DE102022110488A1 - Vorrichtung und Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe Download PDF

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Abstract

Bei einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) mit zumindest zwei parallel geschalteten N-Level Halbbrückenzweigen (3) soll eine symmetrische Stromverteilung auf die Halbbrückenzweige (3) erreicht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) einen Schaltzustand-Selektor (6) umfasst, wobei der Schaltzustand-Selektor (6) derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (i1, i2, i3) erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom (i1, i2, i3) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (iLC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) symmetrisch verteilt. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) sowie ein Computerprogrammprodukt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe. Auch betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen sowie ein Computerprogrammprodukt.
  • Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppen werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise werden Sie in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen als reaktionsschnelle Stromquellen eingesetzt, um die geforderten Phasenströme (beispielsweise von emulierten Motoren oder Batterien) elektrisch nachbilden zu können.
  • Von einer elektrischen Spannung, der das Attribut „Hochvolt“ (HV) zugeordnet wird, ist in der Fachwelt üblicherweise die Rede, wenn
    • (i) bei Gleichspannung (DC) der Spannungsbetrag größer als 60 Volt und maximal 1500 Volt ist, oder
    • (ii) bei Wechselspannung (AC) der maximale Effektivwert der Spannung größer als 30 Volt und maximal 1000 Volt ist.
  • Der Begriff „Hochvolt“ wird häufig im Kontext einer Beschreibung von Fahrzeugtechnik, besonders in der Hybrid- und Brennstoffzellentechnologie sowie bei batterieelektrischen Fahrzeugen und bei Testsystemen aus dem genannten Kontext verwendet.
  • In dreiphasigen PV-Wechselrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen werden insbesondere Leistungselektronik-Baugruppen mit NPC-Topologie (Neutral Point Clamped) eingesetzt. Im Gegensatz zu einer einfachen Halbbrücke (Zwei-Level Modul) bietet eine NPC-Topologie eine zusätzliche Spannungsebene am Ausgang. Das Potenzial am Ausgang der Halbbrücke springt nicht nur auf ein erstes Potential DC+ und ein zweites Potential DC-, sondern kann auch den Zustand 0 (null Volt) annehmen. Beispielsweise können Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) verwendet werden. Die inneren IGBT-Schalter werden als NP (neutral point) IGBTs bezeichnet und der Mittelpunkt des Zwischenkreises wird zum Ausgang geschaltet. In 1 ist ein Beispiel einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe 1 aus dem Stand der Technik gezeigt. Die in 1 gezeigte Leistungselektronik-Baugruppe 1 umfasst drei parallel angeordnete 3-Level Halbbrückenzweige 3. Unter Level ist in der Beschreibung eines Halbbrückenzweigs 3 ein Potentialniveau der Spannungsversorgung des Halbbrückenzweiges 3 zu verstehen. Durch geeignete Schaltkombination der in den Halbbrückenzweigen 3 verbauten Schalter Sx1 bis Sx4 (mit x = {1;2;3}) kann die jeweilige Ausgangsspannung vMod,1, vMod,2, vMod,3 am Mittelabgriff 5 jedes Zweigs 3 x diskrete Werte annehmen.: + VDC/2, 0 V und - VDC/2. Die zugehörigen Schaltkombinationen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1
    Zustand Eingeschaltete Schalter Ausgeschaltete Schalter Zweig-Ausgangsspannung (Level)
    1 Sx1 und Sx2 Sx3 und Sx4 vMod,x = + VDC/2
    0 Sx2 und Sx3 Sx1 und Sx4 vMod,x = 0 V
    -1 Sx3 und Sx4 Sx1 und Sx2 vMod,x = - VDC/2
  • Die Mittelabgriffe 5 jedes Halbbrückenzweigs 3 werden über induktive Bauelemente beispielsweise über magnetisch gekoppelte Zweiwickeldrosseln M12, M23, M31 im entgegengesetzten Wicklungssinn jeweils mit beiden Nachbarzweigen gekoppelt und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt 4 geführt. Damit wird verhindert, dass unterschiedliche Ausgangspotenziale zweier Drei-Level-Zweige 3 hart aufeinander geschaltet werden. Abgesehen von deren Streuinduktivität wirken die Zweiwickeldrosseln M12, M23, M31 nur dann induktiv zwischen den angeklemmten Zweigen 3, wenn eine ungleiche Stromverteilung vorliegt. Sind beide betrachteten Zweigströme i1, i2, i3 gleich groß, heben sich die jeweils eingebrachten magnetischen Durchflutungen auf und es wirkt lediglich die Streuinduktivität der Zweiwickeldrossel. Sind beide betrachteten Zweigströme i1, i2, i3 unterschiedlich groß, bildet sich eine bleibende Durchflutung im Kern der Zweiwickeldrossel M12, M23, M31 aus und diese wirkt als Induktivität. Dieses induktive Verhalten ist so gerichtet, dass sie der Asymmetrie der Zweigströme i1, i2, i3 entgegenwirkt. Im kleineren Zweigstrom i1, i2, i3 wird eine positive Stromänderung angeregt, im größeren Zweigstrom i1, i2, i3 eine negative Stromänderung. Damit ist hardwareseitig eine Instanz implementiert, die der Asymmetrie der Zweigströme i1, i2, i3 entgegenwirkt. Diese hardwareseitige Implementierung ist aber nicht in der Lage, die Asymmetrie der Zweigströme i1, i2, i3 vollständig auszugleichen.
  • Im Fall, dass die Asymmetrie der Zweigströme i1, i2, i3 zu groß gerät, steigt die Durchflutung im Kern der Zweiwickeldrossel M12, M23, M31 und führt zur Sättigung derselben. Damit reduziert sich, bzw. verschwindet die induktive Wirkung der Drossel M12, M23, M31 und hat eine Mitkopplung zur Folge. Aus weniger Induktivität folgt eine größere Strom-Asymmetrie was mehr Durchflutung und mehr Sättigung und noch weniger Induktivität bewirkt. Dies hat negative Auswirkungen auf die symmetrische Stromverteilung der einzelnen Zweigströme i1, i2, i3.
  • Es ist daher die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe bereitzustellen, die die symmetrische Stromverteilung in der Leistungselektronik-Baugruppe verbessert.
  • Diese Aufgabe wird durch technische Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Technisch vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
  • Gemäß eines Aspektes wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe gelöst, die Leistungselektronik-Baugruppe umfassend zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige, die Halbbrückenzweige umfassend zumindest N Schalter eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung eines Halbbrückenzweigs an einem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe jedes Halbbrückenzweigs über zumindest eine entgegengesetzte magnetische Kopplung jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung am Sammelpunkt diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung umfassend einen Schaltzustand-Selektor, wobei der Schaltzustand-Selektor derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige symmetrisch verteilt.
  • Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, anhand von redundanter Schaltkombinationen parallel geschalteter N-Level Halbbrücken zu bewirken, dass sich der Gesamtstrom jeweils symmetrisch auf die zumindest zwei parallelen Zweige verteilt. Die Ausgangsspannung am gemeinsamen Sammelpunkt wird dadurch nicht beeinflusst. Dabei wählt ein Schaltzustand-Selektor aus den möglichen Schaltzuständen diejenige Schaltkombination aus, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige symmetrisch verteilt. Die Leistungselektronik-Baugruppe kann sowohl als Spannungsquelle als auch als Stromquelle eingesetzt werden. Durch die entgegengesetzte magnetische Kopplung eines jeden Halbbrückenzweigs mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen kann zusätzlich eine Asymmetrie der Ströme reduziert werden. Durch die vorgeschlagene Erfindung wird auch die Sättigung in der entgegengesetzten magnetischen Kopplung, beispielsweise in Zweiwickeldrosseln, aktiv verhindert. Durch Asymmetrien der Zweigströme werden die eingesetzten Schalter in den Modulen unterschiedlich stark belastet. Für Arbeitspunkte nahe dem Maximalstrom müssten auftretende Asymmetrien bei der Auslegung der Schalter berücksichtigt werden und auf höhere Stromtragfähigkeiten zurückgegriffen werden. Die vorgeschlagene Ansteuerung verhindert aktiv diese Asymmetrien.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe drei parallele 3-Level Halbbrückenzweige. Durch mehr Level in dem Halbbrückenzweig und/oder einer größeren Anzahl an parallelen Halbbrückenzweigen kann eine bessere Spannungsauflösung erreicht werden. Je mehr Level die verwendete Halbbrückentopologie hat desto weniger spannungsfest müssen die einzelnen Bauteile ausgelegt werden. Mit zunehmender Zahl paralleler Halbbrücken kann entweder der maximal zulässige Gesamtstrom oder die Strombelastung der einzelnen Halbbrücken gesenkt werden, da sich der Strom auf mehr Halbbrückenzweige verteilen kann. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass drei parallelen 3-Level Halbbrückenzweigen besonders vorteilhaft sind, da direkt sieben diskrete Zustände gestellt werden können, wobei vier der diskreten Zustände jeweils über drei redundante Schalterstellungen realisiert werden können. Mehr Level oder mehr parallele Halbleiterbrücken führen nicht zu einem linearen Wachstum des Aufwandes (Komplexität und Kosten der Hardware) und Nutzen (mögliche diskrete Zustände und mögliche diskrete Schalterstellungen) sondern der Aufwand wächst überproportional gegenüber dem Nutzen. Daher liefern gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung bereits drei parallele 3-Level Halbbrückenzweige einen guten Kompromiss zwischen der Spannungsfestigkeit und der Anzahl der Bauelemente, dem Preis und der Komplexität der Schaltung.
  • In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die N-Level Halbbrückenzweige N-Level NPC Halbbrückenzweige. NPC Halbbrückenzweige haben den Vorteil, dass von den Bauteilen nur die Hälfte der Sperrspannungsfähigkeit, die für herkömmliche Topologien benötigt wird, erfordert wird.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weisen die N-Level NPC Halbbrückenzweige SiC-MOSFETs auf. MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC-MOSFETs) haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Bausteinen auf Basis von Silizium niedrige Leitungs- und Schaltverlust sowie kompaktere Form aufweisen. Im Vergleich zu klassischen Silizium-Versionen weisen SiC-MOSFETs weitere Vorzüge auf. Dazu zählen der höhere Wirkungsgrad und eine geringere Verlustleistung. Hinzu kommen bis zu zehnfach höhere Schaltgeschwindigkeiten als bei Silizium. Das wiederum ermöglicht den Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren. Hierdurch besteht die Möglichkeit, leichtere und kostengünstigere Systeme zu realisieren. Bei Stromversorgungen lassen sich das Volumen und das Gewicht mithilfe von SiC-Komponenten stark reduzieren. Ein weiterer Vorteil von Siliziumkarbid ist der größere Bandabstand (Bandgap). Dadurch ist SiC in der Lage, etwa bis zu zehn Mal stärkere elektrische Felder zu unterstützen als Komponenten aus Silizium. Hinzu kommt die bessere thermische Leitfähigkeit, die sich in einer etwa um den Faktor drei höheren Energiedichte niederschlägt.
  • In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe für die entgegengesetzte magnetische Kopplung zumindest zwei Induktivitäten.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die Induktivitäten zumindest eine gekoppelte Zweiwickeldrosseln im entgegengesetzten Wicklungssinn.
  • In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe nach dem gemeinsamen Sammelpunkt zumindest ein induktives Bauelement.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Leistungselektronik-Baugruppe derart eingerichtet, die diskrete Ausgangsspannung mittels Carrier-Signalen einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation einzustellen. In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Mehrlevel-Halbbrücke wird pro Level ein Carrier-Signal bereitgestellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können bei symmetrischen Ausgängen die negativen Ausgangsspannungen der Halbbrücke dadurch bereitgestellt werden, indem ein korrespondierendes Carrier-Signal für die positive Ausgangsspannung verwendet und das korrespondierende Ausgangssignal invertiert wird.
  • In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe nach jedem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs eine Vorrichtung zur Strommessung.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit derart eingerichtet ist, einen kleinsten und/oder größten Zweigstrom der einzelnen Halbbrückenzweige zu bestimmen und die Recheneinheit weiter derart eingerichtet ist, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt. Mittels einer Recheneinheit kann schnell und zuverlässig zum einen der kleinste und/oder größte Zweigstrom der einzelnen Halbbrückenzweige bestimmt werden um die entsprechende Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, auszuwählen und zu schalten.
  • In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Recheneinheit eine integrierte Schaltung oder einen programmierbaren Logikbaustein. In einer Ausführungsform der Erfindung können beispielsweise genau auf die zu lösende Aufgabe eingerichtete integrierte Schaltungen vorgesehen sein. Vorteilhaft sind insbesondere programmierbare Logikbausteine wie z.B. FPGAs (Field Programmable Gate Array) in denen eine entsprechende logische Schaltung realisiert werden kann.
  • Gemäß eines weiteren Aspektes wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe gelöst, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, die Leistungselektronik-Baugruppe umfassend: zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige, die Halbbrückenzweige umfassend zumindest N Schalter eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung eines Halbbrückenzweigs an einem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe jedes Halbbrückenzweigs über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung am Sammelpunkt diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung einen Schaltzustand-Selektor umfasst und das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:- Auswählen mittels des Schaltzustand-Selektors aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige diejenige Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige verteilt.
  • In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Schritt des Auswählens der Schaltkombination mittels des Schaltzustand-Selektors immer dann aufgerufen, wenn von der Leistungselektronik-Baugruppe eine neue diskrete Ausgangsspannung gefordert wird oder der Schaltzustand-Selektor zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten diskreten Ausgangsspannung aufgerufen wird. Im Vergleich zum Stand der Technik kann die Frequenz der Selektor-Eingriffe frei gewählt werden und ist nicht an die PWM-Frequenz des Carrier Signals geknüpft. Durch einen höherfrequenten Aufruf des Selektors findet die Symmetrierung in kleineren Zeitabständen statt, was dazu führt, dass den Asymmetrien der Ströme schneller entgegengewirkt werden kann. Dadurch verringert sich der Betrag der kurzzeitigen Abweichungen der Zweigströme. Mittels der Erfindung können induktive Baugruppen mit einem geringeren Sättigungsstrom verwendet werden, sie sind daher kleiner und günstiger. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die induktiven Baugruppen, nämlich zumindest die entgegengesetzten magnetischen Kopplungen einen kleineren Sättigungsstrom im Vergleich zu einem Sättigungsstrom einer induktiven Baugruppe aus der eingangs beschriebenen 1 bei gleicher maximaler Ausgangsleistung der Halbbrückenzweige auf.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung der Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen. Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppen werden beispielsweise in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen als reaktionsschnelle Stromquelle eingesetzt, um die geforderten Phasenströme (beispielsweise von emulierten Motoren oder Batterien) elektrisch nachbilden zu können.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch Computerprogrammprodukt gelöst, umfassend Befehle, die bewirken, dass die zuvor beschriebene Vorrichtung die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe aus dem Stand der Technik,
    • 2 ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe mit einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 3 ein Diagramm eines schematischen Verlaufs von Carrier-Signalen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Der in 1 gezeigte Stand der Technik wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.
  • 2 zeigt ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe 1 mit einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 2 gezeigte Leistungselektronik-Baugruppe 1 umfasst in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete Drei-Level Halbbrückenzweige 3. Es können jedoch auch zumindest zwei oder auch mehr Halbbrückenzweige 3 vorgesehen sein. Auch können die Halbbrückenzweige 3 über mehr als drei oder zumindest zwei Level verfügen. Die Halbbrückenzweige 3 umfassen jeweils 4 Schalter S11, S12, S13, S14 und sind eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung vMod,1, vMod,2, vMod,3 eines Halbbrückenzweigs 3 an einem Mittelabgriff 5 des Halbbrückenzweigs 3 einzustellen. Insbesondere können die Halbbrückenzweige 3 NPC Halbbrückenzweige sein und SiC-MOSFETs umfassen. Im Gegensatz zu einem einfachen Halbbrücken-Modul bietet eine NPC-Topologie eine zusätzliche Spannungsebene am Ausgang. Das Potenzial springt nicht nur auf DC+ und DC-, sondern kann auch den Zustand 0 annehmen. MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC-MOSFETs) haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Bausteinen auf Basis von Silizium niedrige Leitungs- und Schaltverlust sowie kompaktere Form aufweisen. Die Mittelabgriffe 5 jedes Halbbrückenzweigs 3 sind über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung mittels induktiver Bauelemente M12, M23, M31 jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen 3 gekoppelt und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt 4 geführt. Die Ausgangsspannung vMod,out am Sammelpunkt 4 kann dabei diskrete Spannungswerte annehmen. Die Leistungselektronik-Baugruppe 1 ist dabei derart eingerichtet, die diskrete Ausgangsspannung vMod,out einzustellen. Die diskrete Ausgangsspannung vMod,out kann beispielsweise mittels Carrier-Signalen uC1, uC2, uC3, uC4, uC5, uC6 einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation 9 eingestellt werden. Dies wird im Zusammenhang mit 3 genauer beschrieben. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind für die Ausgangsspannung vMod,out sieben diskrete Werte einstellbar, die in Tabelle 2 gezeigt sind. Um anhand redundanter Schaltkombinationen der drei parallel geschalteter Drei-Level Halbbrückenzweige 3 zu bewirken, dass sich der Gesamtstrom iLC jeweils symmetrisch auf die drei parallelen Zweige 3 verteilt, umfasst die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung 2 einen Schaltzustand-Selektor 6. Der Schaltzustand-Selektor 6 ist derart eingerichtet, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige 3 diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme i1, i2, i3 auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 entgegenwirkt. Dabei wird zumindest ein kleinster Zweigstrom i1, i2, i3 erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom i1, i2, i3 reduziert, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom iLC jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme i1, i2, i3 auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 symmetrisch verteilt. Hierfür umfasst die Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel nach jedem Mittelabgriff 5 des Halbbrückenzweigs 3 eine Vorrichtung zur Strommessung 7. Die Messwerte der Strommessungen werden dann einer Vorrichtung zur Bestimmung des kleinsten/größten Stroms zugeführt. Für die Bestimmung des kleinsten/größten Stroms kann eine Recheneinheit vorgesehen sein, die beispielsweise auch einen programmierbaren Logikbaustein wie z.B. FPGAs (Field Programmable Gate Array) umfassen kann, in den eine entsprechende logische Schaltung realisiert werden kann. Ein ausreichend leistungsfähiger FPGA-Baustein, beispielsweise ein solcher, der einen entsprechend ausgestalteten sog. Softcore oder Hardcore umfasst, ist in einem Ausführungsbeispiel als Recheneinheit vorgesehen. Die Recheneinheit kann weiter dazu eingerichtet sein, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme i1, i2, i3 auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 entgegenwirkt. Durch die vorgeschlagene Erfindung wird auch die Sättigung in der entgegengesetzte magnetische Kopplung M12, M23, M31, beispielsweise in Zweiwickeldrosseln, aktiv verhindert oder zumindest die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Sättigung reduziert. Hierdurch wird auch der Einbau von Drosseln mit geringerem Sättigungsstrom ermöglicht, da nur unterschiedlich große Zweigströme i1, i2, i3 eine Durchflutung und Sättigung hervorrufen können. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Verbraucher über eine Koppeldrossel mit Induktivität Lc mit der Leistungselektronik-Baugruppe 1 verbunden.
  • In Tabelle 2 sind die Schaltzustände der Halbbrückenzweig 3 und die qualitative Stromänderungen gezeigt. In Spalte eins sind Schaltzustände der Halbbrückenzweige 3 gezeigt, in Spalte zwei ist die jeweilig zum Schaltzustand korrespondierende Ausgangsspannung vMod,out gezeigt, in den Spalten drei, vier und fünf sind die jeweiligen korrespondierenden Ausgangsspannungen vMod,1, vMod,2, vMod,3 des jeweiligen Halbbrückenzweigs 3 gezeigt und in den Spalten sechs, sieben und acht sind die qualitativen Stromänderungen der einzelnen Zweigströme gezeigt. Tabelle 2
    Zustand vMod,out vMod,1 vMod,2 vMod,3 di1/dt di2/dt di3/dt
    [1 1 1] VDC/2 VDC/2 VDC/2 VDC/2 0 0 0
    [1 1 0] 2/6 · VDC VDC/2 VDC/2 0 > 0 > 0 < 0
    [1 0 1] VDC/2 0 VDC/2 > 0 < 0 >0
    [0 1 1] 0 VDC/2 VDC/2 < 0 > 0 > 0
    [1 0 0] 1/6 · VDC VDC/2 0 0 > 0 < 0 < 0
    [0 1 0] 0 VDC/2 0 < 0 > 0 < 0
    [0 0 1] 0 0 VDC/2 < 0 < 0 > 0
    [0 0 0] 0 V 0 0 0 0 0 0
    [-1 0 0] - 1/6 · VDC - VDC/2 0 0 < 0 > 0 > 0
    [0 -1 0] 0 - VDC/2 0 > 0 < 0 > 0
    [0 0 -1] 0 0 - VDC/2 > 0 > 0 < 0
    [-1 -10] - 2/6 · VDC - VDC/2 - VDC/2 0 < 0 < 0 > 0
    [-1 0 -1] - VDC/2 0 - VDC/2 < 0 > 0 < 0
    [0 -1 -1] 0 - VDC/2 - VDC/2 > 0 < 0 < 0
    [-1 -1 -1] - VDC/2 - VDC/2 - VDC/2 - VDC/2 0 0 0
  • Soll beispielsweise die Ausgangsspannung vMod,out = 1/6 · VDC eingestellt werden und es gilt beispielsweise für die Zweigströme i1 < i2 < i3, wählt der Schaltzustand-Selektor 6 jene Kombination aus, welche den Zweigstrom i1 erhöht. In diesem Fall die Kombination [1 0 0].
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ausgangsspannung vMod,out = 0 V mit sechs weiteren Schaltkombinationen erzielt werden kann. Die zusätzlichen Schaltzustände und die qualitativen Stromänderungen sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Somit kann die oben beschriebene Vorrichtung 2 mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Symmetrierung der Zweigströme i1, i2, i3 auch in dieser fünften diskreten Ausgangsspannung realisiert werden. Tabelle 3
    Zustand vMod vMod,1 vMod,2 vMod,3 di1/dt di2/dt di3/dt
    [0 1 -1] 0 V 0 VDC/2 - VDC/2 0 > 0 < 0
    [0 -1 1] 0 - VDC/2 VDC/2 0 < 0 > 0
    [1 0 -1] VDC/2 0 - VDC/2 > 0 0 < 0
    [-1 0 1] - VDC/2 0 VDC/2 < 0 0 > 0
    [1 -1 0] VDC/2 - VDC/2 0 > 0 < 0 0
    [-1 1 0] - VDC/2 VDC/2 0 < 0 > 0 0
  • Die einzustellende diskrete Ausgangsspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt werden. Das zuvor ermittelte Steuersignal wird mit sechs Carrier-Signalen uC1 bis uC6 verglichen, welche jeweils um einen vertikalen Versatz zueinander verschoben sind, dies ist in 3 gezeigt.
  • 3 zeigt den schematischen Verlauf von sechs Carrier-Signale uC1 bis uC6. Die Carrier-Signale können auch eine zeitliche Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Für Zeitdauern, in denen das Steuersignal kleiner ist als der Verlauf von uci, wird die niedrigste Ausgangsspannung VMod = - VDC/2 eingestellt.
  • Für Zeitdauern, in denen
    • - das Steuersignal zwischen uC1 und uC2 verläuft, wird die zweitniedrigste Ausgangsspannung VMod = - 2/6 · VDC eingestellt,
    • - das Steuersignal zwischen uC2 und uC3 verläuft, wird die drittniedrigste Ausgangsspannung vMod = - 1/6 · VDC eingestellt,
    • - das Steuersignal zwischen uC3 und uC4 verläuft, wird die Ausgangsspannung vMod = 0 V eingestellt,
    • - das Steuersignal zwischen uC4 und ucs verläuft, wird die dritthöchste Ausgangsspannung vMod = 1/6 · VDC eingestellt,
    • - das Steuersignal zwischen ucs und uC6 verläuft, wird die zweithöchste Ausgangsspannung vMod = 2/6 · VDC eingestellt und für Zeitdauern, in denen
    • - das Steuersignal größer ist als der Verlauf von uC6, wird die höchste Ausgangsspannung vMod = + VDC/2 eingestellt.
  • Der Schaltzustand-Selektor 6 kann beispielsweise von zwei Ereignissen aufgerufen werden. Zum einen immer dann, wenn von der Multi-Carrier PWM eine neue Ausgangsspannung gefordert wird. Zum anderen wird der Schaltzustand-Selektor 6 höherfrequent als die PWM-Frequenz und zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten Ausgangsspannung aufgerufen. So kann es passieren, dass sich der Schaltzustand ändert, ohne dass die Ausgangsspannung vMod,out verändert wird. In einem Ausführungsbeispiel können beispielsweise auch nur die drei positiven Carrier-Signale uC4, ucs und uC6 generiert und mit dem Betrag der Steuerspannung verglichen werden.
  • Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren, auch wenn diese zu unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden sind.
  • Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Patentansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmalen nicht beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe
    2
    Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung
    3
    N-Level Halbbrückenzweig
    4
    gemeinsamer Sammelpunkt
    5
    Mittelabgriff
    6
    Schaltzustand-Selektor
    7
    Vorrichtung zur Strommessung
    8
    Vorrichtung zur Bestimmung des kleinsten/größten Stroms
    9
    Multi-Carrier-Modulation
    S11
    Schalter
    S12
    Schalter
    S13
    Schalter
    S14
    Schalter
    iLC
    Gesamtstrom
    i1
    erster Zweigstrom
    i2
    zweiter Zweigstrom
    i3
    dritter Zweigstrom
    vMod,1
    Ausgangsspannung des ersten Halbbrückenzweigs
    vMod,2
    Ausgangsspannung des zweiten Halbbrückenzweigs
    vMod,3
    Ausgangsspannung des dritten Halbbrückenzweigs
    vMod,out
    diskrete Ausgangsspannung
    M12
    Induktives Bauelement
    M23
    Induktives Bauelement
    M31
    Induktives Bauelement
    LC
    Induktives Bauelement
    uC1
    Carrier-Signal
    uC2
    Carrier-Signal
    uC3
    Carrier-Signal
    uC4
    Carrier-Signal
    uC5
    Carrier-Signal
    uC6
    Carrier-Signal

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1), die Leistungselektronik-Baugruppe (1) umfassend zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige (3), die Halbbrückenzweige (3) umfassend zumindest N Schalter (S11, S12, S13, S14) eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung (vMod,1, vMod,2, vMod,3) eines Halbbrückenzweigs (3) an einem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung (vMod,1, vMod,2, vMod,3) N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe (5) jedes Halbbrückenzweigs (3) über zumindest eine entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen (3) gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt (4) geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung (vMod,out) am Sammelpunkt (4) diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) umfassend einen Schaltzustand-Selektor (6), wobei der Schaltzustand-Selektor (6) derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (i1, i2, i3) erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom (i1, i2, i3) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (iLC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) symmetrisch verteilt.
  2. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) drei parallele 3-Level Halbbrückenzweige (3) umfasst.
  3. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Level Halbbrückenzweige (3) N-Level NPC Halbbrückenzweige sind.
  4. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Level NPC Halbbrückenzweige (3) SiC-MOSFETs umfassen.
  5. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) für die entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) zumindest zwei induktive Bauelemente umfasst.
  6. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Bauelemente zumindest eine gekoppelte Zweiwickeldrossel im entgegengesetzten Wicklungssinn sind.
  7. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe nach dem gemeinsamen Sammelpunkt (4) zumindest ein induktives Bauelement (Lc) umfasst.
  8. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) mittels Carrier-Signalen (uC1, uC2, uC3, uC4, uC5, uC6) einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation (9) einzustellen.
  9. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) nach jedem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) eine Vorrichtung zur Strommessung (7) umfasst.
  10. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit derart eingerichtet ist, einen kleinsten und/oder größten Zweigstrom (i1, i2, i3) der einzelnen Halbbrückenzweige (3) zu bestimmen und die Recheneinheit weiter derart eingerichtet ist, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt.
  11. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit eine integrierte Schaltung oder einen programmierbaren Logikbaustein umfasst.
  12. Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, die Leistungselektronik-Baugruppe (1) umfassend: zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige (3), die Halbbrückenzweige (3) umfassend zumindest N Schalter (S11, S12, S13, S14) eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung (vMod,1, vMod,2, vMod,3) eines Halbbrückenzweigs (3) an einem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung (vMod,1, vMod,2, vMod,3) N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe (5) jedes Halbbrückenzweigs (3) über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen (3) gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt (4) geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung (vMod,out) am Sammelpunkt (4) diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) einen Schaltzustand-Selektor (6) umfasst und das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:- Auswählen mittels des Schaltzustand-Selektors (6) aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (i1, i2, i3) erhöht oder ein größter Zweigstrom (i1, i2, i3) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (iLC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) verteilt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Auswählens der Schaltkombination mittels des Schaltzustand-Selektors (6) immer dann aufgerufen wird, wenn von der Leistungselektronik-Baugruppe (1) eine neue diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) gefordert wird oder der Schaltzustand-Selektor (6) zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten diskreten Ausgangsspannung (vMod,out) aufgerufen wird.
  14. Verwendung der Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen.
  15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 12 oder 13 ausführt.
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