DE102022119970A1 - Verfahren zum Entlasten von Mittelpunktschaltern eines 3-Level-Inverters - Google Patents

Verfahren zum Entlasten von Mittelpunktschaltern eines 3-Level-Inverters Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis (2) verbundene Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b, 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen aufweist, wobei zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va) ein Schaltmuster (SM) für die Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) bestimmt wird, durch welches die Schalteinrichtungen (S1, S2 S3) den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v01, v02, v03, v1p, v1n, v2p, v2n) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden, wobei zum Reduzieren von Durchlassverlusten von Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) das Schaltmuster (SM) in einer durchlassverlustreduzierenden Variante (SMa*, SMb*) vorgegeben wird, bei welcher zumindest ein Spannungsvektor (v02, v1p, v1n, v2p, v2n) des Schaltmusters (SM), welcher durch einen Schaltzustand mit Beteiligung zumindest einer Mittelpunktschalteinrichtung (S3) erzeugt wird, zumindest teilweise durch zwei Spannungsvektoren (v01, v03, v3, v5), welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) erzeugt werden, ersetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters, welcher einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis verbundene Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist. Jeder Schaltabschnitt weist jeweils drei Schalteinrichtungen in Form von einer mit dem High-Side-Anschluss verbundenen High-Side-Schalteinrichtung, einer mit dem Low-Side-Anschluss verbundenen Low-Side-Schalteinrichtung und einer mit dem Mittelpunktanschluss verbundenen Mittelpunktschalteinrichtung auf. Zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung wird ein Schaltmuster für die Schalteinrichtungen bestimmt, durch welches die Schalteinrichtungen in unterschiedliche Schaltzustände überführt werden und dabei den Phasenabgriff des jeweiligen Schaltabschnittes unter Erzeugung eines Spannungsvektors mit jeweils einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbinden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung, ein Leistungsmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf 3-Level-Inverter bzw. Dreistufenwechselrichter für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche 3-Level-Inverter sind zwischen einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, und eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs geschaltet und dienen dazu, eine von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Mehrphasenwechselspannung für Phasen der elektrischen Antriebsmaschine zu wandeln. Auch kann der 3-Level-Inverter als ein Leistungsfaktorkorrekturfilter für ein 3-Phasen-Ladegerät verwendet werden.
  • Inverter weisen üblicherweise drei parallel geschaltete Halbbrücken sowie einen mit den Halbbrücken verbundenen Zwischenkreis auf. Jede Halbbrücke weist jeweils zwei Schalteinrichtungen auf, wobei eine erste Schalteinrichtung als eine High-Side-Schalteinrichtung ausgebildet ist und mit einem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist und wobei eine zweite Schalteinrichtung als eine Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet ist und mit einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist. Zusätzlich zu den Halbbrücken weisen 3-Level-Inverter drei dritte Schalteinrichtungen auf, welche als Mittelpunktschalteinrichtungen ausgebildet sind und jeweils mit einem Abgriff zwischen der ersten und der zweiten Schalteinrichtung einer Halbbrücke sowie mit einem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises elektrisch verbunden sind. Ein solcher 3-Level-Inverter kann pro Schaltabschnitt, welcher aus einer Halbbrücke und einer Mittelpunktschalteinrichtung besteht, drei Spannungslevel für die Phasen der elektrischen Maschine bereitstellen und weist somit zusätzlich zu den acht Schaltzuständen eines herkömmlichen 2-Level-Inverters 19 weitere Schaltzustände zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung auf. Mittels dieser 27 Schaltzustände kann eine gewünschte Sinusform der Ausgangsspannung mit einem besonders geringen Oberwellenanteil erzeugt werden, wodurch Verluste in der elektrischen Maschine verringert werden. Außerdem weist der 3-Level-Inverter besonders geringe Schaltverluste auf.
  • Zur Reduktion der Kosten des 3-Level-Inverters können beispielsweise die Qualität und Quantität von Mittelpunktschaltern der Mittelpunktschalteinrichtungen reduziert werden. Diese Reduktion der Mittelpunkschalter erhöht in bestimmten Betriebspunkten des 3-Level-Inverters die Durchlassverluste. Diese Durchlassverluste reduzieren aufgrund der thermischen Randbedingung den Wirkungsgrad des Systems und können außerdem zu einer Überlastung der Mittelpunktschalter führen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zum Reduzieren von mittleren, über eine Modulationsperiode auftretenden Durchlassverlusten von Mittelpunktschaltern eines 3-Level-Inverters für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Leistungselektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines 3-Level-Inverters. Der 3-Level-Inverter weist einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss auf. Außerdem weist der 3-Level-Inverter zumindest drei, mit dem Zwischenkreis verbundene Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase einer elektrischen Antriebsmaschine auf. Jeder Schaltabschnitt weist jeweils drei Schalteinrichtungen in Form von einer mit dem High-Side-Anschluss verbundenen High-Side-Schalteinrichtung, einer mit dem Low-Side-Anschluss verbundenen Low-Side-Schalteinrichtung und einer mit dem Mittelpunktanschluss verbundenen Mittelpunktschalteinrichtung auf. Zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung wird ein Schaltmuster für die Schalteinrichtungen bestimmt, durch welches die Schalteinrichtungen in unterschiedliche Schaltzustände überführt werden und dabei den Phasenabgriff des jeweiligen Schaltabschnittes unter Erzeugung eines Spannungsvektors mit jeweils einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbinden.
  • Zum Reduzieren von Durchlassverlusten der Mittelpunktschalteinrichtungen wird das Schaltmuster in einer durchlassverlustreduzierenden Variante bestimmt, bei welcher zumindest ein Spannungsvektor des Schaltmusters, welcher durch einen Schaltzustand mit Beteiligung zumindest einer Mittelpunktschalteinrichtung erzeugt wird, zumindest teilweise durch zwei Spannungsvektoren, welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen erzeugt werden, ersetzt wird.
  • Zur Erfindung gehört außerdem eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, sowie ein Leistungselektronikmodul mit einem 3-Level-Inverter und einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine sowie ein erfindungsgemäßes Leistungselektronikmodul, wobei der 3-Level-Inverter eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen eines Stators der elektrischen Maschine verbunden ist. Der 3-Level-Inverter ist dazu ausgelegt, die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung, welche als Eingangsspannung am Zwischenkreis des 3-Level-Inverters anliegt, in eine Mehrphasenwechselspannung zu wandeln und als Ausgangsspannung für die Phasen der elektrischen Maschine bereitzustellen.
  • Der 3-Level-Inverter weist eingangsseitig den Zwischenkreis auf, welcher insbesondere zumindest eine Reihenschaltung aus zumindest zwei Kondensatoren aufweist. Die Schaltabschnitte bzw. Schaltbrücken weisen jeweils die High-Side-Schalteinrichtung mit zumindest einem High-Side-Schalter, die Low-Side-Schalteinrichtung mit zumindest einem Low-Side-Schalter und die Mittelpunktschalteinrichtung mit zumindest einem Mittelpunktschalter auf. Die High-Side-Schalteinrichtung und die Low-Side-Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes sind zu einer Halbbrücke verschaltet. Jeder Schaltabschnitt weist einen Phasenabgriff auf, welcher mit der zugehörigen Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Anschlüsse der Reihenschaltung aus Kondensatoren, welche den High-Side-Anschluss und den Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises ausbilden, sind mit Polen des elektrischen Energiespeichers sowie mit den Halbbrücken der Schaltabschnitte verbunden. Zwischen den Kondensatoren der zumindest einen Reihenschaltung ist der Mittelpunktanschluss, kurz Mittelpunkt, vorgesehen, welcher mit den Mittelpunktschalteinrichtungen der Schaltabschnitte verbunden ist. Die Halbbrücken bilden dabei jeweils einen vertikalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes und die Mittelpunktschalteinrichtungen bilden einen horizontalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes. Die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter können beispielsweise als IGBTs oder Leistungs-MOSFETs ausgebildet sein. Die Mittelpunktschalteinrichtungen können zum Bereitstellen einer bidirektionalen Sperrfähigkeit jeweils zwei antiseriell verschaltete Mittelpunktschalter oder jeweils einen bidirektionalen Mittelpunktschalter aufweisen. Die Mittelpunktschalter können ebenfalls als IGBTs oder Leistungs-MOSFETs ausgebildet sein.
  • Durch die drei Schalteinrichtungen pro Schaltbrücke weist der 3-Level-Inverter bei drei Schaltbrücken 27 Schaltzustände auf, wobei jeder Schaltzustand einen Spannungsvektor erzeugt, der als ein Raumzeiger in einem Zeigerdiagramm repräsentierbar ist. Dabei wird bei einer geschlossenen High-Side-Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem High-Side-Anschluss elektrisch verbunden und somit ein High-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen Low-Side-Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Low-Side-Anschluss elektrisch verbunden und somit ein Low-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen Mittelpunktschalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Mittelpunktanschluss elektrisch verbunden und somit ein Mittelpunktpotential an die zugehörige Phase angelegt.
  • Beispielsweise erzeugen drei Schaltzustände, bei welchen entweder alle High-Side-Schalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden sind, oder alle Low-Side-Schalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden sind, oder alle Mittelpunktschalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises verbunden sind, Nullspannungsvektoren, welche als Nullspannungsraumzeiger im Raumzeigerdiagramm repräsentiert werden. Die Nullspannungsraumzeiger können somit redundant erzeugt werden.
  • Sechs weitere Schaltzustände, welche keine Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen und somit der Mittelpunktschalter aufweisen, erzeugen sechs Spannungsvektoren, welche als lange, äußere Spannungsraumzeiger in dem Raumzeigerdiagramm repräsentiert werden und Eckpunkte eines äußeren Sechseckes ausbilden. Diese sechs langen, äußeren Spannungsraumzeiger entsprechen den Grundspannungsraumzeigern eines 2-Level-Inverters und werden im Folgenden auch als Grundspannungsraumzeiger bezeichnet. Sechs weitere Schaltzustände weisen eine Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen auf und erzeugen sechs weitere Spannungsvektoren, welche als mittlere, äußere Spannungsraumzeiger in dem Raumzeigerdiagramm abgebildet werden und auf den Seitenkanten des äußeren Sechsecks zwischen jeweils zwei langen, äußeren Spannungsraumzeigern liegen.
  • Zwölf weitere Schaltzustände, welche ebenfalls eine Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen aufweisen, erzeugen zwölf kurze, innere Spannungsraumzeiger, wobei jeweils zwei Schaltzustände zwei identische Spannungsraumzeiger, also Spannungsraumzeiger mit gleicher Länge und gleichem Phasenwinkel, liefern. Somit ist jeder der kurzen, inneren Spannungsraumzeiger redundant erzeugbar. Dabei spannen die kurzen, inneren Spannungsraumzeiger ein inneres Sechseck auf, wobei jeweils zwei redundante Spannungsraumzeiger einen Eckpunkt des inneren Sechseckes bilden. Die zueinander redundanten Spannungsraumzeiger weisen dabei eine entgegengesetzte, komplementäre Wirkung auf einen Strom im Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises auf.
  • Das äußere Sechseck ist in sechs dreieckförmige Sektoren unterteilt, wobei Eckpunkte jedes Sektors durch die Nullspannungsraumzeiger sowie zwei benachbarte lange, äußere Spannungsraumzeiger gebildet sind. Jeder Sektor ist wiederum in vier dreieckförmige Segmente unterteilt, wobei an zumindest einem Eckpunkt jedes Segments zwei redundante Spannungsraumzeiger liegen. Um nun eine beliebige, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung mittels der Spannungsvektoren zu modulieren, wird bestimmt, in welchem Sektor und in welchem Segment des Sektors der die Ausgangsspannung repräsentierende arbeitspunktspezifische Ausgangsspannungsraumzeiger liegt. Anschließend kann dieser arbeitspunktspezifische Ausgangsspannungsraumzeiger durch Pulsweitenmodulation der dieses Segment aufspannenden Spannungsraumzeiger erzeugt werden. Dazu wird ein Schaltmuster bestimmt, in welchem eine Abfolge sowie eine Zeitdauer der zur Modulation verwendeten, segmentspezifischen Spannungsraumzeiger festgelegt ist.
  • Beim Modulieren der Ausgangsspannung werden auch Spannungsvektoren im Schaltmuster verwendet, welche durch Schaltzustände mit Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen erzeugt werden und bei welchen somit der Phasenabgriff zumindest eines Schaltabschnittes mit dem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises verschaltet ist. Im Falle, dass die Mittelpunktschalter dieser Mittelpunktschalteinrichtungen beispielsweise aus Kostengründen in einer geringeren Qualität bereitgestellt sind als die Schalter der High-Side-Schalteinrichtung und der Low-Side-Schalteinrichtung, weisen diese in bestimmten Betriebsbereichen hohe Durchlassverluste auf. Diese Betriebsbereiche sind beispielsweise über einen Aussteuergrad und/oder einen Modulationsindex und/oder einen Aussteuergrad und/oder einen Phasenstrom und/oder eine Temperatur der Mittelpunktschalteinrichtungen gekennzeichnet. Der Aussteuergrad des 3-Level-Inverters beschreibt das Verhältnis der aktuellen Ausgangsspannung zur maximal möglichen Ausgangsspannung, welche von dem 3-Level-Inverter bereitgestellt werden kann. Um diese Durchlassverluste zu reduzieren, wird die durchlassverlustreduzierende Variante des Schaltmusters bestimmt und vorzugsweise immer dann bereitgestellt, wenn der durchlassverlusterhöhende Betriebsbereich des 3-Level-Inverters vorliegt. Außerhalb dieses durchlassverlusterhöhenden Betriebsbereiches können die Spannungsvektoren des Schaltmusters beispielsweise derart im Wechsel gesellt werden, dass sie über die Modulationsperiode gleichmäßig belastet werden.
  • In der durchlassverlustreduzierenden Variante des Schaltmusters ist die Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen an den Schaltzuständen reduziert. Dafür wird zumindest ein Spannungsraumzeiger, insbesondere einer der Nullspannungsraumzeiger und/oder einer der inneren, kurzen Spannungsraumzeiger, durch zwei andere Spannungsraumzeiger ersetzt. Bei niedrigen Aussteuergraden, beispielsweise unter 0,6, und bei hohen Phasenströmen wird in Abhängigkeit des Modulationsindexes beispielsweise derjenige Nullspannungsraumzeiger, welcher nur durch die Mittelpunktschalteinrichtungen erzeugt wird, zumindest teilweise durch den Spannungsraumzeiger, welche nur mit Beteiligung der High-Side-Schalteinrichtungen erzeugt wird, und/oder durch den Spannungsraumzeiger, welcher nur mit Beteiligung der Low-Side-Schalteinrichtungen erzeugt wird, ersetzt werden.
  • Bei bestimmten Aussteuergraden, insbesondere bei Aussteuergraden um 0,6 und hohen Phasenströmen, wird einer der redundanten, inneren kürzeren Spannungsraumzeiger durch zwei im Raumzeigerdiagramm benachbarte Ersatzspannungsraumzeiger, also einen Grundspannungsraumzeiger und einen Nullspannungsraumzeiger ersetzt, indem diese Ersatzspannungsraumzeiger im Wechsel und zeitlich gleich gewichtet bereitgestellt werden. So können die Mittelpunktschalter bei Bedarf auf einfache Weise entlastet werden.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass eine zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren innerhalb des Schaltmusters so bestimmt wird, dass eine Abweichung einer Mittelpunktspannung reduziert wird. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Schaltzustände mit Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen eine Strombelastung im Mittelpunktanschluss hervorrufen, welche, wenn sie über die Modulationsperiode nicht ausgeglichen wird, eine unerwünschte Abweichung der Mittelpunktspannung hervorrufen kann. Diese Abweichung kann über die zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren im Schaltmuster sowie in dessen durchlassverlustreduzierender Variante erreicht werden. Im Falle, dass zwei Spannungsvektorpaare mit redundanten Spannungsvektoren beim Modulieren der Ausgangsspannung beteiligt sind, wird primär dasjenige Spannungsvektorpaar zum Mittelpunktbalancing verwendet, bei dem der redundante Spannungsvektor, der zeitlich höher gewichtet ist, eine geringere Anzahl an Schaltzuständen mit Mittelpunktschalterbeteiligung hat.. Somit kann gleichzeitig eine Reduzierung der Mittelpunktspannungsänderung sowie der Belastung der Mittelpunktschalteinrichtungen erreicht werden.
  • Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, für das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Schaltplan einer Ausgestaltung eines 3-Level-Inverters;
    • 2 eine Darstellung eines Zeigerdiagramms des 3-Level-Inverters;
    • 3 eine Darstellung eines Schaltmusters zum Modulieren einer Ausgangsspannung;
    • 4 eine Darstellung von Zeitanteilen unterschiedlicher Spannungsvektoren innerhalb des Schaltmusters; und
    • 5 eine Darstellung von durchlassverlustreduzierenden Schaltmuster-Varianten zum Modulieren einer Ausgangsspannung des 3-Level-Inverters.
  • In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen 3-Level-Inverter 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Der 3-Level-Inverter 1 weist eingangsseitig einen Zwischenkreis 2 auf, welcher hier drei Zwischenkreiszweige 2a, 2b, 2c mit jeweils einer Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Ein High-Side Anschluss DC+ und ein Low-Side-Anschluss DC- des Zwischenkreises 2 werden mit Polen eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs verbunden, welcher dem Zwischenkreis 2 eine Gleichspannung VDC bereitstellt. Dabei liegt an jedem Kondensator C1, C2 die halbe Gleichspannung VDC/2 an. Der 3-Level-Inverter 1 weist außerdem drei Schaltabschnitte 3a, 3b, 3c auf, welche hier mit jeweils einem der Zwischenkreiszweige 2a, 2b, 2c elektrisch verbunden sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis 2 nur einen Zwischenkreiszweig mit zwei seriell verschalteten Kondensatoren C1, C2 aufweist, an welchen die Schaltabschnitte 3a, 3b, 3c angeschlossen sind. Jeder Schaltabschnitt 3a, 3b, 3c weist einen Phasenabgriff u, v, w auf, welcher mit einer Phase Phu, Phv, Phw einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Jeder Schaltabschnitt weist drei Schalteinrichtungen S1, S2, S3 auf, welche jeweils zumindest einen als Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, ausgebildeten Schalter aufweisen können. Die Schalteinrichtungen S1 und S2 sind zu einer Halbbrücke HB des jeweiligen Schaltabschnittes 3a, 3b, 3c verschaltet. Die ersten Schalteinrichtungen S1 sind High-Side-Schalteinrichtungen und sind mit dem High-Side-Anschluss DC+ des Zwischenkreises 2, welcher mit einem Pluspol des elektrischen Energiespeichers verbunden ist, und mit einem Abgriff A der jeweiligen Halbbrücke HB verbunden. Die zweiten Schalteinrichtungen S2 sind Low-Side-Schalteinrichtungen und sind mit dem Abgriff der jeweiligen Halbbrücke HB und mit dem Low-Side-Anschluss DC- des Zwischenkreises 2, welcher mit einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers verbunden ist, verbunden. Die dritten Schalteinrichtungen S3 sind Mittelpunktschalteinrichtungen und sind mit dem Abgriff sowie mit einem Mittelpunktanschluss N des jeweiligen Zwischenkreiszweigs 2a, 2b, 2c zwischen den zwei Kondensatoren C1, C2 verbunden. Die Mittelpunktschalteinrichtungen S3 weisen hier jeweils zwei antiseriell verschaltete Mittelpunktschalter S3a, S3b auf.
  • Der 3-Level-Inverter 1 kann 27 Schaltzustände einnehmen, mittels welchen eine gewünschte, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung zum Anlegen an die Phasen Phu, Phv, Phw moduliert werden kann. Jeder Schaltzustand erzeugt dabei einen Spannungsvektor, welcher in einem in 2 gezeigten Raumzeigerdiagramm 4 mit den Achsen α, β dargestellt werden kann. In dem Raumzeigerdiagramm 4 sind an diskreten Punkten die unterschiedlichen Schaltzustände (u, v, w) mit u, v, w = 0, 1, 2 eingezeichnet, wobei u kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im ersten Schaltabschnitt 3a geschlossen ist, v kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im zweiten Schaltabschnitt 3b geschlossen ist, und w kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im dritten Schaltabschnitt 3c geschlossen ist. „0“ besagt, dass die jeweilige Low-Side-Schalteinrichtung S2 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem Low-Side-Anschluss DC- verbindet. „1“ besagt, dass die jeweilige Mittelpunktschalteinrichtung S3 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem Mittelpunktanschluss N verbindet. „2“ besagt, dass die jeweilige High-Side-Schalteinrichtung S1 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem High-Side-Anschluss DC+ verbindet. Die diskreten Punkte markieren dabei eine Pfeilspitze eines durch den jeweiligen Schaltzustand erzeugten Spannungsraumzeigers, welcher eine bestimmte Länge und einen bestimmten Phasenwinkel aufweist. Dabei ist bereits ersichtlich, dass Schaltzustände existieren, die identische Spannungsvektoren erzeugen. Beispielsweise erzeugen die Schaltzustände „221“ und „110“ identische Spanungsvektoren. Auch die Schaltzustände „000“, „111“, „222“ erzeugen identische Spannungsvektoren, nämlich jeweils einen Nullspannungsvektor v01, v02, v03.
  • Das Raumzeigerdiagramm ist in sechs Sektoren K1, K2, K3, K4, K5, K6 unterteilt, wobei jeder Sektor K1, ..., K6 in vier Segmente Q1, Q2, Q3, Q4 (hier nur für den ersten Sektor K1 dargestellt) unterteilt ist. Soll nun eine bestimmte, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung, beispielsweise der in 2 dargestellte Ausgangsspannungsvektor Va moduliert werden, so wird zunächst bestimmt, in welchem Sektor K1, ..., K6 und in welchem Segment Q1, ..., Q4 des jeweiligen Sektors K1, ..., K6 der jeweilige Ausgangsspannungsvektor Va liegt. Beispielsweise liegt der Ausgangsspannungsvektor Va im ersten Sektor K1 im ersten Segment Q1 und kann somit durch diejenigen Spannungsvektoren v01, erzeugt durch Schaltzustand „000“, v02, erzeugt durch Schaltzustand „111“, v03, erzeugt durch Schaltzustand „222“, v2p, erzeugt durch Schaltzustand „221“, v2n, erzeugt durch Schaltzustand „110“, v1p, erzeugt durch Schaltzustand „211“, und v1n, erzeugt durch Schaltzustand „100“ moduliert bzw. angenähert werden, welche Eckpunkte des ersten Segmentes Q1 bilden und somit den zu erzeugenden Ausgangsspannungsvektor Va umgeben.
  • Im Falle niedriger Aussteuergrade des 3-Level-Inverters 1, insbesondere wenn der Aussteuergrad einen vorbestimmten Schwellwert, beispielsweise 0,6, unterschreitet, so werden bei der symmetrischen Raumzeigermodulation die inneren kurzen Spannungsvektoren v1p, v1n, v2p, v2n und die Nullspannungsvektoren v01, v02, v03 innerhalb eines Schaltmusters im Wechsel gestellt, um eine gleichmäßige Belastung der Schalteinrichtungen zu erreichen. Beispielsweise kann das in 3 gezeigte Schaltmuster SM vorgegeben werden. In 4 sind die Gesamtzeitdauern d0 der Nullspannungsvektoren v01, v02, v03, d1 der Spannungsvektoren v1p und v1n und d2 der Spannungsvektoren v2p und v2n innerhalb des Schaltmusters SM gezeigt. Die einzelnen Zeitdauern der Nullspannungsvektoren v01, v02, v03 innerhalb der Gesamtzeitdauer d0 können gleich lang gewählt sein. In Abhängigkeit von dem Modulationsindex sowie dem Phasenstrom kann jedoch ein Anteil des Nullspannungsvektors v02 reduziert werden und auf die anderen beiden Nullspannungsvektoren v01, v03 aufgeteilt werden.
  • Insbesondere die Spannungsvektoren v1p, v1n, v2p, v2n beeinflussen eine Mittelpunktspannung am Mittelpunktanschluss N des Zwischenkreises 2, da diese Spannungsvektoren v01, v1p, v1n, v2p, v2n unter Beteiligung zumindest einer Mittelpunktschalteinrichtung S3 erzeugt werden und somit zumindest einer der Phasenabgriffe u, v, w mit dem Mittelpunktanschluss N elektrisch verbunden ist. Je mehr Phasenabgriffe u, v, w pro Schaltzustand mit dem Mittelpunktanschluss N verbunden sind, also je mehr Mittelpunktschalteinrichtungen S3 an einem Schaltzustand beteiligt sind, desto größer ist der unerwünschte Einfluss auf die Mittelpunktspannung. Daher kann in Sektor K1 entweder der Spannungsvektor v1n anteilig höher gewichtet werden als der Spannungsvektor v1p oder der Spannungsvektor v2n höher gewichtet werden als der Spannungsvektor v2p. Da der Spannungsvektor v1n bei der Erzeugung nur über einen Phasenabgriff u mit dem Mittelpunktanschluss N verbunden ist, während der Spannungsvektor v2n über die zwei Phasenabgriffe u, v mit dem Mittelpunktanschluss N verbunden ist, wird die Balancierung der Mittelpunktspannung zum Entlasten der Mittelpunktschalteinrichtungen S3 über die anteilig höhere Gewichtung des Spannungsvektors v1n durchgeführt.
  • Bei hohen Aussteuergraden, beispielsweise bei Aussteuergraden um 0,6 sowie hohen Phasenströmen, weisen vor allem die Mittelpunktschalteinrichtungen S3 hohe Durchlassverluste auf. Daher werden die Zeitdauern d1 bzw. d2 der redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n bzw. v2p, v2n zumindest um die Zeitdauern d1red bzw. d2red reduziert, sodass die Spannungsvektoren v1p, v1n bzw. v2p, v2n nur noch für die Zeitdauern d1* bzw. d2* im Schaltmuster auftreten. Um diese Zeitdauerreduktion d1red bzw. d2red zu erreichen, wird eine durchlassverlustreduzierende Variante SMa* (für d1>d2) oder SMb* (für d2>d1) des Schaltmusters SM bestimmt. Die durchlassverlustreduzierenden Varianten SMa*, SMb* sind in 5 für zwei aufeinanderfolgende Modulationsperioden P1, P2 gezeigt. Für d1>d2 werden die Vektoren v1p, v1n in der Variante SMa* um einen konfigurierbaren Anteil durch die angrenzenden Spannungsvektoren v01 und v3 oder v03 und v3 ersetzt. Für d2>d1 werden die Vektoren v2p, v2n in der Variante SMb* um einen konfigurierbaren Anteil durch die angrenzenden Spannungsvektoren v01 und v5 oder v03 und v5 ersetzt. Diese Spannungsvektoren v01, v03, v3 und v5 weisen keine Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen S3 auf, können jedoch die im Raumzeigerdiagramm dazwischen liegenden Spannungsvektoren v1p, v1n bzw. v2p, v2n abbilden. Dabei kann die zeitliche Gewichtung vor allem desjenigen Spannungsvektors v2n, v1p reduziert werden, dessen Schaltzustand den größten Anteil an Mittelpunktschalteinrichtungen S3 aufweist. Außerdem kann in der ersten Modulationsperiode P1 jeweils der Nullvektor v01 gesetzt werden und in der zweiten Modulationsperiode P2 jeweils der Nullvektor v03 gesetzt. So wird die Belastung gleichmäßig auf die High-Side-Schalteinrichtung S1 und die Low-Side-Schalteinrichtung S2 aufgeteilt.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss (DC+), einem Low-Side-Anschluss (DC-) und einem Mittelpunktanschluss (N) sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis (2) verbundene Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase (Phu Phv, Phw) einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b, 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen in Form von einer mit dem High-Side-Anschluss (DC+) verbundenen High-Side-Schalteinrichtung (S1), einer mit dem Low-Side-Anschluss (DC-) verbundenen Low-Side-Schalteinrichtung (S2) und einer mit dem Mittelpunktanschluss (N) verbundenen Mittelpunktschalteinrichtung (S3) aufweist, wobei zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va) ein Schaltmuster (SM) für die Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) bestimmt wird, durch welches die Schalteinrichtungen (S1, S2 S3) in unterschiedliche Schaltzustände überführt werden und dabei den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v01, v02, v03, v1p, v1n, v2p, v2n) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reduzieren von Durchlassverlusten der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) das Schaltmuster (SM) in einer durchlassverlustreduzierenden Variante (SMa*, SMb*) vorgegeben wird, bei welcher zumindest ein Spannungsvektor (v02, v1p, v1n, v2p, v2n) des Schaltmusters (SM), welcher durch einen Schaltzustand mit Beteiligung zumindest einer Mittelpunktschalteinrichtung (S3) erzeugt wird, zumindest teilweise durch zwei Spannungsvektoren (v01, v03, v3, v5), welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) erzeugt werden, ersetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchlassreduzierende Variante (SMa*, SMb*) des Schaltmusters (SM) in Abhängigkeit von einem Modulationsindex und/oder einem Aussteuergrad und/oder einem Phasenstrom und/oder einer Temperatur der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Modulationsindex und dem Phasenstrom für die durchlassreduzierende Variante (SMa*, SMb*) des Schaltmusters (SM) ein Nullspannungsvektor (v02), welcher durch einen Schaltzustand unter Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) erzeugt wird, zumindest teilweise durch Nullspannungsvektoren (v01, v03), welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) erzeugt werden, ersetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Aussteuergrad und dem Phasenstrom für die durchlassverlustreduzierende Variante (SMa*, SMb*) des Schaltmusters (SM) zumindest einer von zwei Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n), welche über unterschiedliche Schaltzustände mit Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) redundant erzeugt werden, zumindest teilweise durch einen Nullspannungsvektor (v01, v03) und einen zu dem redundanten Spannungsvektor (v1p, v1n, v2p, v2n) benachbarten Grundspannungsvektor (v3, v5) ersetzt wird, wobei der Nullspannungsvektor (v01, v03) und der Grundspannungsvektor (v3, v5) ohne Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) erzeugt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest derjenige der redundanten Spannungsvektoren (v1p, v2n), dessen Schaltzustand den höchsten Anteil an Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) aufweist, zumindest teilweise durch den Nullspannungsvektor (v01, v03) und den Grundspannungsvektor (v3, v5) ersetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Gewichtung von Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n), welche über unterschiedliche Schaltzustände der Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) redundant erzeugt werden, innerhalb des Schaltmusters (SM) so bestimmt wird, dass eine Abweichung einer Mittelpunktspannung über eine Modulationsperiode reduziert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von zwei Spannungsvektorpaaren mit jeweils zwei redundanten Spannungsvektoren (v1p, v1n; v2p, v2n) der redundante Spannungsvektor (v2n) desjenigen Spannungsvektorpaares beim Reduzieren der Abweichung der Mittelpunktspannung zum Reduzieren der Durchlassverluste der Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) zeitlich höher gewichtet wird, dessen Schaltzustand einen geringeren Anteil an beteiligten Mittelpunktschalteinrichtungen (S3) aufweist.
  8. Steuereinrichtung für ein Leistungselektronikmodul eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  9. Leistungselektronikmodul für ein Kraftfahrzeug mit: - einem 3-Level-Inverter (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss (DC+), einem Low-Side-Anschluss (DC-) und einem Mittelpunktanschluss (N) sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis (2) verbundene Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase (Phu, Phv, Phw) einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b. 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen in Form von einer mit dem High-Side-Anschluss (DC+) verbundenen High-Side-Schalteinrichtung (S1), einer mit dem Low-Side-Anschluss (DC-) verbundenen Low-Side-Schalteinrichtung (S2) und einer mit dem Mittelpunktanschluss (N) verbundenen Mittelpunktschalteinrichtung (S3) aufweist, und - einer Steuereinrichtung nach Anspruch 8.
  10. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einer elektrischen Antriebsmaschine und einem Leistungselektronikmodul nach Anspruch 9, wobei der 3-Level-Inverter (1) eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen (Phu, Phv, Phw) der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist.
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