DE102016209630A1 - Method for operating an inverter and circuit arrangement therefor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters (4) einer elektrischen Maschine (2), bei dem für den oder jeden elektronischen Halbleiterschalter (14) des Umrichters (4) mittels einer Treiberschaltung (20) ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (S) mit Pulsen (P) einer ersten Pulsdauer (τ) erzeugt wird, wobei bei einem Schaltvorgang des oder jedes Pulses (P) eine Pulssequenz (A) mit einer Anzahl von Sequenzpulsen (PA) erzeugt wird, deren Pulsdauern (τA) kurz sind im Vergleich zur ersten Pulsdauer (τ).The invention relates to a method for operating an inverter (4) of an electrical machine (2), in which a pulse-width-modulated control signal (S) with pulses (15) for the or each electronic semiconductor switch (14) of the converter (4) by means of a driver circuit (20). P) of a first pulse duration (τ) is generated, wherein in a switching operation of the or each pulse (P) a pulse sequence (A) with a number of sequence pulses (PA) is generated whose pulse durations (τA) are short compared to the first pulse duration (τ).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters einer elektrischen Maschine sowie eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters eines solchen Umrichters. The invention relates to a method for operating an inverter of an electrical machine and to a circuit arrangement for driving a semiconductor switch of such an inverter.

Kraftfahrzeuge weisen heutzutage eine Anzahl von elektrischen Maschinen auf, welche beispielsweise zum Antrieb eines Kältemittelverdichters einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage eingesetzt werden. Des Weiteren weisen elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, elektromotorische Antriebsmaschinen auf. Motor vehicles today have a number of electrical machines, which are used for example for driving a refrigerant compressor of a motor vehicle air conditioning. Furthermore, electrically driven motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles, electromotive drive machines.

Derartige elektrische Maschinen sind beispielsweise als gesteuerte Synchron- beziehungsweise Elektromotoren ausgeführt, bei denen ein gegenüber einem Stator drehbar gelagerter Rotor durch ein magnetisches Drehfeld angetrieben wird. Zur Erzeugung des Drehfeldes werden Spulenwicklungen des Stators mit einem entsprechenden elektrischen Dreh- oder Motorstrom beaufschlagt, welcher mittels einer (Motor-)Elektronik gesteuert und/oder geregelt wird. Such electrical machines are designed for example as controlled synchronous or electric motors, in which a relative to a stator rotatably mounted rotor is driven by a magnetic rotating field. To generate the rotating field coil windings of the stator are acted upon by a corresponding electrical rotary or motor current, which is controlled and / or regulated by means of a (motor) electronics.

Zur Versorgung mit elektrischer Energie sind elektrische Maschinen dieser Art typischerweise an einen fahrzeuginternen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher (Akkumulator, Batterie) gekoppelt. Zum Betrieb der elektrischen Maschine wird die elektrische Spannung des Energiespeichers mittels eines Umrichters in den Drehstrom gewandelt. For supplying electrical energy, electrical machines of this type are typically coupled to an in-vehicle electrical (high-voltage) energy store (accumulator, battery). To operate the electrical machine, the electrical voltage of the energy storage device is converted by means of an inverter into the three-phase current.

Zur Erzeugung des Drehstroms weist der Umrichter üblicherweise eine Brückenschaltung auf, welche eine Gleichspannung eines Zwischenkreises in den mehrphasigen Drehstrom zum Antrieb des beispielsweise mit Permanentmagneten versehenen Rotors wandelt. Die Brückenschaltung ist hierbei typischerweise aus einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von Brückenmodulen aufgebaut. To generate the three-phase current, the converter usually has a bridge circuit which converts a DC voltage of an intermediate circuit into the polyphase three-phase current for driving the rotor provided, for example, with permanent magnets. The bridge circuit is typically constructed from a number of phases corresponding number of bridge modules.

Zur Ansteuerung der (Leistungs-)Halbleiterschalter der Brückenmodule sind Treiberschaltungen vorgesehen, welche in Abhängigkeit von Signalen eines Controllers (Motorsteuerung) pulsweitenmodulierte Steuersignale an einen jeweiligen Steueranschluss der Halbleiterschalter senden. Im Betrieb werden die beispielsweise als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgeführten Halbleiterschalter durch die Steuersignale getaktet geschaltet, wodurch in der Folge aus der Zwischenkreisspannung der Drehstrom für den Antrieb des Rotors erzeugt wird. To drive the (power) semiconductor switches of the bridge modules driver circuits are provided, which send in response to signals from a controller (motor control) pulse width modulated control signals to a respective control terminal of the semiconductor switch. In operation, the semiconductor switches designed, for example, as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) are switched in a clocked manner by the control signals, as a result of which the three-phase current for the drive of the rotor is generated from the intermediate circuit voltage.

Das Schaltverhalten des (IGBT-)Halbleiterschalters ist hierbei unter anderem abhängig von der Zeit, innerhalb derer der Steueranschluss beziehungsweise das Gate umgeladen wird. Dies ist üblicherweise durch eine geeignete Wahl eines (Gate-)Vorwiderstand gesteuert. Derartige Gate-Vorwiderstände weisen einen festen (ohmschen) Widerstandswert auf, sodass das Schaltverhalten nicht abhängig vom Arbeitspunkt verändert werden kann. The switching behavior of the (IGBT) semiconductor switch depends, among other things, on the time within which the control connection or the gate is reloaded. This is usually controlled by a suitable choice of a (gate) series resistor. Such gate series resistors have a fixed (ohmic) resistance, so that the switching behavior can not be changed depending on the operating point.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Umrichters einer elektrischen Maschine anzugeben, welches ein besonders vorteilhaftes Schaltverhalten der Halbleiterschalter ermöglicht. The invention has for its object to provide a particularly suitable method for operating an inverter of an electrical machine, which allows a particularly advantageous switching behavior of the semiconductor switch.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine nach einem derartigen Verfahren arbeitende Schaltungsanordnung und eine damit ausgestattete elektrische Maschine sowie ein eine derartige Maschine aufweisendes Kraftfahrzeug anzugeben. The invention is furthermore based on the object of specifying a circuit arrangement operating according to such a method and an electrical machine equipped therewith and a motor vehicle having such a machine.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Schaltungsanordnung wird die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und hinsichtlich einer die Schaltungsanordnung aufweisenden elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich eines eine derartige Maschine umfassenden Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1. With regard to the circuit arrangement, the object is achieved with the features of claim 5 and with respect to an electrical machine having the circuit arrangement with the features of claim 9 and with respect to a motor vehicle comprising such a machine with the features of claim 10 according to the invention. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the respective subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines Umrichters einer elektrischen Maschine vorgesehen. Hierzu wird mittels einer oder jeder Treiberschaltung ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (PWM-Signal) für einen jeweils zugeordneten elektronischen Halbleiterschalter des Umrichters erzeugt. Durch das Steuersignal wird der beispielsweise als IGBT ausgeführte Halbleiterschalter im Betrieb des Umrichters getaktet zwischen einem sperrenden und einem leitfähigen Zustand umgeschaltet, sodass in der Folge ein Drehstrom für die elektrische Maschine erzeugt wird. The method according to the invention is provided for operating an inverter of an electrical machine. For this purpose, a pulse width modulated control signal (PWM signal) is generated for each associated electronic semiconductor switch of the inverter by means of one or each driver circuit. During the operation of the converter, the semiconductor switch which is designed, for example, as an IGBT is switched clocked between a blocking state and a conductive state by the control signal, so that a three-phase current is generated for the electric machine as a result.

Das Steuersignal weist eine Anzahl von impuls- oder rechteckförmigen (Signal-)Pulsen mit einer ersten Pulsdauer auf. Der Betrieb der Maschine wird hierbei durch den Tastgrad (duty cycle) des Steuersignals geregelt, also mittels des Verhältnisses der ersten Pulsdauer zu der Periodendauer der aufeinanderfolgenden Pulse und Pulspausen. The control signal has a number of pulse or rectangular (signal) pulses with a first pulse duration. The operation of the machine is controlled by the duty cycle of the control signal, ie by means of the ratio of the first pulse duration to the period of the successive pulses and pulse pauses.

Während eines Pulses wird das Steuersignal durch die Treiberschaltung für die erste Pulsdauer von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel umgeschaltet. Verfahrensgemäß ist hierbei vorgesehen, dass bei einem derartigen (Um-)Schaltvorgang des oder jedes Pulses eine Pulssequenz mit einer Anzahl von Sequenzpulsen erzeugt wird, deren Pulsdauern kurz sind im Vergleich zur ersten Pulsdauer. Dies bedeutet, dass die Treiberschaltung bei einem Umschalten zwischen dem High-Pegel und dem Low-Pegel zusätzlich die Pulssequenz auf das Steuersignal aufprägt. Vorzugsweise weist die gesamte Pulssequenz hierbei eine Dauer auf, welche vergleichsweise kurz gegenüber der ersten Pulsdauer ist. Beispielsweise weist die Pulssequenz in einer geeigneten Ausführungsform eine Sequenzdauer von einigen Hundert Nanosekunden auf, wobei die Größenordnung der ersten Pulsdauern etwa Mikrosekunden beträgt. During a pulse, the control signal is switched by the driver circuit for the first pulse duration of a low level to a high level. According to the method, it is provided that in such a (re) switching operation of the or each pulse, a pulse sequence with a number of sequence pulses is generated, whose Pulse durations are short compared to the first pulse duration. This means that the driver circuit additionally imposes the pulse sequence on the control signal when switching between the high level and the low level. Preferably, the entire pulse sequence in this case has a duration which is comparatively short compared to the first pulse duration. For example, in a suitable embodiment, the pulse sequence has a sequence duration of a few hundred nanoseconds, the order of magnitude of the first pulse durations being approximately microseconds.

Bei einem Umschalten von dem Low-Pegel auf den High-Pegel wird der Halbleiterschalter in den leitenden Zustand geschaltet (Einschaltvorgang). Entsprechend wird der Halbleiterschalter bei einem Umschalten von dem High-Pegel auf den Low-Pegel in den sperrenden Zustand geschaltet (Ausschaltvorgang). Durch die Pulssequenz während des Schaltvorgangs werden die Schaltflanken während des Einschaltvorgangs und/oder Ausschaltvorgangs effektiv verlängert. Mit anderen Worten ist es durch die Pulssequenz möglich, das Schaltverhalten des Halbleiterschalters hinsichtlich verringerter Schaltverluste und reduzierter Überschwinger sowie einer Störungsfreiheit zu steuern und zu optimieren. Insbesondere ist es dadurch möglich, das Schaltverhalten des Halbleiterschalters an einen jeweiligen Arbeitspunkt des Umrichters flexibel anzupassen. Dies überträgt sich vorteilhaft auf den Betrieb des Umrichters und somit auf die elektrische Maschine. When switching from the low level to the high level, the semiconductor switch is switched to the conducting state (switch-on operation). Accordingly, the semiconductor switch is switched in a switching from the high level to the low level in the blocking state (turn-off). Due to the pulse sequence during the switching operation, the switching edges are effectively extended during the switch-on process and / or switch-off process. In other words, it is possible by means of the pulse sequence to control and optimize the switching behavior of the semiconductor switch with regard to reduced switching losses and reduced overshoots as well as freedom from interference. In particular, this makes it possible to flexibly adapt the switching behavior of the semiconductor switch to a respective operating point of the converter. This is advantageously transferred to the operation of the inverter and thus to the electric machine.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird das Steuersignal geglättet. Mit anderen Worten werden die Schaltflanken der Pulse des Steuersignals sowie die jeweiligen Pulssequenzen zur Ansteuerung des (IGBT-)Halbleiterschalters geglättet. Dadurch werden die Lade- und Entladevorgänge an dem Steueranschluss des Halbleiterschalters verzögert, und in der Folge wird die Schaltgeschwindigkeit reduziert, was sich vorteilhaft auf das Schaltverhalten überträgt. In an expedient development, the control signal is smoothed. In other words, the switching edges of the pulses of the control signal and the respective pulse sequences for driving the (IGBT) semiconductor switch are smoothed. Characterized the charging and discharging processes are delayed at the control terminal of the semiconductor switch, and as a result, the switching speed is reduced, which advantageously transmits to the switching behavior.

In einer vorteilhaften Ausbildung wird während der Pulssequenz getaktet zwischen dem High-Pegel und dem Low-Pegel des Steuersignals umgeschaltet. Durch die Pulssequenz wird somit die Ansteuerung des Halbleiterschalters variiert. Insbesondere wird die Ansteuerung während der Pulssequenz getaktet unterbrochen. Dadurch wird effektiv die Steilheit der Schaltflanke des (geglätteten) Pulses reduziert, wodurch die Schaltgeschwindigkeit beim Umschalten des Halbleiterschalters reduziert wird. In der Folge werden beispielsweise Überschwinger des geschalteten (Emitter-)Stromes verringert, wodurch das Schaltverhalten des Halbleiterschalters weiter verbessert wird. In an advantageous embodiment, during the pulse sequence clocked between the high level and the low level of the control signal is switched. The control of the semiconductor switch is thus varied by the pulse sequence. In particular, the control is interrupted clocked during the pulse sequence. As a result, the slope of the switching edge of the (smoothed) pulse is effectively reduced, whereby the switching speed is reduced when switching the semiconductor switch. As a result, for example, overshoots of the switched (emitter) current are reduced, whereby the switching behavior of the semiconductor switch is further improved.

In einer bevorzugten Ausbildung wird sowohl während eines Einschaltvorgangs als auch während eines Ausschaltvorgangs des Steuersignals eine jeweilige Pulssequenz erzeugt. Mit anderen Worten wird vor und nach dem oder jedem Puls eine jeweilige Pulssequenz zur Steuerung des Einschalt- beziehungsweise Ausschaltvorgangs des Halbleiterschalters eingefügt. Dadurch ist ein besonders effektiver und zuverlässiger Betrieb des Umrichters sowie der elektrischen Maschine gewährleistet. In a preferred embodiment, a respective pulse sequence is generated both during a switch-on process and during a switch-off process of the control signal. In other words, a respective pulse sequence for controlling the turn-on or turn-off of the semiconductor switch is inserted before and after the or each pulse. This ensures a particularly effective and reliable operation of the inverter and the electric machine.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zur Durchführung des Verfahrens geeignet und eingerichtet. Mit der Schaltungsanordnung wird ein Halbleiterschalter eines Umrichters einer elektrischen Maschine angesteuert. Hierzu umfasst die Schaltungsanordnung eine Treiberschaltung zur Erzeugung eines dem Steueranschluss des Halbleiterschalters zugeführten pulsweitenmodulierten Steuersignals. Die Treiberschaltung erzeugt hierbei bei einem Schaltvorgang des oder jedes Pulses des Steuersignals eine Pulssequenz mit einer Anzahl von Sequenzpulsen, deren Pulsdauern kurz im Vergleich zu einer ersten Pulsdauer der Pulse sind. Vorzugsweise ist hierbei jedem Halbleiterschalter des Umrichters eine derartige Schaltungsanordnung zugeordnet. The circuit arrangement according to the invention is suitable and arranged for carrying out the method. With the circuit arrangement, a semiconductor switch of an inverter of an electrical machine is driven. For this purpose, the circuit arrangement comprises a driver circuit for generating a pulse width modulated control signal supplied to the control terminal of the semiconductor switch. In the case of a switching operation of the or each pulse of the control signal, the driver circuit generates a pulse sequence having a number of sequence pulses whose pulse durations are short in comparison with a first pulse duration of the pulses. Preferably, each semiconductor switch of the converter is associated with such a circuit arrangement.

In einer vorteilhaften Ausführung ist an den Steueranschluss des Halbleiterschalters ein Kondensator zur Glättung des Steuersignals angeschlossen. In einer geeigneten Weiterbildung ist der Kondensator hierbei insbesondere in einen mit der Treiberschaltung verbundenen Tiefpass, insbesondere einem RC-Tiefpass, geschaltet. Dadurch ist eine schaltungstechnisch besonders einfache und kostengünstige Glättung des Steuersignals realisiert, wodurch eine zuverlässige Ansteuerung des Halbleiterschalters sichergestellt ist. In an advantageous embodiment, a capacitor for smoothing the control signal is connected to the control terminal of the semiconductor switch. In a suitable development, the capacitor is in this case in particular connected to a low-pass filter connected to the driver circuit, in particular an RC low-pass filter. As a result, a circuit technology particularly simple and cost-effective smoothing of the control signal is realized, whereby a reliable control of the semiconductor switch is ensured.

In einer bevorzugten Einbausituation ist der Halbleiterschalter in einem Brückenmodul des Umrichters verschaltet. Dadurch wird eine zuverlässige Erzeugung des Drehstroms gewährleistet. In a preferred installation situation, the semiconductor switch is connected in a bridge module of the converter. This ensures a reliable generation of the three-phase current.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere als eine elektromotorische Synchronmaschine ausgeführt. Hierzu umfasst die Maschine einen Umrichter mit einer Anzahl von Brückenmodulen, mit denen im Betrieb ein Drehfeld für die Maschine erzeugt wird. Die Brückenmodule weisen zu diesem Zwecke jeweils mindestens einen Halbleiterschalter mit einer zugeordneten Schaltungsanordnung zur Ansteuerung auf. The electric machine according to the invention is designed in particular as an electromotive synchronous machine. For this purpose, the machine comprises a converter with a number of bridge modules with which a rotating field for the machine is generated during operation. The bridge modules have for this purpose in each case at least one semiconductor switch with an associated circuit arrangement for driving.

Die elektrische Maschine ist beispielsweise als Antriebsmotor für einen elektromotorischen Kältemittelverdichter einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verbaut. Ebenso denkbar ist beispielsweise eine Ausgestaltungsform als ein Gebläsemotor. In einer bevorzugten Anwendung ist die elektrische Maschine jedoch für den Antrieb einer oder beider Fahrzeugachsen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, ausgeführt. The electric machine is installed, for example, as a drive motor for an electromotive refrigerant compressor of a motor vehicle air conditioning. It is also conceivable, for example, an embodiment as a blower motor. In a preferred application is the electric machine However, for driving one or both vehicle axles of a motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle running.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen: An embodiment of the invention with reference to a drawing is shown in more detail below. Show:

1 in einer schematischen Darstellung einen motorseitigen Umrichter mit drei Brückenmodulen für eine elektrische Maschine, 1 in a schematic representation of a motor-side converter with three bridge modules for an electric machine,

2 ausschnittsweise eines der Brückenmodule mit einem Halbleiterschalter und einer Schaltungsanordnung, 2 detail of one of the bridge modules with a semiconductor switch and a circuit arrangement,

3a und 3b in schematischer Darstellung Signalverläufe innerhalb der Schaltungsanordnung, 3a and 3b schematic representation of waveforms within the circuitry,

4a bis 4c in schematischen Darstellungen zeitliche Signalverläufe des Halbleiterschalters während eines Einschaltvorgangs, und 4a to 4c in schematic representations temporal signal waveforms of the semiconductor switch during a power-up, and

5a bis 5c in schematischen Darstellungen zeitliche Signalverläufe des Halbleiterschalters während eines Ausschaltvorgangs. 5a to 5c in schematic representations temporal waveforms of the semiconductor switch during a turn-off.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.

In der 1 ist eine elektrische Maschine 2 dargestellt, welche als elektromotorischer Antrieb eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs ausgeführt ist. Die Maschine 2 ist mittels eines lediglich motor- beziehungsweise wechselrichterseitig dargestellten Umrichters 4 an eine fahrzeuginterne Hochvolt-Batterie angeschlossen. Der Wechselrichter 4a des Umrichters 4 ist an einen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 6 angeschlossen. Der Wechselrichter 4a weist zu diesem Zwecke eine Brückenschaltung 8 mit drei Brückenmodulen 10 auf, welche von einem gemeinsamen Controller 12 als Motorsteuerung angesteuert und/oder geregelt werden. In the 1 is an electrical machine 2 shown, which is designed as an electric motor drive a motor vehicle not shown. The machine 2 is by means of an inverter only shown on the motor or inverter side 4 connected to an in-vehicle high-voltage battery. The inverter 4a of the inverter 4 is connected to a (DC) DC link 6 connected. The inverter 4a has a bridge circuit for this purpose 8th with three bridge modules 10 on which of a common controller 12 be controlled and / or regulated as a motor control.

Die Brückenmodule 10 sind insbesondere als IGBT-Module ausgeführt und weisen als solche jeweils zwei durch (IGBT-)Halbleiterschalter 14 gebildete Brückenzweige auf. Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 14 ist eine jeweils zugeordnete Schaltungsanordnung 16 vorgesehen, welche signaltechnisch an den Controller 12 gekoppelt ist. Im Betrieb werden die Halbleiterschalter 14 der Brückenmodule 10 vom Controller 12 derart angesteuert, dass eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 6 in eine dreiphasige Motorspannung beziehungsweise einen dreiphasigen Drehstrom mit den Phasen u, v, w zum Betrieb der Maschine 2 gewandelt wird. Hierzu versendet der Controller 12 während des Betriebs ein jeweiliges Controllersignal C an jede der sechs Schaltungsanordnungen 16 der drei Brückenmodule 10. The bridge modules 10 are in particular designed as IGBT modules and, as such, each have two (IGBT) semiconductor switches 14 formed bridge branches. For controlling the semiconductor switches 14 is a respectively associated circuit arrangement 16 provided, which signaling to the controller 12 is coupled. In operation, the semiconductor switches 14 the bridge modules 10 from the controller 12 controlled such that a DC link voltage U ZK of the DC link 6 in a three-phase motor voltage or a three-phase current with the phases u, v, w for operating the machine 2 is converted. For this the controller ships 12 during operation, a respective controller signal C to each of the six circuitry 16 the three bridge modules 10 ,

Die Halbleiterschalter 14 sind – wie in 2 erkenntlich – mittels eines jeweiligen Steueranschlusses 18 an die jeweils zugeordnete Schaltungsanordnung 16 gekoppelt. The semiconductor switches 14 are - as in 2 recognizable - by means of a respective control terminal 18 to the respectively associated circuit arrangement 16 coupled.

Die Schaltungsanordnung 16 weist eine durch das Controllersignal C gesteuerte Treiberschaltung 20 auf. Die Treiberschaltung 20 erzeugt in Abhängigkeit des Controllersignals C ein pulsweitenmoduliertes (An-)Steuersignal S mit einer Anzahl von impuls- beziehungsweise rechteckförmigen Pulsen P mit einer Pulsdauer τ und einer Periodendauer T. The circuit arrangement 16 has a driver circuit controlled by the controller signal C. 20 on. The driver circuit 20 generates in response to the controller signal C a pulse width modulated (on) control signal S with a number of pulse or rectangular pulses P with a pulse duration τ and a period T.

Das pulsweitenmodulierte Steuersignal S wird mittels eines Tiefpasses 22 geglättet. Das dadurch erzeugte Steuersignal S‘ wird an den Steueranschluss 18 geführt, in dessen Abhängigkeit der Halbleiterschalter 14 periodisch zwischen einem leitenden oder niederohmigen und einem sperrenden oder hochohmigen Zustand umgeschaltet wird. The pulse width modulated control signal S is by means of a low-pass filter 22 smoothed. The control signal S 'generated thereby is sent to the control terminal 18 led, in whose dependence the semiconductor switch 14 is periodically switched between a conductive or low-resistance and a blocking or high-resistance state.

Der Tiefpass 22 der Schaltungsanordnung 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Tiefpass erster Ordnung ausgeführt. Hierzu weist der Tiefpass 22 ein RC-Glied mit einem (ohm‘schen) Widerstand 24 und einem Kondensator 26 auf. Der Halbleiterschalter 14 ist vorzugsweise als ein IGBT mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode ausgeführt, wobei der Gate-Anschluss den Steueranschluss 18 bildet. Zur Bildung des Brückenzweigs ist der Halbleiterschalter 14 mittels eines Kollektor-Anschlusses 28 und eines Emitter-Anschlusses 30 an den Zwischenkreis 6 und an eine die Phasen u, v, w führende – nicht näher bezeichnete – Leitung verschaltet. The low pass 22 the circuit arrangement 16 is executed in this embodiment as a first-order low-pass filter. This is indicated by the low pass 22 an RC element with a (ohmic) resistance 24 and a capacitor 26 on. The semiconductor switch 14 is preferably designed as an IGBT with a parallel-connected freewheeling diode, wherein the gate terminal is the control terminal 18 forms. To form the bridge branch is the semiconductor switch 14 by means of a collector connection 28 and an emitter terminal 30 to the DC link 6 and connected to a phase u, v, w leading - unspecified - line.

Bei dem in 2 dargestellten Halbleiterschalter 14 ist der Widerstand 24 in einer Reihenschaltung zwischen der Treiberschaltung 20 und dem Gate-Anschluss 18 verschaltet, wobei der Kondensator 26 einerseits dem Widerstand 24 nachgeschaltet und andererseits parallel zu der Gate-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 14 an den Zwischenkreis 6 gekoppelt ist. Durch den Kondensator 26 wird das Steuersignal S zu dem Steuersignal S‘ geglättet, mit welchem der Halbleiterschalter 14 geschaltet wird. At the in 2 illustrated semiconductor switch 14 is the resistance 24 in a series connection between the driver circuit 20 and the gate terminal 18 interconnected, the capacitor 26 on the one hand the resistance 24 connected downstream and on the other hand parallel to the gate-emitter path of the semiconductor switch 14 to the DC link 6 is coupled. Through the capacitor 26 the control signal S is smoothed to the control signal S ', with which the semiconductor switch 14 is switched.

In den 3a und 3b sind beispielhafte Signalverläufe für das durch die Treiberschaltung 20 generierte Steuersignal S (3a) sowie für einen einzelnen Puls P (3b) gezeigt. Die schematisierten Signalverläufe sind hierbei entlang einer jeweiligen Abszissenachse als Zeitachse t und einer jeweiligen Ordinatenachse als Spannungsachse U aufgetragen. In the 3a and 3b are exemplary waveforms for the driver circuit 20 generated control signal S ( 3a ) as well as for a single pulse P ( 3b ). The schematic signal curves are hereby plotted along a respective abscissa axis as a time axis t and a respective ordinate axis as a voltage axis U.

Wie insbesondere in der 3b erkenntlich wird, weisen die Pulse P während eines Einschalt- beziehungsweise Ausschaltvorgangs, das bedeutet bei einem Umschalten zwischen einem Low-Pegel Ulow und einen High-Pegel Uhigh, eine zusätzliche Pulssequenz A auf. Die Pulssequenzen A umfassen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen Puls PA und eine zwischen den Pulsen P und PA eingebrachte Pulspause (Wartezeit) tw. Die (Sequenz-)Pulse PA der Pulssequenzen A weisen hierbei jeweils eine im Vergleich zur Pulsdauer τ kurze Pulsdauer τA auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Pulsdauer τA sowie die Wartezeit tw einige Zehn Nanosekunden lang, wobei die Pulsdauer τ im Bereich von Mikrosekunden ist. As in particular in the 3b is recognizable, have the pulses P during a switch-on or switch-off, that means at a switch between a low level U low and a high level U high , an additional pulse sequence A. In the exemplary embodiment shown, the pulse sequences A each comprise a pulse P A and a pulse pause (waiting time) t w introduced between the pulses P and P A. In this case, the (sequence) pulses P A of the pulse sequences A each have a short pulse duration τ A compared to the pulse duration τ. In a preferred embodiment, the pulse duration τ A and the waiting time t w are several tens of nanoseconds, with the pulse duration τ being in the range of microseconds.

Durch die Pulssequenzen A wird der Halbleiterschalter 14 mit der Gatespannung des Steuersignals S‘ pulsend oder getaktet ein- beziehungsweise ausgeschaltet. Insbesondere wird durch die Glätt- oder Filterwirkung des Tiefpasses 22 die Ansteuerung des Gate-Anschlusses 18 kurzzeitig unterbrochen. Dadurch werden die Lade- beziehungsweise Entladevorgänge am Gate-Anschluss 18 des Halbleiterschalters 14 während des Umschaltens verzögert, wodurch die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters 14 reduziert wird. Durch die Pulssequenzen A ist somit das Schaltverhalten des Halbleiterschalters 14 steuerbar. Die Pulssequenzen A sind hierbei zweckmäßigerweise derart gewählt, dass im Betrieb möglichst geringe Schaltverluste und Überschwinger sowie eine möglichst hohe Störungsfreiheit realisiert werden. By the pulse sequences A, the semiconductor switch 14 with the gate voltage of the control signal S 'pulsed or clocked on or off. In particular, by the smoothing or filtering effect of the low pass 22 the control of the gate connection 18 briefly interrupted. As a result, the charging or discharging at the gate terminal 18 of the semiconductor switch 14 delayed during the switching, whereby the switching speed of the semiconductor switch 14 is reduced. By the pulse sequences A is thus the switching behavior of the semiconductor switch 14 controllable. The pulse sequences A are expediently chosen such that the lowest possible switching losses and overshoots and the highest possible freedom from interference are realized during operation.

In den 4a bis 4c sind beispielhaft Signalverläufe für eine Gate-Emitter-Spannung UGE (4a) und einen Emitterstrom IE (4b) sowie eine Kollektor-Emitter-Spannung UCE (4c) während eines Einschaltvorgangs des Halbleiterschalters 14 gezeigt. Die schematisierten Signalverläufe sind hierbei entlang einer gemeinsamen Abszissenachse als Zeitachse t und einer jeweiligen Ordinatenachse als Spannungsachse U beziehungsweise Stromachse I aufgetragen. Die Figuren zeigen jeweils einen Vergleich zwischen einer direkten Ansteuerung des Gate-Anschlusses 18 mit einem Steuersignal S ohne die Pulssequenzen A – dargestellt als eine durchgezogene Linie – sowie eine Ansteuerung des Gate-Anschlusses 18 mit einem geglätteten Steuersignal S‘ mit den Pulssequenzen A – dargestellt als eine strichpunktierte Linie. In the 4a to 4c are exemplary waveforms for a gate-emitter voltage U GE ( 4a ) and an emitter current I E ( 4b ) and a collector-emitter voltage U CE ( 4c ) during a turn-on operation of the semiconductor switch 14 shown. The schematized signal profiles are hereby plotted along a common abscissa axis as time axis t and a respective ordinate axis as voltage axis U or current axis I. The figures each show a comparison between a direct control of the gate terminal 18 with a control signal S without the pulse sequences A - shown as a solid line - as well as a control of the gate terminal 18 with a smoothed control signal S 'with the pulse sequences A - shown as a dot-dash line.

Wie in einer zusammenschauenden Betrachtung der 4a bis 4c vergleichsweise deutlich ersichtlich, wird das Schaltverhalten des Halbleiterschalters 14 durch die Pulssequenz A und die anschließende Glättung des Steuersignals S verbessert. Die zwischen dem Gate-Anschluss 18 und dem Emitter-Anschluss 30 abfallende Gate-Emitter-Spannung UGE weist bei einem Schalten mittels des Steuersignals S‘ eine reduzierte Schaltgeschwindigkeit auf. Dadurch wird einerseits eine Reduktion eines Überschwingers Ü1 bei dem Emitterstrom IE bewirkt sowie andererseits eine Verringerung der Schaltgeschwindigkeit der zu schaltenden Kollektor-Emitter-Spannung UCE zwischen dem Kollektor-Anschluss 28 und dem Emitter-Anschluss 30. As in a close look at the 4a to 4c comparatively clearly seen, the switching behavior of the semiconductor switch 14 improved by the pulse sequence A and the subsequent smoothing of the control signal S. The between the gate terminal 18 and the emitter terminal 30 decreasing gate-emitter voltage U GE has a reduced switching speed when switching by means of the control signal S '. As a result, on the one hand, a reduction of an overshoot Ü 1 is effected at the emitter current I E and, on the other hand, a reduction in the switching speed of the collector-emitter voltage U CE to be switched between the collector connection 28 and the emitter terminal 30 ,

In den 5a bis 5c sind entsprechende Signalverläufe für den Gate-Emitter-Spannung UGE (5a) und den Emitterstrom IE (5b) sowie der Kollektor-Emitter-Spannung UCE (5c) für einen Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters 14 gezeigt. Die 5a bis 5c zeigen hierbei jeweils einen Vergleich zwischen der direkten Ansteuerung des Gate-Anschlusses 18 mit einem Steuersignal S ohne die Pulssequenzen A – dargestellt als eine strichpunktierte Linie – sowie eine Ansteuerung des Gate-Anschlusses 18 mit einem geglätteten Steuersignal S‘ mit den Pulssequenzen A – dargestellt als eine durchgezogene Linie. In the 5a to 5c are corresponding signal curves for the gate-emitter voltage U GE ( 5a ) and the emitter current I E ( 5b ) and the collector-emitter voltage U CE ( 5c ) for a turn-off of the semiconductor switch 14 shown. The 5a to 5c each show a comparison between the direct control of the gate terminal 18 with a control signal S without the pulse sequences A - shown as a dot-dash line - and a control of the gate terminal 18 with a smoothed control signal S 'with the pulse sequences A - shown as a solid line.

Wie in der 5a ersichtlich ist, ist die Schaltgeschwindigkeit der Gate-Emitter-Spannung UGE reduziert, wodurch der Emitterstrom IE langsamer abfällt. Dadurch wird ein Überschwinger Ü2 in der Kollektor-Emitter-Spannung UCE während des Ausschaltens reduziert. Like in the 5a it can be seen, the switching speed of the gate-emitter voltage U GE is reduced, whereby the emitter current I E decreases more slowly. This reduces an overshoot Ü 2 in the collector-emitter voltage U CE during turn-off.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit der Erfindung beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the invention can also be combined with each other in other ways, without departing from the subject matter of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

2  2
Maschine machine
44
Umrichter  inverter
66
Zwischenkreis DC
6a 6a
Wechselrichter inverter
8 8th
Brückenschaltung bridge circuit
10 10
Brückenmodul bridge module
12 12
Controller controller
14 14
Halbleiterschalter Semiconductor switches
16 16
Schaltungsanordnung circuitry
18 18
Steueranschluss/Gate-Anschluss Control terminal / gate terminal
20 20
Treiberschaltung driver circuit
22 22
Tiefpass lowpass
24 24
Widerstand resistance
26 26
Kondensator capacitor
28 28
Kollektor-Anschluss Collector terminal
30 30
Emitter-Anschluss Emitter terminal
UZK U ZK
Zwischenkreisspannung Intermediate circuit voltage
u, v, w and many more
Phase phase
C C
Controllersignal controller signal
S, S‘ S, S '
Steuersignal control signal
P P
Puls Pulse
PA P A
Sequenzpuls pulse sequence
τ, τA τ, τ A
Pulsdauer pulse duration
T T
Periodendauer period
U U
Spannungsachse voltage axis
I I
Stromachse current axis
t t
Zeitachse timeline
Ulow U low
Low-Pegel Low level
Uhigh U high
High-Pegel High level
A A
Pulssequenz pulse sequence
tw t w
Wartezeit waiting period
Ü1, Ü2 Ü 1 , Ü 2
Überschwinger overshoots

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines Umrichters (4) einer elektrischen Maschine (2), bei dem für den oder jeden elektronischen Halbleiterschalter (14) des Umrichters (4) mittels einer Treiberschaltung (20) ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (S) mit Pulsen (P) einer ersten Pulsdauer (τ) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schaltvorgang des oder jedes Pulses (P) eine Pulssequenz (A) mit einer Anzahl von Sequenzpulsen (PA) erzeugt wird, deren Pulsdauern (τA) kurz sind im Vergleich zur ersten Pulsdauer (τ). Method for operating an inverter ( 4 ) an electric machine ( 2 ), in which for the or each electronic semiconductor switch ( 14 ) of the inverter ( 4 ) by means of a driver circuit ( 20 ) a pulse width modulated control signal (S) with pulses (P) of a first pulse duration (τ) is generated, characterized in that during a switching operation of the or each pulse (P) generates a pulse sequence (A) with a number of sequence pulses (P A ) is whose pulse durations (τ A ) are short compared to the first pulse duration (τ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S) geglättet wird. A method according to claim 1, characterized in that the control signal (S) is smoothed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Pulssequenz (A) getaktet zwischen einem High-Pegel (Uhigh) und einem Low-Pegel (Ulow) des Steuersignals (S) umgeschaltet wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that during the pulse sequence (A) clocked between a high level (U high ) and a low level (U low ) of the control signal (S) is switched. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl während eines Einschaltvorgangs als auch während eines Ausschaltvorgangs des Steuersignals (S) eine jeweilige Pulssequenz (A) erzeugt wird. Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a respective pulse sequence (A) is generated both during a switch-on operation and during a switch-off operation of the control signal (S). Schaltungsanordnung (16) zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters (14) eines Umrichters (4) einer elektrischen Maschine (2), mit einer Treiberschaltung (20) zur Erzeugung eines dem Steueranschluss (18) des Halbleiterschalters (14) zugeführten pulsweitenmodulierten Steuersignals (S), dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (20) bei einem Schaltvorgang eines oder jedes Pulses (P) des Steuersignals eine Pulssequenz (A) mit einer Anzahl von Sequenzpulsen (PA) erzeugt, deren Pulsdauern (τA) kurz im Vergleich zu einer ersten Pulsdauer (τ) der Pulse (P) sind. Circuit arrangement ( 16 ) for driving a semiconductor switch ( 14 ) of an inverter ( 4 ) an electric machine ( 2 ), with a driver circuit ( 20 ) for generating a control terminal ( 18 ) of the semiconductor switch ( 14 ) supplied pulse width modulated control signal (S), characterized in that the driver circuit ( 20 ) During a switching operation of one or each pulse (P) of the control signal a pulse sequence (A) with a number of sequence pulses (P A) produced whose pulse durations (τ A) short in comparison with a first pulse duration (τ) of the pulses (P) are. Schaltungsanordnung (16) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Steueranschluss (18) des Halbleiterschalters (14) ein Kondensator (26) zur Glättung des Steuersignals (S) angeschlossen ist. Circuit arrangement ( 16 ) according to claim 5, characterized in that to the control terminal ( 18 ) of the semiconductor switch ( 14 ) a capacitor ( 26 ) is connected to smooth the control signal (S). Schaltungsanordnung (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (26) in einen mit der Treiberschaltung (20) verbundenen Tiefpass (22), insbesondere einen RC-Tiefpass, geschaltet ist. Circuit arrangement ( 16 ) according to claim 6, characterized in that the capacitor ( 26 ) into one with the driver circuit ( 20 ) associated low pass ( 22 ), in particular an RC low pass, is connected. Schaltungsanordnung (16) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (14) in einem Brückenmodul (10) des Umrichters (4) verschaltet ist. Circuit arrangement ( 16 ) according to one of claims 5 to 7, characterized in that the semiconductor switch ( 14 ) in a bridge module ( 10 ) of the inverter ( 4 ) is interconnected. Elektrische Maschine (2), insbesondere elektromotorische Synchronmaschine, mit einem zur Erzeugung eines Drehfeldes vorgesehenen Umrichter (4) mit einer Anzahl von Brückenmodulen (10), wobei jedem Brückenmodul (10) mindestens ein Halbleiterschalter (14) mit einer Schaltungsanordnung (16) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zugeordnet ist. Electric machine ( 2 ), in particular electromotive synchronous machine, with a provided for generating a rotating field inverter ( 4 ) with a number of bridge modules ( 10 ), each bridge module ( 10 ) at least one semiconductor switch ( 14 ) with a circuit arrangement ( 16 ) is assigned according to one of claims 5 to 8. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) nach Anspruch 9. Motor vehicle, in particular electric or hybrid vehicle, with an electric machine ( 2 ) according to claim 9.
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