltelemente IGBTs verwendet, so können hierzu als jeweilige Messkreise heute bereits vorhandene Stromquellenkreise zur Kurzschlusserkennung genutzt werden. Ein Schaltelement kann auch mehrere parallel geschaltete Einzelschalter in Modulbauweise umfassen.
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Daneben wird die temperaturabhängige Kollektorspannungs-/Emitter-Kennlinienschar für jeden Schalttransistor ermittelt und in einer zentralen Recheneinheit gespeichert. Anschließend erfolgt eine Messung einzelner Betriebsparameter in unabhängigen Schaltzuständen des Umrichters. Dabei müssen alle Zweige des Umrichters in den unabhängigen Schaltzuständen wenigstens einmal bestromt werden. Anschließend ist es möglich, durch Verarbeitung sämtlicher, gesammelter Betriebsparameter die fehlenden Betriebsparameter für sämtliche Schaltelemente zu ermitteln.
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Die Erfindung lässt sich insbesondere bei der Verwendung von digitalen Treibern für die Schaltelemente besonders einfach verwirklichen. Der digitale Treiber kann mit einer digitalen Steuerung zur Realisierung der Spannungsmessung, Verarbeitung und Speicherung versehen werden. Insbesondere ermöglicht es ein digitaler Treiber, Daten mit anderen digitalen Treibern des Umrichters auszutauschen, um anhand der gesammelten Betriebsparameter sämtliche Betriebsparameter eines jeweiligen Schaltelements zu bestimmen. Insbesondere erlaubt es die Kommunikation der Treiber untereinander bzw. der zentralen Recheneinheit, zu passenden Schaltzeitpunkten die Betriebsparameter zu ermitteln, welche eine fundierte Alterungsanalyse einzelner Schaltelemente und damit auch eine aktuelle Lebensdauerprognose des gesamten Umrichters ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß einer ersten Alternative ermittelt werden können;
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß einer zweiten Alternative ermittelt werden können;
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß einer dritten Alternative ermittelt werden können;
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4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß einer vierten Alternative ermittelt werden können;
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5 eine erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß der ersten Variante ermittelt werden können;
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6 eine zweite erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß der zweiten Variante ermittelt werden können;
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7 eine dritte erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß der dritten Variante ermittelt werden können; und
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8 eine vierte erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparameter gemäß der vierten Variante ermittelt werden können.
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In den nachfolgenden Figuren werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters zum Ansteuern einer Last beschrieben. Der Umrichter 10 ist in den 1 bis 4, die eine erste Ausgestaltungsvariante zeigen, beispielhaft als Drehstrombrücke (sog. 2-Level-Umrichter) ausgebildet. Der Umrichter in den übrigen Figuren ist in Gestalt eines Dreipunktumrichters (3-Level-Umrichter) realisiert. Auch andere Schaltungstopologien sind möglich.
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Der Drehstromumrichter 10 der 1 bis 4 umfasst in einer dem Fachmann bekannten Weise sechs Schaltelemente S1, ..., S6. Beispielhaft sind die Schaltelemente S1, ..., S6 als IGBTs (Insolated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet. Grundsätzlich könnten als Schaltelemente auch Feldeffekt-gesteuerte Halbleiterschaltelemente oder andere Arten von Bipolartransistoren zum Einsatz kommen. Ebenso kann, wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem Schaltelement die Rede ist, dieses durch eine Gruppe von, z.B. parallel miteinander verschalteten Schaltern, realisiert sein.
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Die Drehstrombrücke 10 umfasst drei parallel an Versorgungspotentialanschlüsse 13, 14 angeschlossene Zweige 15, 16, 17. In dem ersten Zweig 15 sind die Schaltelemente S1 und S2 seriell miteinander zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem zweiten Zweig 16 sind die Schaltelemente S3 und S4 seriell zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem dritten Zweig 17 sind die Schaltelemente S5 und S6 zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13 und 14 verschaltet. An dem Versorgungspotentialanschluss 13 liegt dabei ein positives Spannungspotential, an dem Versorgungspotentialanschluss 14 ein negatives Spannungspotential an. Zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 liegt eine Gleichspannung UDC an, welche beispielsweise von einem Energiespeicher oder einem Energieversorgungsnetz mit entsprechender Gleichrichteranordnung bereitgestellt wird.
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Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S1, S2 bzw. S3, S4 bzw. S5, S6 sind jeweils mit einer dreiphasigen Last 20, z.B. einer Antriebsmaschine, verbunden. Die Last 20 weist drei Phasen R, S und T auf. Die Phase R ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S1 und S2 des ersten Zweigs 15 angeschlossen. Die Phase S ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S3 und S4 des zweiten Zweigs 16 angeschlossen. Die dritte Phase T ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S5 und S6 des dritten Zweigs 17 angeschlossen. Die Last 20 weist in jeder Phase R, S, T im Ersatzschaltbild eine Induktivität LR, LS, LT und einen Widerstand RR, RS und RT auf bzw. ist durch diese elektrisch charakterisiert. Die drei Phasen R, S, T der Last 20 sind an einem Sternpunkt 24 der Last 20 elektrisch miteinander verbunden.
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Bei den Schaltelementen S1, ..., S6 handelt es sich, wie bereits beschrieben, um IGBTs. Ein jeweiliger Kollektoranschluss ist der Einfachheit halber lediglich in 1 mit dem Bezugszeichen C und ein jeweiliger Emitteranschluss mit dem Bezugszeichen E gekennzeichnet. Ein Steueranschluss (Basis) ist dem Bezugszeichen B gekennzeichnet. Die Kollektoranschlüsse C der Schaltelemente S1, S3 und S5 sind mit dem Versorgungspotentialanschluss 13 verbunden. Der Versorgungspotentialanschluss 14 ist mit den Emitteranschlüssen E der Schaltelemente S2, S4 und S6 verbunden.
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Ferner sind jeweilige parasitäre Induktivitäten L1, ..., L6 der Schaltelemente S1, ..., S6 dargestellt. Ebenso sind parasitäre Dioden D1, ..., D6, welche parallel zur Laststrecke zwischen jeweiligen Kollektor C und Emitter E verschaltet sind, dargestellt.
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Jedes der Schaltelemente S1, ..., S6 weist darüber hinaus, wie dies für IGBTs typisch ist, einen Hilfs-Kollektoranschluss CAUX und einen Hilfs-Emitteranschluss EAUX auf. Zwischen dem Hilfs-Kollektoranschluss CAUX und dem Hilfs-Emitteranschluss EAUX wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung UCE1, ... UCE6 ermittelt. Als Spannungsmessmittel (Messkreis) kann hierzu beispielsweise ein auf dem Treiber eines IGBTs heute bereits vorhandener Stromquellenkreis zur Kurzschlusserkennung genutzt werden. Bislang erfolgt jedoch keine Messung der Kollektor-Emitterspannung, sondern die am Kollektor anliegende Spannung wird daraufhin überwacht, ob diese im Falle eines Kurzschlusses eine vorgegebene Spannung übersteigt, um dann durch entsprechende Ansteuerung des IGBTs diesen sperrend zu schalten. Die Kurzschlussdetektion erfolgt mit einer dem Fachmann bekannten Stromquellenschaltung.
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Die Spannungsmessmittel 12, welche der Übersichtlichkeit halber lediglich für die Schaltelemente S1 und S2 eingezeichnet sind, können weitgehend in digitaler Form auf dem Leistungstreiber des zugeordneten Schaltelements S1, ..., S6 realisiert sein.
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Die im Durchlassfall durch die Spannungsmessungsmittel 12 ermittelten Kollektor-Emitter-Spannungen UCE1, ..., UCE6 werden einer zentralen Recheneinheit 30 zur nachfolgend näher beschriebenen Auswertung übermittelt. Die zentrale Recheneinheit 30 kann, wie dies in den 1 bis 4 dargestellt ist, eine von den Spannungsmessmitteln 12 unabhängige Recheneinheit sein. Sie kann auch auf einem der Treiber der Schaltelemente S1, ..., S6 verwirklicht sein. Es versteht sich, dass zum Austausch von Daten zwischen der zentralen Recheneinheit 30 und den, den Schaltelementen S1, ..., S6 zugeordneten, Spannungsmessmitteln 12 entsprechende Kommunikationspfade vorgesehen sein müssen. Diese können kontaktbehaftet oder kontaktlos realisiert sein.
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Die Ansteuerung der Schaltelemente S1, ..., S6 gemäß einem vorgegebenen Schaltzustandsmuster erfolgt mittels einer Umrichtersteuerung 11. Diese weist entsprechende Steuerausgänge B(S1), ..., B(S6) auf, um die jeweiligen Steueranschlüsse B der Schaltelemente S1, ..., S6 entsprechend leitend oder sperrend zu schalten. Der Übersichtlichkeit halber sind die Ausgänge der Umrichtersteuerung 11 in der zeichnerischen Darstellung nicht mit den entsprechenden Steueranschlüssen B der Schaltelemente S1, ..., S6 verbunden.
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Mit den nachfolgend für die unterschiedlichen Ausführungsvarianten näher beschriebenen Vorgehen zur Ermittlung von Messwerten der aktuellen Transistorströme I1, ..., I6 und der zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs herrschenden Schaltelementtemperaturen T1, ..., T6 ist es möglich, eine Alterungsanalyse vorzunehmen, um basierend darauf eine aktuelle Lebensdauerprognose zu erstellen. Die genaue Kenntnis der Betriebsparameter ermöglicht es darüber hinaus, die Leistung der Schaltelemente optimiert zu maximieren, ohne hierbei die Gefahr einer Schädigung oder eines Ausfalls des Umrichters zu riskieren.
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Zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsparameter I1, ..., I6 und T1, ..., T6 ist die Kenntnis der Kollektor-Emitter-Spannungen UCE1, ..., UCE6 im Durchlassfall (d.h. das betreffende Schaltelement ist leitend geschaltet) erforderlich. Wie beschrieben, erfolgt die Erfassung durch die Spannungsmessmittel 12. Weiterhin ist eine temperaturabhängige Kollektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar UCE/ICE (T)-Kennlinienschar für jeden Schalttransistor, z.B. durch entsprechende Charakterisierung bei der Inbetriebnahme bekannt, und vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit 30 gespeichert.
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Die Ermittlung der Betriebsparameter erfolgt in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils mit Hilfe zusätzlich bekannter, lokal vorhandener Teilinformationen über Betriebsparameter.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird davon ausgegangen, dass eines der Schaltelemente S1, ..., S6 mit einem (internen) Temperatursensor versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Schaltelement S6 den nicht näher dargestellten Temperatursensor aufweisen. Damit ist es möglich, für das Schaltelement S6 im Betrieb des Umrichters dessen Temperatur T6 zu messen. Aus der Schaltungstopologie des Umrichters 10 und der Last 20 ist darüber hinaus bekannt, dass der jeweilige Strom durch die Drehstrombrücke nur von drei Schaltelementen gleichzeitig geführt wird und dass er sich in einem bestimmten, festen Verhältnis aufteilt. Dies wird als ein Schaltzustand des vorgegebenen Schaltzustandsmusters des Umrichters 10 bezeichnet. Die Schaltzustände, deren Zeitpunkte und die Stromaufteilung sind in der Recheneinheit hinterlegt. Beispielsweise sind zu einem gegebenen Zeitpunkt das Schaltelement S1 sowie die Schaltelemente S4 und S6 leitend geschaltet. Der Strom teilt sich im Verhältnis I(S1):I(S4):I(S6) = 1:0,5:0,5 auf. Die Stromaufteilung ergibt sich dadurch, dass der im Knoten 24 der Last 20 von dem Zweig R kommende Strom I1 sich in einem vorgegebenen Verhältnis auf die beiden anderen Zweige S und T und damit entsprechend durch die Schaltelemente S4 und S6 aufteilen muss.
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Am Schaltelement S6 mit der bekannten Temperatur T6 kann aus der zugehörigen gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung UCE6 aus der Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar der über das Schaltelement S6 geführte Strom I6 errechnet werden. Aus diesem Stromwert I6, der Kenntnis des aktuellen Schaltzustands (d.h. der gerade leitend geschalteten Schaltelemente S1 und S4) und dem Verhältnis der Ströme I1:I4 = 1:0,5 können die Ströme I1 und I4 ermittelt werden. Der Strom I4 muss aufgrund der gegebenen Stromaufteilung dem ermittelten Strom I6 entsprechen. Der Strom I1 entspricht der Summe der beiden Ströme I4 und I6. Aus der jeweiligen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar kann dann auf die entsprechende Temperatur T1 und T4 der Schaltelemente S1 und S4 geschlossen werden.
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Sukzessive können beim nächsten, unabhängigen Schaltzustand die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungen an den Strom führenden Schaltelementen gemessen werden. Der nächste Schaltzustand kann beispielsweise die Schaltelemente S3 sowie S2 und S6 leitend schalten. Es sind wiederum die Stromaufteilung I(S3):I(S2):I(S6) = 1:0,5:0,5 sowie die Temperatur T6 des Schaltelements S6 bekannt. In der oben beschriebenen Weise können dann die fehlenden Betriebsparameter I2, I3, T2, T3 für die Schaltelemente S3 und S2 ermittelt werden.
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Insgesamt sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei unabhängige, gemessene Schaltzustände in der Drehstrombrücke 10 erforderlich, in denen die Messungen an den stromführenden Transistoren erfolgen müssen, um alle Temperaturen T1, ..., T6 und alle Ströme I1, ..., I6 errechnen zu können.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind zumindest zwei der Zweige (Phasen) R, S, T mit einem externen Stromsensor 21, 22, 23 versehen. Im Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Ströme IR_ext und IS_ext in den Phasen R und S gemessen werden. Der externe Stromsensor, der mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet ist und in der Phase T liegt, wird zur Bestimmung der Betriebsparameter nicht benötigt, da aufgrund der Schaltungstopologie und der Stromaufteilung die Verwendung zweier externer Stromsensoren ausreichend ist. Die externen Stromsensoren können beispielsweise in Gestalt von Hallsensoren realisiert sein und sind typischerweise in einem Umrichter 10 von Haus aus vorhanden. Der durch den Zweig T fließende Strom ergibt sich bei bekannten Strömen in den Zweigen R und S aus der Gleichung IR + IS + IT = 0.
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Aus diesen Stromwerten, der Kenntnis des aktuellen Schaltzustands (auch Pulsmuster genannt) und der Schaltungstopologie der Drehstrombrücke 10 sowie der Last 20 können zunächst die drei stromführenden Transistoren gefunden werden. Dies seien beispielsweise wiederum die Schaltelemente S1, S4 und S6. Durch die Messung der Ströme in den Zweigen R und S sind die Ströme I1 und I4 der Schaltelemente S1 und S4 bekannt. Aufgrund des Schaltzustands und der bekannten Stromaufteilung kann der Strom I6 des Schaltelements S6 ermittelt werden. Da wiederum für alle leitend geschalteten Schaltelemente, hier S1, S4 und S6 die Kollektor-Emitter-Spannungen UCE1, UCE4 und UCE6 gemessen werden, können unter Verwendung der jeweiligen temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar die Temperaturen T1, T4 und T6 bestimmt werden.
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Sukzessive können bei den folgenden, weiteren unabhängigen Schaltzuständen die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungsmessungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden und die weiteren jeweiligen Brückenzweigströme und die Temperaturen dieser leitend geschalteten Schaltelemente ermittelt werden. Wiederum sind drei unabhängig gemessene Schaltzustände in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Drehstrombrücke 10 erforderlich, in denen die Messungen an den stromführenden Schaltelementen erfolgen müssen, um alle Betriebsparameter sämtlicher Schaltelemente S1, ..., S6 ermitteln zu können.
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Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Vorgehen dem in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei die Messung der Ströme hier nicht an den Zweigen zu der Last 20, sondern mittels interner Strommessmittel durchgeführt wird. Beispielhaft weisen die Schaltelemente S2 und S4 entsprechende Strommessmittel 18 und 19 in ihren Lastpfaden auf. Die Messung kann beispielsweise anhand einer parasitär erzeugten Emitter-Hilfsspannung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass an der parasitären Zuleitungsinduktivität L2 und L4 zu den Schaltelementen S2 und S4 jeweils das Spannungsintegral während eines Stromimpulsanstiegs erhoben wird, das direkt proportional zum Impulsstrom ist. Hierdurch ist es möglich, steile Stromschaltflanken korrekt zu messen. Ein gewisser Nachteil besteht bei Stromdauerwerten, was jedoch bei schnell schaltenden Leistungsmodulen in der Praxis nicht nachteilig ist.
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Unabhängig von dem hier beschriebenen Beispiel kann die interne Strommessung auch auf beliebige andere Weise erfolgen. Entsprechende Strommessmittel sind dem Fachmann bekannt.
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In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass alle Temperaturen T1, ..., T6 der Schaltelemente S1, ..., S6 gleich sind. Diese Annahme gilt beim Betrieb des Umrichters mit kleinen Frequenzen in einem Bereich von weniger als 5 kHZ bis 10 kHZ. Darüber hinaus sind wiederum die Kollektor-Emitter-Spannungen UCE1, ..., UCE6 der für einen bestimmten Schaltzustand leitend geschalteten Schaltelemente S1, ..., S6 bekannt. Aus dem für einen Schaltzustand bekannten Transistorstromverhältnis, der Annahme der gleichen Chiptemperatur (welche in absoluter Höhe nicht bekannt ist) können nun die drei stromführenden Transistoren gefunden werden. Aus den für diese elektrisch leitend geschalteten Schaltelemente vorgenommenen Kollektor-Emitter-Spannungsmessungen und der Annahme der gleichen Chiptemperatur können die Ströme durch die leitend geschalteten Schaltelemente unter Verwendung des temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar und des bekannten Stromverhältnisses errechnet werden.
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Sukzessive können bei den folgenden, weiteren Schaltzuständen die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungsmessungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden und die weiteren Ströme und Temperaturen errechnet werden. Auch hier ist die Betrachtung dreier unabhängiger Schaltzustände in der Drehstrombrücke erforderlich, in denen die Kollektor-Emitterspannungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden, um die Temperaturen und Ströme für alle Schaltelemente zu ermitteln. Dieses Vorgehen ist beispielsweise bei stromsensorlosen Lasten gut einsetzbar.
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Der Drehstromumrichter 10 der 5 bis 8 ist in Gestalt eines 3-Level-Umrichters ausgebildet und umfasst in einer dem Fachmann bekannten Weise 12 Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B. Beispielhaft sind die Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B als IGBTs ausgebildet. Grundsätzlich könnten als Schaltelemente auch Feldeffekt-gesteuerte Halbleiterschaltelemente oder andere Arten von Bipolartransistoren zum Einsatz kommen. Ebenso kann, wenn in Bezug auf die 5 bis 8 von einem Schaltelement die Rede ist, dieses durch eine Gruppe von, z.B. parallel miteinander verschalteten Schaltern, realisiert sein.
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Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen umfasst die Drehstrombrücke 10 drei parallel an die Versorgungspotentialanschlüsse 13, 14 angeschlossene Zweige 15, 16, 17. In dem ersten Zweig 15 sind die Schaltelemente S1A, S1B, S2A und S2B seriell miteinander zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem zweiten Zweig 16 sind die Schaltelemente S3A, S3B, S4A und S4B seriell zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem dritten Zweig 17 sind die Schaltelemente S5A, S5B, S6A und S6B zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. An dem Versorgungspotentialanschluss 13 liegt ein positives Spannungspotential, an dem Versorgungspotentialanschluss 14 ein negatives Spannungspotential an. Zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 sind ferner zwei seriell miteinander verschaltete Kondensatoren 31, 32 verschaltet. Ein Knotenpunkt der Kondensatoren 31, 32 ist mit einem dritten Versorgungspotentialanschluss 33 (O) verbunden. Der dritte Versorgungspotentialanschluss 33 wird als „Neutral“ (NEUTRAL) bezeichnet. Zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 33 liegt eine Versorgungsspannung UDC+, zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 33, 14 eine Spannung UDC– an.
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Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S1B, S2A bzw. S3B, S4A bzw. S5B, S6A sind jeweils mit der dreiphasigen Last 20, z.B. einer Antriebsmaschine, verbunden. Die Last 20 weist wiederum drei Phasen R, S und T auf. Die Phase R ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S1B und S2A des ersten Zweigs 15 angeschlossen. Die Phase S ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S3B und S4A des zweiten Zweigs 16 angeschlossen. Die dritte Phase T ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S5B und S6A des dritten Zweigs 17 angeschlossen. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist die Last 20 in jeder Phase R, S, T im Ersatzschaltbild eine Induktivität LR, LS, LT und einen Widerstand RR, RS und RT auf bzw. ist durch diese elektrisch charakterisiert. Die drei Phasen R, S, T der Last 20 sind an dem Sternpunkt 24 der Last 20 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S1A, S1B bzw. S3A, S3B bzw. S5A, S5B sind über jeweilige Dioden 41, 43, 45 mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 verbunden. In entsprechender Weise sind die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S2A, S2B bzw. S4A, S4B bzw. S6A, S6B über jeweilige Dioden 42, 44, 46 ebenfalls mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 gekoppelt. Dabei ist ein jeweiliger Anodenanschluss der die Dioden 41, 43, 45 und ein jeweiliger Kathodenanschluss der Dioden 42, 44, 46 mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 verbunden.
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Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den Schaltelementen S1A, S1B, ..., S6A, S6B um IGBTs. Ein jeweiliger Kollektoranschluss ist der Einfachheit halber lediglich für das Schaltelement S1B in 5 mit dem Bezugszeichen C und ein jeweiliger Emitteranschluss mit dem Bezugszeichen E gekennzeichnet. Ein Steueranschluss (Basis) ist mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnet. Die Kollektoranschlüsse C der Schaltelemente S1A, S3A und S5A sind mit dem Versorgungspotentialanschluss 13 verbunden. Der Versorgungspotentialanschluss 14 ist mit den Emitteranschlüssen E der Schaltelemente S2B, S4B und S6B verbunden.
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Der Einfachheit halber sind lediglich für die Schaltelemente S1B, ..., S6B parasitäre Induktivitäten dargestellt, welche, wie vorstehend bereits beschrieben, zur Strommessung genutzt werden können.
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Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, weisen sämtliche Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B jeweils einen Hilfskollektoranschluss CAUX und einen Hilfs-Emitteranschluss EAUX auf. Zwischen diesen wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung UCE1A, UCE1B, ..., UCE6A, UCE6B ermittelt. Hierzu kann beispielsweise wieder ein auf dem Treiber des betreffenden Schaltelements bereits vorhandener Stromquellenkreis zur Kurzschlusserkennung genutzt werden.
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Ferner dargestellt ist die zentrale Einheit 30, welcher die von den Spannungsmessmitteln (nicht dargestellt) ermittelten Kollektor-Emitter-Spannungen UCE1A, UCE1B, ..., UCE6A, UCE6B zur Auswertung zugeführt werden. Die zentrale Recheneinheit 30 kann wiederum, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 bereits beschrieben, eine von den Spannungsmessmitteln 12 unabhängige Recheneinheit sein. Sie kann auch auf einem der Treiber der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B verwirklicht sein. Zum Austausch von Daten zwischen der Recheneinheit 30 und den Spannungsmessmitteln sind entsprechende Kommunikationspfade vorgesehen. Diese können kontaktbehaftet oder kontaktlos realisiert sein.
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Die Ansteuerung der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B erfolgt gemäß einem vorgegebenen Schaltzustandsmuster mittels der Umrichtersteuerung 11. Diese weist entsprechende Steuerausgänge B(S1A), B(S1B), ..., B(S6A), B(S6B) auf, um die jeweiligen Steueranschlüsse B der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B entsprechend leitend oder sperrend zu schalten.
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Der Übersichtlichkeit halber sind die Ausgänge der Umrichtersteuerung 11 in der zeichnerischen Darstellung nicht mit den entsprechenden Steueranschlüssen B der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B verbunden.
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Der Betrieb eines derart aufgebauten 3-Level-Umrichters und insbesondere dessen Schaltzustandsmuster zum Ansteuern der Last 20 ist dem Fachmann prinzipiell bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung nicht näher darauf eingegangen wird. Die nachfolgend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsvarianten zur Ermittlung von Messwerten der aktuellen Transistorströme und der zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs herrschenden Schaltelementetemperaturen T1A, T1B, ..., T6A, T6B ermöglichen wieder eine Alterungsanalyse, um basierend darauf eine aktuelle Lebensdauerprognose zu erstellen. Die genaue Kenntnis der Betriebsparameter ermöglicht es darüber hinaus, die Leistung der Schaltelemente optimiert zu maximieren, ohne hierbei die Gefahr einer Schädigung oder eines Ausfalls des Umrichters zu riskieren.
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Die Ermittlung der entsprechenden Informationen kann entsprechend den in Verbindung in den 1 bis 4 beschriebenen Verfahren analog erfolgen. Dies bedeutet, zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsparameter ist die Kenntnis der Kollektor-Emitter-Spannungen im Durchlassfall (d.h. das betreffende Schaltelement ist leitend geschaltet) erforderlich. Diese Erfassung erfolgt durch das in 5 bis 8 beschriebene Spannungsmessmittel. Weiterhin ist eine temperaturabhängige Kollektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar UCE/ICE (T)-Kennlinienschar für jeden Schalttransistor, z.B. durch entsprechende Charakterisierung bei der Inbetriebnahme, bekannt und vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit gespeichert.
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Die Ermittlung der Betriebsparameter erfolgt in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils mit Hilfe zusätzlich bekannter, lokal vorhandener Teilinformationen über Betriebsparameter.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird bei 5 davon ausgegangen, dass eines der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B mit einem (internen) Temperatursensor versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Schaltelement S6B den nicht näher dargestellten Temperatursensor aufweisen. Damit ist es möglich, für das Schaltelement S6B im Betrieb des Umrichters dessen Temperatur T6B zu messen. Beim Betrieb des 3-Level-Drehstromumrichters gibt es Schaltsituationen, in dem der untere Teil des Zweigs 17, welcher die Schaltelemente S6A und S6B umfasst, den gleichen Strom führen. Dies bedeutet, dass der Strom I6N, der zum Versorgungspotentialanschluss 33 fließt, 0 ist. Über die bekannte Kollektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar des Schaltelements S6B kann zunächst aus der gemessenen Kollektor-Emitterspannung UCE6B und der gemessenen Temperatur der Strom I6B gemessen werden. Dieser Strom entspricht in der genannten Schaltsituation dem Strom des Schaltelements S6A, woraus unter Nutzung der bekannten Kollektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar auch die Temperatur T6A des Schaltelements S6A errechnet werden kann.
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Aus der Schaltungstopologie des Umrichters 10 und der Last 20 ist darüber hinaus weiter bekannt, dass der jeweilige Strom durch die Drehstrombrücke nur von drei Teilzweigen bzw. sechs Schaltelementen gleichzeitig geführt wird und dass er sich in einem bestimmten festen Verhältnis aufteilt. Diese Schaltzustände, deren Zeitpunkte und die Stromaufteilung sind, wie in vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben, in der Recheneinheit 30 hinterlegt. Aus der Kenntnis des Stroms in dem unteren Teil des Zweiges 17 und der Kenntnis der Schaltzustände können damit auch die weiteren Zweigströme und Transistortemperaturen errechnet werden.
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In der in 5 gezeigten Topologie eines 3-Level-Drehstromumrichters werden somit Schaltsituationen ausgenutzt, in denen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt, d.h. zum Versorgungspotentialanschluss 33, führt. Dann ist es auch möglich die Temperaturen der mit dem Versorgungspotentialanschluss 13 gekoppelten Schaltelemente S1A, S3A, S5A und der mit dem Versorgungspotentialanschluss 14 gekoppelten Schaltelemente S2B, S4B, S6B zu errechnen. Die Bestimmung der Temperaturen der mit den Phasen R, S und T gekoppelten Schaltelemente S1B, S3B, S5B, S2A, S4A und S6A kann demgegenüber immer ermittelt werden, da diese in jedem Schaltzustand durchflossen werden.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 2 sind bei der Ausführungsform gemäß 6 zumindest zwei der Zweige (Phasen) R, S, T mit einem externen Stromsensor 21, 22, 23 versehen. Entsprechend der in Verbindung mit 2 beschriebenen Vorgehensweise macht man sich bei 3-Level-Umrichtern eine Schaltsituation zunutze, in denen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt bzw. Versorgungspotentialanschluss 33 führt. Über zwei gemessenen Lastströme, z.B. in den Phasen R und S, können z.B. die Temperaturen T1B und T3B der Schaltelemente S1B und S3B bei einem Schaltzustand ohne Neutralstrom zum bzw. vom Versorgungspotentialanschluss 33 errechnet werden. Damit kann dann auch die Temperatur der in den jeweiligen Zweigen liegenden Schaltelemente S1A und S3A ermittelt werden.
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Unter Anwendung dieses Prinzips, bei dem eine Bestimmung der Temperaturen von Schaltelementen, die mit den Phasen R, S und T verbunden sind, in einem Schaltzustand, in dem ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt führt, wird das Vorgehen für die anderen Schaltzustände wiederholt, wie dies in Verbindung mit 2 beschrieben wurde.
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Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Vorgehen dem in 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Grundsätzlich entspricht die Vorgehensweise damit auch der in Verbindung mit 3 beschriebenen Ermittlung der Parameter der Schaltelemente. In der vorliegenden Situation der 7 muss zweifelsfrei aus dem Schaltzustand klar sein, dass im verwendeten Zeitpunkt kein Neutralstrom zum Versorgungspotentialanschluss 33 fließt, so dass der Strom von einem Schaltelement (z.B. S2B) auch dem Strom des Schaltelements, dann S2A, entspricht. In der oben beschriebenen Weise können dann die Temperaturen T2A und T2B der Schaltelemente der S2A und S2B ermittelt werden. Die weitere Strom- und Temperaturerrechnung aller Schaltelemente erfolgt dann sukzessiv in der in Verbindung in 3 beschriebenen Vorgehensweise.
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Bei der in 8 gezeigten Ausführungsvariante, die dem Prinzip nach dem Vorgehen von 4 entspricht, wird davon ausgegangen, dass alle Temperaturen T1A, T1B, ..., T6A, T6B der Schaltelemente S1A, S1B, ..., S6A, S6B gleich sind. Diese Annahme gilt beim Betrieb des Umrichters mit kleinen Frequenzen in einem Bereich von weniger als 5 kHz bis 10 kHz, bei dem entsprechend lange Schaltpausen zwischen zwei Schaltvorgängen gegeben sind. Über die bekannten Laststromverhältnisse und die bekannten Schaltstellungen und der Annahme einer momentan gleichen Temperatur der Schaltelemente können die Transistorströme iterativ errechnet werden. Dabei werden Schaltzustände genutzt, in denen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt bzw. Versorgungspotentialanschluss 33 führt. Damit kann auch die Temperatur der jeweiligen mit den Versorgungspotentialanschlüssen 13 bzw. 14 gekoppelten Schaltelementen S1A, S3A, S5A bzw. S2B, S4B, S6B ermittelt werden, während die Temperatur T1A, T1B, ..., T6A, T6B der mit den Phasen R, S und T verbundenen Schaltelemente S1B, S3B, S5B und S2A, S4A, S6A in jedem Schaltzustand ermittelt werden kann.
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Die Erfindung lässt sich beispielsweise mit einem lokal agierenden digitalen Treiber realisieren, der sowohl Kenntnis über die Schaltzustände als auch die Treiberfunktion umfasst und der während des Betriebs über den Treiber Spannungs- und Strommessungen an dem jeweiligen Schaltelement vornimmt, wobei die direkte, schnelle Kommunikationsmöglichkeit zur Steuerung ausgenutzt wird, um die richtigen Messzeitpunkte einzuhalten. Dies eröffnet die Möglichkeit, relevante Belastungsdaten während eines realen Umrichterbetriebs zu gewinnen.
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Das Vorgehen erlaubt es, aus wenigen einzelnen Betriebsparametern (Strom oder Temperatur eines oder mehrerer Schaltelemente) jeweils für alle Schaltelemente die Ströme und Temperaturen zu errechnen, die für die messtechnisch basierte Alterungsanalyse des gesamten Leistungsschaltmoduls erforderlich sind.
