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Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines geregelten leistungselektronischen Umrichters, mit einem dem Stromleiter zugeordneten Stromwandler.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines leistungselektronischen Umrichters, wobei der elektrische Strom mittels eines induktiven Stromwandlers gemessen wird.
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Aus der
DE 10 2015 200 654 A1 bzw. der
EP 2 824 464 A1 ist es bekannt, zur Strommessung Strommesswiderstände einzusetzen. Nachteilig an dieser Messmethode ist, dass das Spannungsmesssignal einer leistungselektronischen Anordnung nicht potentialgetrennt von der leistungselektronischen Schaltung erfasst wird. Durch das Einbringen des Strommesswiderstandes in einen Strompfad der leistungselektronischen Anordnung fallen Verluste an, die den Wirkungsgrad der Strommesseinrichtungen beeinträchtigen.
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Aus der
EP 1 580 563 A1 ist es bekannt, zur potentialfreien Strommessung Stromwandler einzusetzen. Die Stromwandler sind relativ kompakt aufgebaut und lassen sich auf engem Bauraum platzieren. Nachteilig an den Stromwandlern ist, dass sie einen relativ großen Einfluss auf das Schaltverhalten der leistungselektronischen Schalter haben, denn diese Stromwandler können nur in einem Kommutierungspfad angeordnet werden. Hierdurch wird eine zusätzliche Streuinduktivität in den Kommutierungspfad eingebracht. Ferner wird die Kommutierungsdauer vergrößert. Bei Einsatz von Stromwandlern kann das zu messende Stromsignal nur während der Einschaltdauer des jeweiligen Kommutierungspfades erfasst werden. Sollte in einer Ausschaltphase (nichtleitender Zustand des Kommutierungspfades) ein Fehlerfall eintreten, kann dieser nicht anhand des gemessenen Stromsignals erkannt werden. Zur Vermeidung dieser Problematik müssten mindestens zwei Stromwandler, also jeweils ein Stromwandler in einem ersten und zweiten Kommutierungspfad angeordnet werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass hierdurch das Schaltverhalten in den Kommutierungspfaden beeinflusst wird. Insbesondere wenn die schaltenden Bauteile der leistungselektronischen Anordnung aus Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) bestehen, sind die Umschaltzeiten (10 bis 25 ns) kleiner als Umschaltzeiten von aus Silizium bestehenden Halbleiterbauelementen (> 100 ns). Deshalb ist es notwendig, dass die Kommutierungspfade so niederinduktiv wie möglich gestaltet werden, um zur Zerstörung elektrischer Bauteile führende hohe Strom-, Spannungsspitzen oder Oszillationen während der Kommutierungsphase zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Strommesseinrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung anzugeben, dass ein vollständiger Stromverlauf ermittelt werden kann, wobei negative Effekte durch Kommutierungsinduktivitäten minimiert werden. Insbesondere soll die Erfindung für Siliziumcarbid- oder Galliumnitrid-Bauteile genutzt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung eine Stromermittlungseinheit aufweist, die eine Verstärkerwicklung aufweist, die dem den zu messenden Strom führenden Stromleiter zugeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Strom repräsentierenden Spulenspannung, die den Stromwandler umfasst, der in einem zweiten Kommutierungspfad angeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Stroms repräsentierenden Messspannung, die einen ersten Steigungsverlauf aufweist, die einen Beobachtermodul umfasst, an dem eingangsseitig die Messspannung und die Spulenspannung anliegt und die derart ausgebildet ist, dass ein Ausgangssignal des Beobachtermoduls im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades einem Verlauf der Messspannung entspricht und in einem Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades einem Verlauf eines Schätzsignals entspricht, wobei das Schätzsignal durch Fortsetzung der Messspannung mit einem zum ersten Steigungsverlauf betragsmäßig gleichen, aber negativen zweiten Steigungsverlauf gebildet ist.
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Die Erfindung ermöglicht einen sehr günstigen und kompakten Aufbau einer Strommesseinrichtung, die auf einem engsten Raum platzierbar ist. Zusatzinduktivitäten in einen Kommutierungspfad werden auf das notwendigste reduziert. Des Weiteren werden Schalteigenschaften der leistungselektronischen Schalter kaum beeinflusst. Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Gesamtstrom in leistungselektronischen Anordnungen auf Basis eines Beobachterprinzips zu ermitteln. Es wird lediglich ein einziger Stromwandler zur Messung des elektrischen Stromes in einem Kommutierungspfad genutzt. Die Messung des Stromes durch diesen Stromwandler erfolgt während des Durchleitungszustandes dieses Kommutierungspfades. Zusätzlich ist eine Stromermittlungseinheit vorgesehen, an dessen Eingang zum einen ein von dem Stromwandler abgegebenes Messsignal und zum anderen ein in einem den Kommutierungspfad mit einer Eingangsspannung verbindenden Stromzweig angeordneten Spule abfallendes Spulensignal anliegt. Dei Stromermittlungseinheit ist derart ausgebildet, dass auf Basis dieser beiden Eingangssignale ein Ausgangssignal ermittelt wird, das im Durchleitungszustand des einen Kommutierungspfades, in dem sich der Stromwandler befindet, dem Verlauf des Messsignals entspricht, und das im Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades dem Verlauf eines Schätzsignals entspricht. Das Schätzsignal wird als Fortsetzung des in einem Kommutierungspfad ermittelten Messsignals berechnet und weist den gleichen betragsmäßigen Steigungsverlauf auf wie das Messsignal, jedoch mit einer zum Messsignal negativer Steigung. Das Ausgangssignal, das dem zu ermittelten Gesamtstrom entspricht, weist im Durchleitungszustand des einen Kommutierungspfades den Verlauf des Messsignals auf, während es im Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades am Messsignal „anknüpft“ und mit negativer Steigung fortsetzt. Es erfolgt somit zum Umschaltzeitpunkt keine sprunghafte Änderung, wie es bei dem Messsignal der Fall ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Stromermittlungseinheit zum einen eine Stromerfassungseinrichtung mit dem Stromwandler sowie einer Gleichrichterbrückenschaltung und eine Schalteinheit zur wahlweisen Durchschaltung eines Gleichrichterbrückenpfades auf, mittels dessen ein Messsignal bereitgestellt werden kann.
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Ferner weist die Stromermittlungseinheit ein Beobachtermodul auf, an dessen Eingang das Messsignal sowie eine Spulenspannung anliegt, die an der Spule abfällt, die in den Stromzweig angeordnet ist, welcher sich zwischen einem Verbindungspunkt des einen (ersten) Kommutierungspfades und des anderen (zweiten) Kommutierungspfades einerseits und einem Anschluss der Eingangsspannung andererseits erstreckt. Dieses Beobachtermodul weist einen Mutiplizierer zum Multiplizieren der Spulenspannung und einer Reglerspannung auf sowie einen Integrator, an dem einer am Ausgang des Multiplizierers liegende Multiplizierspannung integriert wird zu dem Ausgangssignal. Ferner weist das Beobachtermodul einen Regler auf, an dessen Eingang eine Regeldifferenz bestehend aus dem Ausgangssignal und dem Messsignal anliegt. Hierdurch wird das Beobachtungsmodul während des Durchleitungszustandes des einen Kommutierungspfades, in dem sich der Stromwandler befindet, kalibriert, wobei das Ausgangssignal sich dem Messsignal annähert. Der Verlauf des Ausgangssignals während des Durchleitungszustandes des einen Kommutierungspfades entspricht somit dem Messsignal. Erfolgt eine Umschaltung von dem einen Kommutierungspfad auf den anderen Kommutierungspfad, in dem die Verstärkerspule angeordnet ist, wird das Ausgangssignal als Schätzwert ermittelt, wobei für den Schätzwert von dem Messsignal zum Umschaltzeitpunkt ausgegangen wird und dieser mit negativer Steigung zum vorherigen Messsignal während des Durchleitungszustandes des anderen Kommutierungspfades, fortgeführt wird. In dem Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades erfolgt somit eine Schätzung des Stromwertes.
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Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom als Messsignal mittels des Stromwandlers in einem zweiten Kommutierungspfad gemessen wird, während sich der zweite Kommutierungspfad in dem Durchleitungszustand befindet, dass der elektrische Strom im Durchleitungszustand eines ersten Kommutierungspfades als Schätzsignal nur geschätzt wird, wobei das Schätzsignal nach Umschaltung von dem zweiten Kommutierungspfad auf den ersten Kommutierungspfad ausgehend von dem Messsignal unter negativer Steigung zu der Steigung des Messsignals im vorherigen Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades, weiter verläuft.
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Das erfindungsgemäße Strommessverfahren ist kostengünstig, schnell und sehr kompakt. Es ermöglicht insbesondere eine Stromregelung und eine Überwachung in geregelten leistungselektronischen Umrichtern. Die kompakte Bauform der Strommesseinrichtung ermöglicht das Platzieren einer Stromerfassung auf sehr engem Bauraum, so dass der Einfluss auf das Schaltverhalten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente auf einem Minimum reduziert wird. Das Strommessverfahren eignet sich insbesondere für schnellschaltende leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Halbleiterbauelemente aus Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes in einer Halbbrückenschaltung,
- 2 eine detaillierte Darstellung der Strommesseinrichtung,
- 3 Zeitverläufe von verschiedenen Größen der Strommesseinrichtung und
- 4 ein Zeitverlauf von Größen der Strommesseinrichtung vor und nach der Umschaltung von einem Kommutierungspfad zu einem anderen Kommutierungspfad.
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Die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung kann zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere in einem geregelten leistungselektronischen Umrichter, eingesetzt werden. In 1 ist beispielhaft eine Halbbrückenschaltung dargestellt, die einen ersten Kommutierungspfad 1 enthaltend ein erstes leistungselektronisches Bauelement DH und einen zweiten Kommutierungspfad 2 enthaltend ein zweites leistungselektronisches Bauelement DL aufweist. Die leistungselektronischen Bauelemente DH, DL können beispielsweise als Thyristor oder Dioden ausgebildet sein. Es sei angenommen, dass sowohl eine Eingangsspannung U1 als auch eine Ausgangsspannung U2 konstant und größer als Null sind. Darüber hinaus ist die Ausgangsspannung U2 größer als die Eingangsspannung U1.
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In einer vereinfachten Darstellung sind den leistungselektronischen Bauelementen DH, DL jeweils ein Schalter SH, SL parallel geschaltet, die jeweils im eingeschalteten Zustand (SH = 1, SL = 1) einen Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 bzw. des zweiten Kommutierungspfades 2 symbolisieren.
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Die Strommesseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Stromermittlungseinheit 3, die ein Beobachtermodul 4, eine Spulenwicklung bzw. Verstärkerwicklung L mit einer Proportionalitätskonstante K1 sowie einen Stromwandler 6 mit einer Proportionalitätskonstante K2 aufweist. Die Spulenwicklung L ist dem einen zu messenden Strom iL führenden Stromleiter (Kommutierungspfad 2) zugeordnet. Die Spulenwicklung L ist in einem Stromzweig angeordnet, der einen Verbindungspunkt 40 mit einem Anschluss der Eingangsspannung U1 verbindet. Der Verbindungspunkt 40 ist zwischen dem in dem ersten Kommutierungspfad 1 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DH und dem in dem zweiten Kommutierungspfad 2 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DL angeordnet. Die Spulenwicklung L ist nicht parallel zu dem in dem ersten Kommutierungspfad 1 angeordneten leistungselektronischen Bauteil DH angeordnet. Der Stromwandler 6 ist in Reihe zu dem in dem zweiten Kommutierungspfad 2 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DL angeordnet. Der Stromwandler 6 ist vorzugsweise als ein induktiver Stromwandler ausgebildet.
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Die Schalter SH, SL werden wechselweise ein- bzw. ausgeschaltet, wie aus 3 ersichtlich ist. Wird der Schalter SL im zweiten Kommutierungspfad 2 eingeschaltet, wird der Schalter SH im ersten Kommutierungspfad 1 ausgeschaltet. Sobald der Schalter SL eingeschaltet ist, steigt ein zu messender elektrischer Strom iL, der durch die Spulenwicklung L und den Stromwandler 6 fließt, linear an. Der Strom iL wird durch den Stromwandler 6 erfasst und als Messsignal, insbesondere Messspannungsignal uM, einem Eingang des Beobachtermoduls 4 zur Verfügung gestellt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Stromwandler 6 in einer Stromerfassungseinrichtung 7 integriert, die neben dem Stromwandler 6, eine Gleichrichterbrückenschaltung 8, eine Schalteinheit 9 zur wahlweisen Durchschaltung eines Gleichrichterbrückenpfades der Gleichrichterbrückenschaltung 8 sowie einen Bürdenwiderstand RB aufweist. An dem Bürdenwiderstand RB fällt die Messspannung uM ab. Die Schalterstellungen S1, S2 der Schalteinheit 9 sind von der zu messenden Stromrichtung iL abhängig. Beide werden daher komplementär umgeschaltet, sobald sich das Vorzeichen des zu messenden Stromes iL ändert. Dadurch ist das Spannungsmesssignal uM unipolar, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausschließlich positiv.
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Ein Spannungsabfall uL an der Spulenwicklung L, der dem Produkt aus dem Proportionalitätsfaktor K1 und der Eingangsspannung U1 entspricht, liegt an einem weiteren Eingang des Beobachtermoduls 4 an.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, weist das Beobachtermodul 4 im Wesentlichen einen Multiplizierer 10, ein dem Multiplizierer 10 nachgeschalteter Integrator 11 sowie einen Regler 12 auf. An dem Eingang des Multiplizierers 10 liegt der Spannungsabfall uL der Spulenwicklung L sowie eine Reglerspannung uR an. Ausgangsseitig des Multiplizierers 10 liegt ein Produkt uS (uS = uR × uL) an, das als Eingangsspannung an dem Integrator 11 anliegt. Ausgangsseitig des Integrators 11, der einen Operationsverstärker sowie den Widerstand Rl und den Kondensator Cl aufweist, wird eine Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 gebildet, die dem Verlauf des Stromsignals iL im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 und des zweiten Kommutierungspfades 2 entsprechen soll. Die Ausgangsspannung u0 wird über einen Schalter S3 an den Eingang des Reglers 12 geführt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als PI-Regler ausgebildet ist mit einem Operationsverstärker, den Widerständen RR1, RR2 sowie Kondensator CR. An dem anderen Eingang des Reglers 12 liegt die Messspannung uM an. Die ausgangsseitig des Reglers 12 anliegende Reglerspannung uR wird an den einen Eingang des Multiplizierers 10 geführt.
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Wenn sich also der erste Kommutierungspfad 1 nicht im Durchleitungszustand (SH = 0) und der zweite Kommutierungspfad 2 im Durchleitungszustand (SL = 1) befinden, liegt eine positive Spannung, nämlich uL = K1 × U1 an der Spulenwicklung L an. Das Beobachtermodul 4 nutzt die Höhe und das Vorzeichen der Spulenspannung uL, um die Ausgangsspannung u0 an die Messspannung uM anzupassen. Hierdurch wird das Beobachtermodul 4 adaptiv kalibriert, solange die Ausgangsspannung u0 nicht gleich der Messspannung uM ist. Wenn der Schalter SL ausgeschaltet wird (SL = 0) und der Schalter SH eingeschaltet wird (SH = 1) kommutiert der Spulenstrom iL auf den ersten Kommutierungspfad 1. In diesem Umschaltzeitpunkt tU sinkt die Messspannung uM auf Null und die Spulenspannung uL springt auf den Wert uL = K1 (U1 - U2). In diesem Zeitpunkt wird die Messung des Stroms iL bzw. die Beobachtung derselben deaktiviert. Das Beobachtermodul 4 nutzt nun den Spannungswert uL, um das zu messende Stromsignal iL zu schätzen. Sofern die Messspannung uM und die Ausgangsspannung u0 für einen kurzen Zeitraum vor der Umschaltung gleich waren, entspricht der Verlauf der Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 exakt dem mit dem Proportionalitätsfaktor K2 skalierten Stromverlauf (uM = K2 × iL).
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Der Regler 12 ist mittels des Schalters S3 als ein unterbrechbarer Regler mit integrierendem Anteil ausgebildet. Der Regler 12 bewertet die Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung u0 des Integrators 11 und der Messspannung uM. Der Schalter S3 wird eingeschaltet, sobald die Messspannung uM ungleich Null ist.
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Bei geschlossenem Schalter S3 wird die Regeldifferenz (uM - u0) durch den Regler 12 verstärkt und über die Ausgangsspannung uR auf den Multiplizierer 10 zurückgeführt. Ist die Regeldifferenz beispielsweise positiv, steigt die Ausgangsspannung u0 und verstärkt durch Multiplikation mit der Spulenspannung uL die Eingangsspannung us an dem Integrator 11. Hierdurch steigt die Ausgangsspannung U0 schneller an, bis diese mit der Messspannung uM gleich ist. Dann folgt die Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 exakt dem skalierten Strom K2 × iL. Das Beobachtermodul 4 ist damit kalibriert.
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Im Umschaltzeitpunkt tU der Halbbrückenschaltung, also wenn der erste Kommutierungspfad 1 eingeschaltet und der zweite Kommutierungspfad 2 ausgeschaltet wird, fällt die Messspannung uM sprunghaft auf den Wert Null. Gleichzeitig wird der Schalter S3 geöffnet (S3 = 0). Die Regeldifferenz (uM - u0) hat dadurch den Wert 0. Die Ausgangsspannung u0 verharrt auf dem gleichen Spannungswert wie vor dem Umschaltzeitpunkt tU. Gleichzeitig ändert sich die Spannung uL an der Spulenwicklung L, da der Steigungsverlauf der Messspannung uM und der Ausgangsspannung vor dem Umschaltzeitpunkt tU gleich waren. Da sich für das kalibrierte Beobachtermodul 4 nur die Spannung uL der Spulenwicklung L ändert, müssen sowohl die Steigung (K2 × IL) als auch die Ausgangsspannung u0 nach dem Umschaltzeitpunkt tU mit der gleichen betragsmäßigen Steigung weiterverlaufen. Der skalierte Strom K2IL sinkt im gleichen Maße wie die Ausgangsspannung u0. Die Steigung der Ausgangsspannung u0 entspricht betragsmäßig somit der Steigung der Ausgangsspannung u0 vor dem Umschaltzeitpunkt tU. Die Ausgangsspannung u0 weist im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine konstante positive Steigung und im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 eine konstante negative Steigung auf, die betragsmäßig gleich sind. Während des Durchleitungszustandes des ersten Kommutierungspfades 1 wird somit der zu messende Strom iL geschätzt. Der vollständige Verlauf der Ausgangsspannung u0 während des Durchleitungszustandes des ersten Kommutierungspfades 1 und des zweiten Kommutierungspfades 2 entspricht dem zu messenden Gesamtstrom iL.
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Die Proportionalitätsfaktoren K1 und K2 sind linear voneinander abhängig. K2 kann aus folgender Gleichung abgeleitet werden, die zum Umschaltzeitpunkt tU der Halbbrückenschaltung gilt:
u0=UM=UR × K1 × V1 × iL=K2 × iL, wobei V1 die Verstärkung des Integrators 11 ist..
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Daraus folgt die lineare Abbildung: K2=uR × V1 × K1.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Reglerspannung uR sowohl im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 als auch des zweiten Kommutierungspfades 2 konstant. Die Multiplizierspannung us springt nach dem Umschaltzeitpunkt tU auf einen negativen Wert.
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Die Strommesseinrichtung basiert auf den Gedanken, dass während des Durchleitungszustandes eines Kommutierungspfades 1 der Strom IL gemessen und während des Durchleitungszustandes des zweiten Kommutierungspfades 2 geschätzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015200654 A1 [0003]
- EP 2824464 A1 [0003]
- EP 1580563 A1 [0004]
