DE102019206751A1 - Frequenzumrichter - Google Patents

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Abstract

Ein Frequenzumrichter (1) mit einem Shunt-Widerstand (5) zur Emitter-Shunt-Strommessung weist einen ansteuerbaren Schalter (9) auf, der derart verschaltet und angesteuert ist, dass er einen unerwünschten Stromfluss über einen Bootstrap-Kondensator (7) und den Shunt-Widerstand (5) verhindert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter mit emitterseitiger Strommessung unter Verwendung eines Shunt-Widerstands.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter mit emitterseitiger Strommessung unter Verwendung eines Shunt-Widerstands zur Verfügung zu stellen, der bezogen auf den Stand der Technik die Genauigkeit der Strommessung verbessert.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1.
  • Der Frequenzumrichter weist herkömmlich eine Anzahl von Brückenzweigen auf.
  • Ein jeweiliger Brückenzweig weist einen ersten Leistungshalbleiter auf, beispielsweise in Form eines IGBT. Der erste Leistungshalbleiter weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf.
  • Der erste Leistungshalbleiter ist an seinem ersten Anschluss mit einem ersten elektrischen Leiter elektrisch verbunden, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives, insbesondere im Wesentlichen zeitlich konstantes, Zwischenkreispotential ansteht.
  • Ein jeweiliger Brückenzweig weist weiter einen zweiten Leistungshalbleiter auf, beispielsweise in Form eines IGBT, wobei der zweite Leistungshalbleiter wie der erste Leistungshalbleiter einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist.
  • Der zweite Anschluss des ersten Leistungshalbleiters ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Leistungshalbleiters an einem Mittenabgriff des Brückenzweigs elektrisch verbunden.
  • Ein jeweiliger Brückenzweig weist weiter einen Shunt-Widerstand zur Strommessung auf, wobei der Shunt-Widerstand zwischen den zweiten Anschluss des zweiten Leistungshalbleiters und einen zweiten elektrischen Leiter eingeschleift ist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives, insbesondere im Wesentlichen zeitlich konstantes, Zwischenkreispotential ansteht.
  • Ein jeweiliger Brückenzweig weist weiter einen ersten Treiberbaustein auf. Der erste Treiberbaustein weist einen ersten Spannungsversorgungsanschluss und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss auf, wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den zweiten Spannungsversorgungsanschluss eine Versorgungsspannung mit geeignetem Pegel angelegt ist. Der erste Treiberbaustein weist weiter einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Der Ausgangsanschluss ist mit dem Steueranschluss des ersten Leistungshalbleiters elektrisch verbunden. Am Ausgangsanschluss wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das am Eingangsanschluss angelegt ist, ein Treibersignal mit geeignetem Pegel ausgegeben, dessen Zustand bestimmt, ob der erste Leistungshalbleiter leitet oder sperrt. Zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den zweiten Spannungsversorgungsanschluss des ersten Treiberbausteins ist ein Bootstrap-Kondensator eingeschleift. Hinsichtlich dieser Merkmale sei im Übrigen auch auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Ein jeweiliger Brückenzweig weist weiter einen zweiten Treiberbaustein auf. Der zweite Treiberbausteinweist weist entsprechend zum ersten Treiberbaustein einen ersten Spannungsversorgungsanschluss und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss auf, wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den zweiten Spannungsversorgungsanschluss eine Versorgungsspannung mit geeignetem Pegel angelegt ist. Der zweite Treiberbaustein weist weiter einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf, der mit dem Steueranschluss des zweiten Leistungshalbleiters elektrisch verbunden ist. Am Ausgangsanschluss wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das am Eingangsanschluss angelegt ist, ein Treibersignal mit geeignetem Pegel ausgegeben, dessen Zustand bestimmt, ob der zweite Leistungshalbleiter leitet oder sperrt. Hinsichtlich dieser Merkmale sei im Übrigen auch auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Der Frequenzumrichter bzw. mindestens ein Brückenzweig des Frequenzumrichters weist weiter einen ansteuerbaren Schalter auf, beispielsweise in Form eines FET, der ansteuerungsabhängig einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand aufweist. Der ansteuerbare Schalter ist derart verschaltet, dass er in seinem geöffneten Zustand einen Stromfluss über den Bootstrap-Kondensator und den Shunt-Widerstand verhindert. Erfindungsgemäß können alle Brückenzweige der Anzahl von Brückenzweigen einen derartigen ansteuerbaren Schalter aufweisen. Alternativ kann ein gemeinsamer Schalter vorgesehen sein, der derart verschaltet und angesteuert ist, dass er einen jeweiligen Stromfluss über den jeweiligen Bootstrap-Kondensator und den jeweiligen Shunt-Widerstand verhindert.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein jeweiliger Brückenzweig weiter eine Entkopplungsdiode auf, wobei der ansteuerbare Schalter zwischen einen Speisespannungsanschluss, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters eine positive, insbesondere im Wesentlichen zeitlich konstante, Speisespannung ansteht, und die Anode der Entkopplungsdiode eingeschleift ist, wobei der Bootstrap-Kondensator einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluss des ersten Treiberbausteins und der Kathode der Entkopplungsdiode elektrisch verbunden ist, und wobei der Bootstrap-Kondensator einen zweiten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss des ersten Treiberbausteins und dem Mittenabgriff elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Speisespannung einen Pegel auf, der in einem Bereich zwischen 12V und 36 V liegt. Bevorzugt beträgt der Pegel der Speisespannung 24 V.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Speisespannungsanschluss mit dem ersten elektrischen Leiter elektrisch verbunden, d.h. die Speisespannung entspricht einer Potentialdifferenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential und einem Bezugspotential.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der ansteuerbare Schalter derart angesteuert, dass er während der Strommessung mittels des Shunt-Widerstands einen Stromfluss über den Bootstrap-Kondensator und den Shunt-Widerstand zum zweiten elektrischen Leiter verhindert.
  • Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Leistungshalbleiter und zugehörige Treiberbausteine vorhanden sein können.
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Anzahl von Brückenzweigen genau drei.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter gemäß einer ersten Ausführungsform und
    • 2 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 1 zeigt einen Frequenzumrichter 1 gemäß einer ersten Ausführungsform mit drei Brückenzweigen 2, wobei aus Darstellungsgründen lediglich ein einzelner Brückenzweig 2 der insgesamt drei Brückenzweige dargestellt ist. Die nicht dargestellten Brückenzweige sind entsprechend aufgebaut. Die drei Brückenzweige erzeugen beispielsweise Ansteuersignale für einen Drehstrommotor.
  • Der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weist einen ersten Leistungshalbleiter 3 auf, beispielsweise in Form eines IGBT. Der erste Leistungshalbleiter 3 weist einen ersten Anschluss 3a, einen zweiten Anschluss 3b und einen Steueranschluss 3c auf, wobei der erste Leistungshalbleiter 3 an seinem ersten Anschluss 3a mit einem ersten elektrischen Leiter 12 elektrisch verbunden ist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 1 ein positives Zwischenkreispotential DC+ ansteht,
  • Der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weist weiter einen zweiten Leistungshalbleiter 4 auf, beispielsweise ebenfalls in Form eines IGBT. Der zweite Leistungshalbleiter 4 weist einen ersten Anschluss 4a, einen zweiten Anschluss 4b und einen Steueranschluss 4c auf, wobei der zweite Anschluss 3b des ersten Leistungshalbleiters 3 mit dem ersten Anschluss 4a des zweiten Leistungshalbleiters 4 an einem Mittenabgriff 11 des Brückenzweigs 2 elektrisch verbunden ist.
  • Der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weist weiter einen Shunt-Widerstand 5 zur Strommessung auf, wobei der Shunt-Widerstand 5 zwischen den zweiten Anschluss 4b des zweiten Leistungshalbleiters 4 und einen zweiten elektrischen Leiter 13 eingeschleift ist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 1 ein negatives Zwischenkreispotential DC- ansteht. Die an dem Shunt-Widerstand 5 abfallende Spannung wird mittels eines Differenzverstärkers 14 verstärkt und dann herkömmlich zur Strommessung ausgewertet.
  • Der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weist weiter einen ersten Treiberbaustein 6 auf. Der erste Treiberbaustein 6 weist einen ersten Spannungsversorgungsanschluss 6a und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss 6b, einen Eingangsanschluss 6d und einen Ausgangsanschluss 6c auf, der mit dem Steueranschluss 3c des ersten Leistungshalbleiters 3 elektrisch verbunden ist, wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss 6a und den zweiten Spannungsversorgungsanschluss 6b des ersten Treiberbausteins 6 ein Bootstrap-Kondensator 7 eingeschleift ist.
  • Der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weist weiter einen zweiten Treiberbaustein 8 auf. Der zweite Treiberbaustein 8 weist einen ersten Spannungsversorgungsanschluss 8a und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss 8b, einen Eingangsanschluss 8d und einen Ausgangsanschluss 8c auf, der mit dem Steueranschluss 4c des zweiten Leistungshalbleiters 4 elektrisch verbunden ist. Der erste Spannungsversorgungsanschluss 8a ist mit dem ersten elektrischen Leiter 12 elektrisch verbunden und der zweite Spannungsversorgungsanschluss 8b ist mit dem zweiten Anschluss 4b des zweiten Leistungshalbleiters 4 elektrisch verbunden.
  • Steuerpulse SP zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 3 und 4 werden herkömmlich von einer nicht dargestellten Steuereinheit erzeugt. Die Steuerpulse SP werden an den Eingang 8d des Treiberbausteins 8 und invertiert an den Eingang 6d des Treiberbausteins 6 angelegt.
  • Die bislang beschriebenen Komponenten sind aus dem Stand der Technik hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Verschaltung bekannt, daher sei hinsichtlich ihrer grundlegenden Funktionen auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Erfindungsgemäß weist der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 einen ansteuerbaren Schalter 9 auf, beispielsweise in Form eines FET, der derart verschaltet und angesteuert ist, dass er während einer Strommessung, die auf einer Auswertung einer an dem Shunt-Widerstand 5 abfallenden Spannung basiert, einen unerwünschten Stromfluss von dem ersten elektrischen Leiter 12 über den Bootstrap-Kondensator 7, den zweiten Leistungshalbleiter 4 und den Shunt-Widerstand 5 zum zweiten elektrischen Leiter 13 verhindert.
  • Hierzu weist der exemplarisch dargestellte Brückenzweig 2 weiter eine Entkopplungsdiode 10 auf, wobei der ansteuerbare Schalter 9 zwischen einen Speisespannungsanschluss 17 auf dem ersten elektrischen Leiter 12 und die Anode der Entkopplungsdiode 10 eingeschleift ist. Der Bootstrap-Kondensator 7 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluss 6a des ersten Treiberbausteins 6 und der Kathode der Entkopplungsdiode 10 elektrisch verbunden ist, und der Bootstrap-Kondensator 7 weist einen zweiten Anschluss auf, der mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 6b des ersten Treiberbausteins 6 und dem Mittenabgriff 11 elektrisch verbunden ist.
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Der in 2 gezeigte Frequenzumrichter unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Frequenzumrichter dadurch, dass der Speisespannungsanschluss 17 nicht mit dem ersten elektrischen Leiter 12 elektrisch verbunden ist, sondern mit einer 24 V-Gleichspannungsversorgung elektrisch verbunden ist.
  • Exemplarisch sind noch Entkopplungsdioden 15 und 16 dargestellt, die mit nicht dargestellten Brückenzweigen für Phasen V und W elektrisch gekoppelt sind.
  • Im Übrigen entspricht der in 2 gezeigte Frequenzumrichter dem in 1 gezeigten Frequenzumrichter.
  • Erfindungsgemäß wird bei Verwendung der Emitter-Shunt-Strommessung die Genauigkeit der Strommessung in einem Frequenzumrichter verbessert.
  • Dadurch, dass während der Strommessung der untere Leistungshalbleiter bzw. IGBT 4 eingeschaltet ist, fließt ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltmittels 9 zusätzlich zum eigentlich zu messenden Motorstrom auch ein Bootstrapstrom über den Bootstrap-Kondensator 7 und den zweiten Leistungshalbleiter 4 durch den Shunt-Widerstand 5, was zu einem Strommessfehler führt. Der Messfehler ist bei schmalen Ansteuerpulsen des unteren IGBT 4 besonders groß, da ein hoher Nachladestrom in den Bootstrap-Kondensator 7 fließt, der sich am Shunt-Widerstand als Messfehler bemerkbar macht. Insbesondere bei Frequenzumrichtern mit kleinen Motorströmen macht sich dieser Effekt besonders stark bemerkbar, da das Verhältnis von Bootstrapstrom/Motorstrom grösser ist.
  • Erfindungsgemäß wird bewirkt, dass dieser Bootstrap-Strom unterdrückt wird, so dass nur der interessierende Motorstrom über den Shunt-Widerstand 5 fließt.
  • Der Bootstrapstrom wird erfindungsgemäß durch Hinzufügen des Schaltmittels 9 derart gesteuert, dass während der Strommessphase der Bootstrapstrom unterbrochen wird. Dadurch, dass synchron zur Strommessung (oder Sample) das Laden des Bootstrap-Kondensators 7 verhindert wird, wird im emitterseitigen Shunt-Widerstand 5 nur noch der eigentliche Motorstrom ohne den Bootstrapstrom gemessen.
  • Das Schaltmittel 9 wird beispielsweise mit Pulsen angesteuert, die in Abhängigkeit von Abtastpulsen bzw. Sample-Pulsen gewonnen werden, die ein Abtasten der am Shunt-Widerstand 5 abfallenden Spannung steuern.

Claims (6)

  1. Frequenzumrichter (1), aufweisend: - eine Anzahl von Brückenzweigen (2), wobei ein jeweiliger Brückenzweig (2) aufweist: - einen ersten Leistungshalbleiter (3), wobei der erste Leistungshalbleiter (3) einen ersten Anschluss (3a), einen zweiten Anschluss (3b) und einen Steueranschluss (3c) aufweist, wobei der erste Leistungshalbleiter (3) an seinem ersten Anschluss (3a) mit einem ersten elektrischen Leiter (12) elektrisch verbunden ist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein positives Zwischenkreispotential (DC+) ansteht, - einen zweiten Leistungshalbleiter (4), wobei der zweite Leistungshalbleiter (4) einen ersten Anschluss (4a), einen zweiten Anschluss (4b) und einen Steueranschluss (4c) aufweist, wobei der zweite Anschluss (3b) des ersten Leistungshalbleiters (3) mit dem ersten Anschluss (4a) des zweiten Leistungshalbleiters (4) an einem Mittenabgriff (11) des Brückenzweigs (2) elektrisch verbunden ist - einen Shunt-Widerstand (5) zur Strommessung, wobei der Shunt-Widerstand (5) zwischen den zweiten Anschluss (4b) des zweiten Leistungshalbleiters (4) und einen zweiten elektrischen Leiter (13) eingeschleift ist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein negatives Zwischenkreispotential (DC-) ansteht, - einen ersten Treiberbaustein (6), aufweisend: - einen ersten Spannungsversorgungsanschluss (6a) und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss (6b), - einen Eingangsanschluss (6d) und - einen Ausgangsanschluss (6c), der mit dem Steueranschluss (3c) des ersten Leistungshalbleiters (3) elektrisch verbunden ist, - wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss (6a) und den zweiten Spannungsversorgungsanschluss (6b) des ersten Treiberbausteins (6) ein Bootstrap-Kondensator (7) eingeschleift ist, und - einen zweiten Treiberbaustein (8), aufweisend: - einen ersten Spannungsversorgungsanschluss (8a) und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss (8b), - einen Eingangsanschluss (8d) und - einen Ausgangsanschluss (8c), der mit dem Steueranschluss (4c) des zweiten Leistungshalbleiters (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) weiter aufweist: - einen ansteuerbaren Schalter (9), der derart verschaltet ist, dass er in geöffnetem Zustand einen Stromfluss über den Bootstrap-Kondensator (7) und den Shunt-Widerstand (5) zum zweiten elektrischen Leiter (13) verhindert.
  2. Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Brückenzweig (2) weiter aufweist: - eine Entkopplungsdiode (10), - wobei der ansteuerbare Schalter (9) zwischen einen Speisespannungsanschluss (17), an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) eine positive Speisespannung ansteht, und die Anode der Entkopplungsdiode (10) eingeschleift ist, - wobei der Bootstrap-Kondensator (7) einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluss (6a) des ersten Treiberbausteins (6) und der Kathode der Entkopplungsdiode (10) elektrisch verbunden ist, und - wobei der Bootstrap-Kondensator (7) einen zweiten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (6b) des ersten Treiberbausteins (6) und dem Mittenabgriff (11) elektrisch verbunden ist.
  3. Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Speisespannung einen Pegel aufweist, der in einem Bereich zwischen 12V und 36 V liegt.
  4. Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Speisespannungsanschluss (17) mit dem ersten elektrischen Leiter elektrisch verbunden ist.
  5. Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der ansteuerbare Schalter (9) derart angesteuert ist, dass er während der Strommessung einen Stromfluss über den Bootstrap-Kondensator (7) und den Shunt-Widerstand (5) zum zweiten elektrischen Leiter (13) verhindert.
  6. Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anzahl von Brückenzweigen (2) drei beträgt.
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