DE102016100415A1

DE102016100415A1 - Leistungs-Stromrichter mit selektivem Totzeiteinsatz

Info

Publication number: DE102016100415A1
Application number: DE102016100415.4A
Authority: DE
Inventors: Michael W. Degner; Chingchi Chen; Jun Kikuchi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2016-07-21
Also published as: CN105827136A; US20160211772A1; US9906167B2; CN105827136B

Abstract

Ein Leistungs-Stromrichter weist einen oder mehrere Phasenzweige mit jeweils oberen und unteren Schaltvorrichtungen auf. Ein Stromsensor detektiert eine Stärke eines Stromflusses aus einem entsprechenden Zweig. Ein Gate-Treiber aktiviert die untere und die obere Vorrichtung gemäß den Gate-Signalen, die als Reaktion auf ein PWM-Steuersignal erzeugt werden. Wenn die detektierte Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist, dann beinhaltet das untere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz und das obere Gate-Signal beinhaltet keinen Totzeiteinsatz. Wenn die detektierte Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist, dann beinhaltet das obere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz und das untere Gate-Signal beinhaltet keinen Totzeiteinsatz. Wenn die detektierte Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt, dann beinhalten sowohl das obere Gate-Signal als auch das untere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz. Ausgabeverzerrung und Steuerverzögerung werden erheblich verringert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Entfällt.
ERKLÄRUNG BEZÜGLICH BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG
Entfällt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungs-Stromrichter im Allgemeinen, die Wechselrichter für ein elektrisches Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs beinhalten, und betrifft insbesondere das selektive Einsetzen einer Totzeit zum Steuern von Schaltvorrichtungen, so dass ein Durchschuss vermieden werden kann, ohne irgendwelche signifikante Verzerrung am Ausgang des Stromrichters einzuführen.
Elektrofahrzeuge, wie etwa Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs) verwenden von Wechselrichtern angetriebene Elektromaschinen, um Vortriebsdrehmoment und regeneratives Bremsmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Antriebssystem beinhaltet eine DC-Energiequelle (wie etwa ein Batteriepaket oder eine Brennstoffzelle), die durch Schütze mit einem variablen Spannungswandler (VVC) gekoppelt ist, um eine Hauptsammelschienenspannung über einem Haupt-DC-Verbindungskondensator zu regeln. Ein Wechselrichter ist zwischen die Hauptsammelschienen für die DC-Verbindung und einen Antriebsmotor geschaltet, um die DC-Energie in ein AC-Signal umzuwandeln, das mit den Wicklungen des Motors gekoppelt ist, um das Fahrzeug voran zu bewegen. Ein zweiter Wechselrichter kann ebenso zwischen die Hauptsammelschiene und einen Generator (falls vorhanden) geschaltet sein, um einen weiteren Energieflussweg von einem Primärantrieb, typischerweise einem Verbrennungsmotor, zu der DC-Verbindung bereitzustellen.
Die Wechselrichter beinhalten Transistor-Schaltvorrichtungen (wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate oder IGBTs), die in einer Brücken-Konfiguration geschaltet sind, einschließlich mehrerer Phasenzweige. Eine typische Konfiguration beinhaltet einen Dreiphasenmotor, der von einem Wechselrichter mit drei Phasenzweigen getrieben wird. Eine elektronische Steuerung schaltet die Schalter ein und aus, um eine DC-Spannung von der Sammelschiene in eine AC-Spannung wechselzurichten, die dem Motor zugeführt wird, oder, um eine AC-Spannung von dem Generator in eine DC-Spannung auf der Sammelschiene gleichzurichten. In jedem Falle werden die Wechselrichter als Reaktion auf verschiedene erfasste Bedingungen gesteuert, einschließlich der Drehstellung der Elektromaschine und des Stromflusses in jeder der Phasen.
Der Wechselrichter für den Motor kann vorzugsweise die DC-Verbindungsspannung pulsweitenmodulieren, um eine Annäherung an eine sinusförmige Stromabgabe zu erreichen, um den Motor bei einer gewünschten Geschwindigkeit und einem gewünschten Drehmoment zu fahren. An die Gates der IGBTs angelegte Pulsweitenmodulations(PWM)-Steuersignale schalten diese ein und aus, wie es gerade benötigt wird, so dass der resultierende Strom mit einem gewünschten Strom übereinstimmt.
Da jeder Phasenzweig des Wechselrichters ein Paar von oberen und unteren Schaltvorrichtungen aufweist, die über die DC-Verbindung geschaltet sind, ist es wichtig, dass beide Vorrichtungen nicht gleichzeitig leitend (d.h. eingeschaltet) sind. Ansonsten könnte der resultierende "Durchschuss" des Phasenzweiges zu einer Beschädigung der Schaltvorrichtungen führen. Ein kurzes Zeitintervall, bekannt als Totzeit, während dessen sowohl die oberen als auch die unteren Schaltvorrichtungen eines Phasenzweiges ausgeschaltet sind, wird typischerweise zusammen mit PWM-Steuerung von Wechselrichtern verwendet, um einen Durchschuss zu verhindern. Allerdings führte der Einsatz einer Totzeit zu Verzerrung der Ausgangs-Wellenform, die an die Last geliefert wird, und zur Einführung von Regelverzögerungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Leistungs-Stromrichter eine DC-Verbindung, die dafür ausgelegt ist, eine DC-Versorgungsspannung zu empfangen, und mindestens einen Phasenzweig. Der Phasenzweig umfasst eine obere Schaltvorrichtung und eine untere Schaltvorrichtung, die über die DC-Verbindung verbunden sind, wobei eine Verbindungsstelle zwischen der oberen Schaltvorrichtung und der unteren Schaltvorrichtung dafür ausgelegt ist, mit einer Last, wie etwa einem elektrischen Antriebsmotor für ein Fahrzeug, verbunden zu werden. Ein Stromsensor für den Phasenzweig detektiert eine Stärke eines Stromflusses von der Verbindungsstelle zu der Last. Ein Gate-Treiber ist mit dem Phasenzweig gekoppelt, um die obere Schaltvorrichtung gemäß einem oberen Gate-Signal zu aktivieren und die untere Schaltvorrichtung gemäß einem unteren Gate-Signal zu aktivieren, als Reaktion auf ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Steuersignal. Wenn die detektierte Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist, dann beinhaltet das untere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz und das obere Gate-Signal beinhaltet keinen Totzeiteinsatz. Wenn die detektierte Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist, dann beinhaltet das obere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz und das untere Gate-Signal beinhaltet keinen Totzeiteinsatz. Wenn die detektierte Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt, dann beinhalten sowohl das obere Gate-Signal als auch das untere Gate-Signal einen Totzeiteinsatz.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Wellenform-Diagramm, das die Erzeugung der Gate-Signale mit und ohne eine eingesetzte Totzeit zeigt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Phasenzweig zeigt.
4 ist ein Wellenform-Diagramm, das Schwellenstrompegel zum Bestimmen zeigt, ob eine Totzeit in ein Gate-Treibersignal eingesetzt werden sollte.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Auswahl von Gate-Treibersignalen mit und ohne Totzeiteinsatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.
7 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine alternative Ausführungsform zum Erzeugen von Gate-Signalen mit Totzeiteinsatz zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltung zum Auswählen der Gate-Signale von 7 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Hybrid-Elektrofahrzeug 10 als einen Typ eines Fahrzeugs zum Implementieren des selektiven Totzeiteinsatzes der vorliegenden Erfindung. Die Fahrzeugräder 11 können von einem Verbrennungsmotor 12 und/oder von einem Antriebsmotor 13 über ein Getriebe 14 angetrieben werden. Zum Bereitstellen elektrischen Vortriebs kann der Motor 13 über einen Wechselrichter 15 angetrieben werden, der an einem DC-Verbindungskondensator 16 eine DC-Verbindungsspannung empfängt. Die DC-Verbindungsspannung kann, wie technisch bekannt ist, Ergebnis einer Umwandlung von DC-Energie aus einem Batteriepaket 17 durch einen Stromrichter 18 sein.
Der Wechselrichter 15 beinhaltet die Phasenzweige 20, 21 und 22, die mit den Motorphasenwicklungen 23, 24 und 25 gekoppelt sind. Der Phasenzweig 20 weist eine obere Schaltvorrichtung 26 und eine untere Schaltvorrichtung 27 auf, die in Reihe über die DC-Verbindung 16 geschaltet sind, und eine Verbindungsstelle 28 zwischen den Vorrichtungen 26 und 27 bereitstellen, die mit der Wicklung 23 des Motors 13 verbunden ist. Gleichermaßen weist der Phasenzweig 21 eine obere Schaltvorrichtung 30 und eine untere Schaltvorrichtung 31 auf, während der Phasenzweig 22 eine obere Schaltvorrichtung 32 und eine untere Schaltvorrichtung 33 aufweist. Die Verbindungsstellen 34 und 35 sind jeweils mit den Motorwicklungen 24 und 25 verbunden.
Die Schaltvorrichtungen können aus IGBTs, Antiparallel-Dioden, FETs mit breiter Bandlücke oder anderen Vorrichtungen bestehen. Jede aus den oberen und unteren Schaltvorrichtungen weist jeweils einen Gate-Anschluss auf, der in einer Steuerung 38 mit den Treibern 37 gekoppelt ist. Die mit jeder der Verbindungsstellen der Phasenzweige gekoppelten Stromsensoren 40 messen den Stromfluss durch jede Phasenwicklung. Gemessene Stromstärken werden von den Sensoren 40 an die Logikschaltungen 41 in der Steuerung 38 geliefert zum Verwenden beim Bestimmen von PWM-Schaltsignalen, die von den Treibern 37 an die Schaltvorrichtungen angelegt werden sollen. Wie technisch bekannt ist, kann der gemessene Strom mit einem gewünschten Motorstrom verglichen werden, der gemäß einer Drehmomentnachfrage 42 bestimmt wird, die von einer Eingabe eines Bedieners, wie etwa einem Fahrpedal, abgeleitet werden kann, so dass der Bediener die Fahrzeuggeschwindigkeit steuern kann. Somit bestimmt eine Stromrückmeldung ein PWM-Tastverhältnis in den Logikschaltungen 41, das dann verwendet wird, das Timing der PWM-Schaltsignale für die Schaltvorrichtungen der Phasenzweige zu erzeugen.
2 zeigt ein PWM-Trägersignal 45, das als eine dreieckige Wellenform mit einer im Vergleich zu der Umdrehungsfrequenz des Motors hohen Frequenz (z.B. etwa 5 kHz) erzeugt wird. Unter Verwendung eines bekannten PWM-Verfahrens zum Erzeugen von Gate-Treiberschaltsignalen, das auf Stromsteuerung basiert, wird, als Reaktion auf irgendwelche Abweichungen zwischen detektiertem Strom und einem Zielstrom, ein PWM-Tastverhältnissignal 46 erzeugt. Das Tastverhältnis 46 wird mit einem PWM-Trägersignal 45 verglichen, um die unten in 2 gezeigten PWM-Signale zu erzeugen. Ein Signal 47 ist ein originales oberes Vorrichtungs-Gate-Signal G_UO, das einen tiefen Logikpegel aufweist, wenn das PWM-Trägersignal 45 größer als das Tastverhältnissignal 46 ist, und das einen hohen Logikpegel aufweist, wenn das Tastverhältnissignal 46 größer als das PWM-Trägersignal 45 ist. Ein Signal 48 zeigt ein originales unteres Vorrichtungs-Gate-Signal G_LO, das das logische Inverse des G_UO-Signals 47 ist.
Um einen Durchschuss zu vermeiden, der unter Verwendung der originalen Gate-Signale 47 und 48 auftreten könnte, kann ein Totzeiteinsatz folgendermaßen durchgeführt werden. Eine Wellenform 50 wird durch Einführen einer festen Zeitverzögerung in das Signal 47 erhalten. Die feste Zeitverzögerung repräsentiert einen ausreichend langen Totzeiteinsatz, der gleichzeitige Aktivierung von sowohl oberen als auch unteren Schaltvorrichtungen vermeidet, die als ein Ergebnis von Rauschen oder von Ausbreitungsverzögerungsdifferenzen zwischen dem oberen und dem unteren Gate-Signal (die typischerweise eine Dauer von einigen Mikrosekunden aufweisen) auftreten könnten. Ein oberes Schaltvorrichtungs-Gate-Signal mit Totzeiteinsatz (G_UDI) 51 wird, wie gezeigt, durch Bilden eines logischen UND des originalen Gate-Signals 47 und des verzögerten Gate-Signals 50 erhalten. Ein Signal 52 zeigt eine zeitverzögerte Version eines unteren Gate-Signals 48, das dieselbe feste Verzögerung verwendet. Ein unteres Schaltvorrichtungs-Gate-Signal mit Totzeiteinsatz (G_LDI) 53 wird als ein logisches UND des originalen unteren Vorrichtungs-Gate-Signals 48 und des verzögerten Signals 52 erhalten. Dem Stand der Technik entsprechend wurden jeweils obere und untere Gate-Signale mit Totzeiteinsatz 51 und 53 (G_UDI und G_LDI) verwendet, um die Phasenzweig-Schaltvorrichtungen unter allen Bedingungen, d.h. mit einer Totzeit 54, die bei jedem Schaltereignis eingesetzt wird, zu treiben.
3 zeigt den Phasenzweig 20 ausführlicher, wobei ein allgemein sinusförmiger Fluss 55 von Strom i einen positiven Wert aufweist, wenn er von der Verbindungsstelle 28 in die Motorphasenwicklung 23 fließt und einen negativen Wert aufweist, wenn er von der Wicklung 23 zur Verbindungsstelle 28 fließt. 4 ist eine Darstellung eines Phasenstroms 56 für irgendeine der Phasenwicklungen, der mit einer Frequenz variiert, die der Motordrehzahl entspricht. Diese Frequenz ist allgemein kleiner als die PWM-Schaltfrequenz. Die vorliegende Erfindung unterscheidet zwischen einer Hochstrom-Region 57, wenn der Phasenstrom größer als eine positive Schwelle TPos ist, und einer Niederstrom-Region 58, wenn der Phasenstrom kleiner als eine negative Schwelle T_Neg ist. Während Zeiten, zu denen der Phasenstrom ausreichend positiv ist (d.h. über T_Pos in Region 57), treten Schaltvorrichtungs-Kommutierungen für diesen Phasenzweig zwischen einer aktiven oberen Schaltvorrichtung 26a und einer passiven unteren Schaltvorrichtung 27p auf. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass selbst obwohl beide aktiven Vorrichtungen 26a und 27a alternierend aktiviert werden, nur die aktive obere Vorrichtung 26a eingeschaltet ist und die untere aktive Vorrichtung 27a keinen Strom führt, da die Stromrichtung dem entgegensteht. Die untere passive Vorrichtung 27p führt den Strom während der Zeitdauer, in der die obere aktive Vorrichtung 26a nicht aktiviert ist. Unter diesen Bedingungen setzt die vorliegende Erfindung eine Totzeit lediglich für die untere Schaltvorrichtung ein. Eine Totzeit für lediglich die untere Schaltvorrichtung verhindert weiterhin jeglichen Durchschuss durch Sicherstellen, dass die Stromrichtung gegen die aktive untere Vorrichtung 27a läuft. Da allerdings keine Totzeit in das Gate-Signal der oberen Schaltvorrichtung eingesetzt wird und die aktive obere Vorrichtung 26a den Laststrom unter der Bedingung von i > T_Pos steuert, gibt es keine eingeführte Verzerrung oder Steuerverzögerung. Gleichermaßen finden Kommutierungen zwischen einer passiven unteren Vorrichtung 26p und einer aktiven unteren Vorrichtung 27a statt, wenn der Strom in Region 58 sehr negativ ist. Dann wird ein Totzeiteinsatz lediglich für das Gate-Signal der oberen Vorrichtung durchgeführt. Dabei gibt es keine Befürchtung eines Durchschusses, da die aktive obere Schaltvorrichtung 26a keinen Strom führt, allerdings werden wieder Verzerrungs- oder Steuerverzögerungen vermieden, weil die aktive untere Vorrichtung 27a keinen Totzeiteinsatz aufweist. Wenn der Phasenstrom zwischen der positiven Schwelle TPos und der negativen Schwelle T_Neg liegt, fährt die vorliegende Erfindung damit fort, eine Totzeit für sowohl das obere als auch das untere Gate-Treibersignal einzusetzen, so dass es keine Möglichkeit für einen durch Stromdetektions-Fehler, Versätze oder Rauschen verursachten Durchschuss gibt. In Wechselrichter-Motorantriebsanwendungen ist die Gesamtauswirkung in diesem schmalen Stromband von geringem Belang, da der Niederpegel des Stroms bedeutet, dass die Strom-Verzerrung und die gesteuerte Verzögerung ebenfalls klein sind. Die Werte für die Schwellen können durch Einbeziehen von Restwelligkeit in dem erwarteten Ausgangsstrom und Ungenauigkeiten bei gemessenen Stromwerten bestimmt werden. Die absoluten Werte der Schwellen können typischerweise gleich sein.
Um die bevorzugte Totzeiteinsatz-Strategie zusammenzufassen, wenn eine detektierte Phasen-Stromstärke i größer als T_Pos (in der Region 57) ist, dann beinhaltet ein oberes Gate-Signal G_U keinen Totzeiteinsatz (d.h. ist entsprechend zum Signal 47 von 2 auf G_UO gesetzt) und ein unteres Gate-Signal G_L beinhaltet einen Totzeiteinsatz (d.h. ist entsprechend zum Signal 53 in 2 auf G_LDI gesetzt). Wenn die detektierte Stromstärke i kleiner als die negative Schwelle T_Neg ist, dann beinhaltet ein oberes Gate-Signal G_U einen Totzeiteinsatz (d.h., dass G_U entsprechend zum Signal 51 von 2 auf G_UDI gesetzt ist) und ein unteres Gate-Signal G_L beinhaltet keinen Totzeiteinsatz (d.h., dass G_L entsprechend zum Signal 48 in 2 auf G_LO gesetzt ist). Wenn die detektierte Stromstärke zwischen den Schwellen T_Pos und T_Neg liegt, dann beinhalten sowohl das obere Gate-Signal G_U als auch das untere Gate-Signal G_L einen Totzeiteinsatz G_UDI und G_LDI, wie durch die Signale 51 und 53 von 2 angezeigt wird.
5 zeigt eine Logikschaltung 60 zum Bestimmen selektiven Einsatzes von Totzeiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Logikblock 60 kann, wie gezeigt, dedizierte Elektronikschaltungskomponenten beinhalten oder kann unter Verwendung einer programmierbaren Steuerung, wie etwa einem Mikrocontroller, implementiert werden. Ein Komparator 61 weist einen nichtinvertierenden Eingang auf, der das Tastverhältnis-Befehlssignal (z.B. das Tastverhältnis-Signal 46 in 2) empfängt. Der Komparator 61 weist einen invertierenden Eingang auf, der das PWM-Trägersignal empfängt. Als Reaktion auf den Vergleich gibt der Komparator 61 ein originales oberes Gate-Treibersignal G_UO an einen ersten Eingang eines Multiplexers 62 aus. Der erste Eingang ist ein eins-gewählter Eingang, der durch den Multiplexer 62 durchschleift, wenn ein Hohes (binäre "1") Logikpegelsignal an dem Select-Eingang (SEL) des Multiplexers 62 anliegt. Zusätzlich wird der Ausgang des Komparators 61 durch einen Inverter 63 invertiert, um ein originales unteres Gate-Treibersignal G_LO an einem ersten (eins-gewählten) Eingang eines Multiplexers 64 bereitzustellen. Das originale obere Gate-Treibersignal G_UO vom Komparator 61 wird in einem Verzögerungsblock 65 gemäß einem festen Totzeiteinsatz-Verzögerungswert verzögert und das verzögerte Signal wird an einem ersten Eingang eines UND-Gatters 66 eingegeben. Das originale obere Gate-Treibersignal G_UO vom Komparator 61 ist mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 66 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 66 stellt ein oberes Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_UDI bereit, das mit einem null-gewählten Eingang des Multiplexers 62 verbunden ist. Gleichermaßen wird der Ausgang des Inverters 63 in einem Verzögerungsblock 67 verzögert und mit einem ersten Eingang eines UND-Gatters 68 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gatters 68 ist mit dem Ausgang des Inverters 63 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gatters 68 stellt ein unteres Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_LDI an einem null-gewählten Eingang des Multiplexers 64 bereit.
Ein Vergleichsblock 70 empfängt eine Messung eines detektierten Stroms i für den entsprechenden Phasenzweig und vergleicht ihn mit der positiven Schwelle TPos und der negativen Schwelle T_Neg. Wenn der Strom i größer als die positive Schwelle ist, dann wird ein Hohes Logikpegelsignal an den SEL-Eingang des Multiplexers 62 gesendet, so dass das originale obere Gate-Treibersignal G_UO an dem ersten Eingang von dem Multiplexer 62 an den Eingang eines Verstärkers 72 in einer Treiberschaltung 71 ausgegeben wird. Ansonsten weist die Eingabe zu dem Select-Eingang des Multiplexers 62 einen TIEF-Wert auf und der Ausgang stellt das obere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_UDI an dem Verstärker 72 bereit. Ein verstärktes/gepuffertes Signal vom Verstärker 72 treibt das Gate der oberen Schaltvorrichtung 73, um ein Gate-Signal G_U mit selektivem Totzeiteinsatz bereitzustellen, das Durchschuss vermeidet, ohne signifikante Verzerrung oder Verzögerungen in der Steueraktion hinzuzufügen.
Gleichermaßen steuert ein zweiter Ausgang des Vergleichsblocks 70 einen Select(SEL)-Eingang eines Multiplexers 64 gemäß, ob der detektierte Strom i kleiner als die negative Schwelle ist. Als Folge wird entweder das originale untere Gate-Treibersignal G_LO oder das untere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_LDI durch den Multiplexer 64 an einen Verstärker 74 in einer Treiberschaltung 71 und an das Gate einer unteren Schaltvorrichtung 75 angeschlossen.
Ein bevorzugtes Verfahren ist in 6 zusammengefasst, wobei das Verfahren bei einem Schritt 80 beginnt und damit weitermacht, das Pulsweitenmodulations-Signal in Schritt 81 unter Verwendung eines PWM-Modulationssignals 46 von 2 (d.h. Tastverhältnis) abzutasten. Ein Vergleich des PWM-Trägersignals mit dem Tastverhältnis-Befehl erzeugt in Schritt 82 ein originales Gate-Signal-Paar G_UO und G_LO. In Schritt 83 werden Signal-Paare mit Totzeiteinsatz G_UDI und G_LDI für die oberen und unteren Schaltvorrichtungen erzeugt. Eine Überprüfung wird in Schritt 84 durchgeführt, um zu bestimmen, ob der instantane Phasenstrom größer als die positive Schwelle ist. Falls ja, dann wird in Schritt 85 das originale obere Gate-Treibersignal ohne Totzeiteinsatz G_UO als das Gate-Treibersignal eingesetzt, ansonsten wird in Schritt 86 das obere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_UDI ausgewählt. Als Nächstes wird der Strom i in Schritt 87 mit der negativen Schwelle verglichen. Falls i kleiner als die negative Schwelle ist, dann wird in Schritt 88 das originale untere Gate-Treibersignal G_LO verwendet, ansonsten wird in Schritt 89 das untere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_LDI ausgewählt. Folglich wendet das PWM-Schalten in dem Phasenzweig selektiven Totzeiteinsatz an, so dass eine Schaltvorrichtung, die einen genügend großen Strom führt, ohne eine Totzeit geschaltet wird, so dass Verzerrung und Steuerverzögerung vermieden werden. In Schritt 90 wird eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Motorbetrieb geendet hat. Wenn nicht, dann wird zu Schritt 81 zurückgekehrt, um das Modulationssignal abzutasten, ansonsten stoppt das Verfahren bei Schritt 91.
7 veranschaulicht ein alternatives Verfahren zum Erzeugen der Totzeiteinsatz-Signale, das keine wie in 5 gezeigte Verzögerungsblöcke benötigt. Anstatt explizite Signalverzögerungen zu verwenden, werden Versatz-Tastverhältnisse 92 und 93 durch Addieren und Subtrahieren eines festen Versatzes (als ∆ bezeichnet) aus dem Tastverhältnis-Signal 46 erhalten und die Versatzwerte werden zum Vergleich mit dem PWM-Träger verwendet, wenn die Gate-Treibersignale erzeugt werden. Folglich werden die originalen unteren und oberen Gate-Treibersignale G_UO und G_LO auf die übliche Weise erhalten, basierend auf dem Vergleich des Tastverhältnisses 46 mit dem PWM-Träger 45, der die Übergänge 94 und 95 für die originalen Signale bereitstellt. Zum Erzeugen der Totzeiteinsatz-Signale wird das PWM-Trägersignal folgendermaßen mit den Versatz-Tastverhältnissen verglichen. Um das untere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz zu erzeugen, wird der PWM-Träger 45 mit dem Positivversatz-Tastverhältnis 92 verglichen (d.h. befohlenes Tastverhältnis + ∆) und das Ergebnis des Vergleichs wird invertiert. Folglich ist das untere Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_LDI gleich einem invertierten oberen Gate-Treibersignal
das aus dem Positivversatz-Tastverhältnis 92 erhalten wird. Wie in 7 gezeigt ist, weist das Signal
Übergänge 96 und 98 auf, die mit den Kreuzungspunkten des PWM-Trägers 45 mit dem Positivversatz-Tastverhältnis 92 zusammenfallen. Um ein oberes Gate-Treibersignal mit Totzeiteinsatz G_UDI zu erzeugen, wird das Negativversatz-Tastverhältnis 93 verwendet. Die Übergänge 97 und 99 sind für dieses Signal gezeigt, das auch als G_UO– gekennzeichnet ist, da es unter Verwendung des negativen Versatzes erzeugt wird. Folglich werden durch Anwenden von Versätzen auf das Tastverhältnis Änderungen der Übergangszeiten für die Gate-Treibersignale erhalten, die die Totzeitintervalle bereitstellen. Die unter Verwendung dieses Verfahrens erhaltenen in 7 gezeigten Signale werden zum Auswählen der originalen oder der Totzeiteinsatz-Signale auf dieselbe wie oben erörterte Weise in entsprechende Multiplexer 100 und 101 in 8 eingegeben.
Es ist ferner beschrieben:

A. Leistungs-Stromrichter, der Folgendes umfasst: eine DC-Verbindung, die dafür ausgelegt ist, eine DC-Versorgungsspannung zu empfangen; einen Phasenzweig, der eine obere Schaltvorrichtung und eine untere Schaltvorrichtung umfasst, die über die DC-Verbindung verbunden sind, wobei eine Verbindungsstelle zwischen der oberen Schaltvorrichtung und der unteren Schaltvorrichtung dafür ausgelegt ist, mit einer Last, verbunden zu werden; einen Stromsensor für den Phasenzweig, der eine Stärke eines Stromflusses von der Verbindungsstelle der oberen Schaltvorrichtung und der unteren Schaltvorrichtungen zu der Last detektiert; und einen Gate-Treiber, der mit dem Phasenzweig gekoppelt ist, um die obere Schaltvorrichtung gemäß einem oberen Gate-Signal zu aktivieren und die untere Schaltvorrichtung gemäß einem unteren Gate-Signal zu aktivieren, als Reaktion auf ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Steuersignal; wobei, wenn die detektierte Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist, das untere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhaltet und das obere Gate-Signal dann keinen Totzeiteinsatz beinhaltet; wobei, wenn die detektierte Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist, das obere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhaltet und das untere Gate-Signal dann keinen Totzeiteinsatz beinhaltet; wobei, wenn die detektierte Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt, sowohl das obere Gate-Signal als auch das untere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhalten.
B. Leistungs-Stromrichter nach A, wobei der Gate-Treiber Versionen der Gate-Treibersignale mit und ohne Totzeiteinsatz erzeugt, und wobei der erste Gate-Treiber eine Version von jedem Gate-Treibersignal auswählt, als Reaktion auf einen Vergleich der detektierten Stromstärke und der jeweiligen positiven und negativen Schwellen.
C. Leistungs-Stromrichter nach A, wobei der Gate-Treiber eine programmierbare Steuerung und einen Verstärker umfasst.
D. Leistungs-Stromrichter nach A, der ferner Folgendes umfasst: einen zweiten Phasenzweig, der eine zweite obere Schaltvorrichtung und eine zweite untere Schaltvorrichtung umfasst, die über die DC-Verbindung verbunden sind, wobei eine zweite Verbindungsstelle zwischen der zweiten oberen Schaltvorrichtung und der zweiten unteren Schaltvorrichtung dafür ausgelegt ist, mit der Last verbunden zu werden; einen zweiten Stromsensor für den zweiten Phasenzweig, der eine Stärke eines zweiten Stromflusses von der zweiten Verbindungsstelle zu der Last detektiert; und einen zweiten Gate-Treiber, der mit dem zweiten Phasenzweig gekoppelt ist, um die zweite obere Schaltvorrichtung gemäß einem zweiten oberen Gate-Signal zu aktivieren und die zweite untere Schaltvorrichtung gemäß einem zweiten unteren Gate-Signal zu aktivieren, als Reaktion auf ein PWM-Steuersignal; wobei, wenn die detektierte zweite Stromstärke größer als die positive Schwelle ist, das zweite untere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhaltet und das zweite obere Gate-Signal dann keinen Totzeiteinsatz beinhaltet; wobei, wenn die detektierte zweite Stromstärke kleiner als die negative Schwelle ist, das zweite obere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhaltet und das zweite untere Gate-Signal dann keinen Totzeiteinsatz beinhaltet; und wobei, wenn die detektierte zweite Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt, sowohl das zweite obere Gate-Signal als auch das zweite untere Gate-Signal dann einen Totzeiteinsatz beinhalten.
E. Leistungs-Stromrichter nach A, wobei die Last einen elektrischen Antriebsmotor für ein Straßenfahrzeug umfasst und wobei das PWM-Steuersignal einem von dem Antriebsmotor gewünschten Drehmoment entspricht.
F. Verfahren zur Steuerung eines Leistungs-Stromrichters, das Folgendes umfasst: Erzeugen von oberen und unteren Gate-Signalen zum Treiben entsprechender Schaltvorrichtungen in einem Phasenzweig; Detektieren einer Stromstärke von dem Phasenzweig zu einer Last; Einsetzen einer Totzeit lediglich in das untere Gate-Signal, wenn die Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist; und Einsetzen einer Totzeit lediglich in das obere Gate-Signal, wenn die Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist.
G. Verfahren nach F, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Einsetzen einer Totzeit in sowohl das obere Gate-Signal als auch in das untere Gate-Signal, wenn die Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt.
H. Verfahren nach F, wobei der Leistungs-Stromrichter ein Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsmotor eines elektrifizierten Straßenfahrzeugs ist.
I. Leistungs-Stromrichter, der Folgendes umfasst: eine DC-Verbindung, die dafür ausgelegt ist, eine DC-Versorgungsspannung zu empfangen; einen Phasenzweig, der eine obere Schaltvorrichtung und eine untere Schaltvorrichtung umfasst, die über die DC-Verbindung verbunden sind, wobei eine Verbindungsstelle zwischen der oberen Schaltvorrichtung und der unteren Schaltvorrichtung dafür ausgelegt ist, mit einer Last verbunden zu werden; einen Stromsensor für den Phasenzweig, der eine Stärke eines Stromflusses von der Verbindungsstelle zu der Last detektiert; und einen Gate-Treiber, der mit dem Phasenzweig gekoppelt ist, der die obere Schaltvorrichtung gemäß einem oberen Gate-Signal aktiviert und die untere Schaltvorrichtung gemäß einem unteren Gate-Signal aktiviert; und eine Steuerung zum 1) Vergleichen eines PWM-Trägersignals mit einem befohlenen Tastverhältnis, um originale obere und untere Gate-Treibersignale zu erzeugen, 2) Einsetzen entsprechender Totzeiten, um modifizierte obere und untere Gate-Treibersignals zu erzeugen; 3) Auswählen des originalen oberen Gate-Treibersignals, um die obere Schaltvorrichtung anzusteuern, als Reaktion darauf, dass die detektierte Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist, ansonsten Auswählen des modifizierten oberen Gate-Treibersignals, und 4) Auswählen des originalen unteren Gate-Treibersignals, um die untere Schaltvorrichtung anzusteuern, als Reaktion darauf, dass die detektierte Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist, ansonsten Auswählen des modifizierten unteren Gate-Treibersignals.
J. Leistungs-Stromrichter nach I, wobei die Steuerung das modifizierte obere und untere Gate-Treibersignal erzeugt durch 1) Verzögern der originalen oberen und unteren Gate-Treibersignale um eine Totzeitkonstante, 2) Eingeben des originalen oberen Gate-Treibersignals und des verzögerten oberen Gate-Treibersignals an ein oberes UND-Gatter, um das modifizierte obere Gate-Treibersignal zu erzeugen, und 3) Eingeben des originalen unteren Gate-Treibersignals und des verzögerten unteren Gate-Treibersignals an ein unteres UND-Gatter, um das modifizierte untere Gate-Treibersignal zu erzeugen.
K. Leistungs-Stromrichter nach I, wobei die Steuerung das modifizierte obere und untere Gate-Treibersignal erzeugt durch 1) Erzeugen von Positiv- und Negativversatz-Tastverhältnissen, die um einen vorbestimmten Versatz aus dem befohlenen Tastverhältnis versetzt sind, 2) Vergleichen des PWM-Trägers mit dem Negativversatz-Tastverhältnis, um das modifizierte obere Gate-Treibersignal zu erzeugen, und 3) Vergleichen des PWM-Trägers mit dem Positivversatz-Tastverhältnis, um das modifizierte untere Gate-Treibersignal zu erzeugen.
L. Verfahren zur Steuerung eines Leistungs-Stromrichters, das Folgendes umfasst: Vergleichen eines PWM-Trägersignals mit einem befohlenen Tastverhältnis, um originale obere und untere Gate-Treibersignale für einen Phasenzweig zu erzeugen; Einsetzen entsprechender Totzeiten, um modifizierte obere und untere Gate-Treibersignale zu erzeugen; Detektieren einer Stromstärke von dem Phasenzweig zu einer Last; Auswählen des originalen oberen Gate-Treibersignals, um eine obere Schaltvorrichtung in dem Phasenzweig anzusteuern, als Reaktion darauf, dass die detektierte Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist, ansonsten Auswählen des modifizierten oberen Gate-Treibersignals; und Auswählen des originalen unteren Gate-Treibersignals, um eine untere Schaltvorrichtung in dem Phasenzweig anzusteuern, als Reaktion darauf, dass die detektierte Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist, ansonsten Auswählen des modifizierten unteren Gate-Treibersignals.
M. Verfahren nach L, wobei die Totzeit-Einsetzschritte Folgendes umfassen: Verzögern des originalen oberen und unteren Gate-Treibersignals um eine Totzeitkonstante; Eingeben des originalen oberen Gate-Treibersignals und des verzögerten oberen Gate-Treibersignals an ein oberes UND-Gatter, um das modifizierte obere Gate-Treibersignal zu erzeugen; und Eingeben des originalen unteren Gate-Treibersignals und des verzögerten unteren Gate-Treibersignals an ein unteres UND-Gatter, um das modifizierte untere Gate-Treibersignal zu erzeugen.
N. Verfahren nach L, wobei die Totzeit-Einsetzschritte Folgendes umfassen: Erzeugen von Positiv- und Negativversatz-Tastverhältnissen, die um einen vorbestimmten Versatz aus dem befohlenen Tastverhältnis versetzt sind; Vergleichen des PWM-Trägers mit dem Negativversatz-Tastverhältnis, um das modifizierte obere Gate-Treibersignal zu erzeugen; und Vergleichen des PWM-Trägers mit dem Positivversatz-Tastverhältnis, um das modifizierte untere Gate-Treibersignal zu erzeugen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Leistungs-Stromrichters, das Folgendes umfasst: Erzeugen von oberen und unteren Gate-Signalen zum Treiben entsprechender Schaltvorrichtungen in einem Phasenzweig; Detektieren einer Stromstärke von dem Phasenzweig zu einer Last; Einsetzen einer Totzeit lediglich in das untere Gate-Signal, wenn die Stromstärke größer als eine positive Schwelle ist; und Einsetzen einer Totzeit lediglich in das obere Gate-Signal, wenn die Stromstärke kleiner als eine negative Schwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Einsetzen einer Totzeit in sowohl das obere Gate-Signal als auch in das untere Gate-Signal, wenn die Stromstärke zwischen der positiven Schwelle und der negativen Schwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Leistungs-Stromrichter ein Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsmotor eines elektrifizierten Straßenfahrzeugs ist.