DE102022120268A1 - Method for reducing a voltage ripple in the intermediate circuit of a 3-level inverter - Google Patents

Method for reducing a voltage ripple in the intermediate circuit of a 3-level inverter 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 (DC+, DC-, N) sowie zumindest drei Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) und drei Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) aufweist, für welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va) ein Schaltmuster (SMa, SMb) bestimmt wird, durch welches die Schalteinrichtungen (3a, 3b, 3c) den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v2p, v2n, v4, v5) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden,wobei zum Reduzieren eines eingangsseitigen Spannungsrippels einer an dem Zwischenkreis anliegenden Eingangsspannung (VDC)- für jeden Spannungsvektor (v2p, v2n, v4, v5) des Schaltmusters (SMa, SMb) bestimmt wird, ob er eine Eingangsspannungserhöhung oder eine Eingangsspannungsverringerung hervorruft,- die Spannungsvektoren (v2p, v2n, v4, v5) Schaltmusterabschnitten (A+, A-) zugeordnet werden, und- die Schaltmusterabschnitte (A+, A-) derart zu dem Schaltmuster (SMa, SMb) zusammengefügt werden, dass sich ein eingangsspannungserhöhender Schaltmusterabschnitt (A+) und ein eingangsspannungsverringernden Schaltmusterabschnitt (A-) zum Erhöhen einer Frequenz und zum Verringern einer Amplitude des Spannungsrippels abwechseln.The invention relates to a method for operating a 3-level inverter (1), which has an intermediate circuit (2) with three connections (DC+, DC-, N) and at least three switching sections (3a, 3b, 3c), each with a phase tap ( u, v, w) and three switching devices (S1, S2, S3), for which a switching pattern (SMa, SMb) is determined to modulate a working point-specific output voltage (Va), through which the switching devices (3a, 3b, 3c). Connect the phase tap (u, v, w) of the respective switching section (3a, 3b, 3c) to one of the connections (DC+, DC-, N) of the intermediate circuit (2) to generate a voltage vector (v2p, v2n, v4, v5). ,wherein in order to reduce an input-side voltage ripple of an input voltage (VDC) present on the intermediate circuit, it is determined for each voltage vector (v2p, v2n, v4, v5) of the switching pattern (SMa, SMb) whether it causes an input voltage increase or an input voltage reduction, - the Voltage vectors (v2p, v2n, v4, v5) are assigned to switching pattern sections (A+, A-), and - the switching pattern sections (A+, A-) are combined to form the switching pattern (SMa, SMb) in such a way that an input voltage-increasing switching pattern section (A+) and an input voltage reducing switching pattern portion (A-) for increasing a frequency and decreasing an amplitude of the voltage ripple alternately.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters, welcher einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis verbundene Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt jeweils drei Schalteinrichtungen aufweist. Die Schalteinrichtungen sind jeweils mit einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbunden. Für die Schalteinrichtungen wird zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung ein Schaltmuster 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.The invention relates to a method for operating a 3-level inverter, which has an intermediate circuit with three connections and at least three switching sections connected to the intermediate circuit, each with a phase tap for electrical connection to one phase of an electric drive machine, each switching section having three Has switching devices. The switching devices are each connected to one of the connections of the intermediate circuit. A switching pattern is determined for the switching devices in order to modulate an operating point-specific output voltage, through which the switching devices are converted into different switching states and thereby connect the phase tap of the respective switching section to one of the connections of the intermediate circuit, generating a voltage vector. The invention also relates to a control device, a power module and a motor vehicle.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf 3-Level-Inverter bzw. Dreistufenwechselrichter für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche 3-Level-Inverter sind Teil eines Hochvoltbordnetzes des Kraftfahrzeugs und zwischen einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, und eine elektrische Antriebsmaschine des Hochvoltbordnetzes geschaltet. Sie 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.In this case, interest is focused on 3-level inverters or three-stage inverters for electrically powered motor vehicles, i.e. electric or hybrid vehicles. Such 3-level inverters are part of a high-voltage on-board electrical system of the motor vehicle and are connected between an electrical energy storage device, for example a traction battery, and an electric drive motor of the high-voltage on-board electrical system. They serve to convert a direct voltage provided by the electrical energy storage into a multi-phase alternating voltage for phases of the electric drive machine. Also, the 3-level inverter can be used as a power factor correction filter for a 3-phase charger.

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.Inverters usually have three half-bridges connected in parallel and an intermediate circuit connected to the half-bridges. Each half bridge has two switching devices, a first switching device being designed as a high-side switching device and being connected to a high-side connection of the intermediate circuit, and a second switching device being designed as a low-side switching device and being connected to a Low-side connection of the intermediate circuit is connected. In addition to the half bridges, 3-level inverters have three third switching devices, which are designed as midpoint switching devices and are each electrically connected to a tap between the first and second switching devices of a half bridge and to a midpoint connection of the intermediate circuit. Such a 3-level inverter can provide three voltage levels for the phases of the electrical machine per switching section, which consists of a half bridge and a midpoint switching device, and thus has, in addition to the eight switching states of a conventional 2-level inverter, 19 further switching states for modulating a operating point-specific output voltage. Using these 27 switching states, a desired sinusoidal shape of the output voltage with a particularly low harmonic component can be generated, thereby reducing losses in the electrical machine. The 3-level inverter also has particularly low switching losses.

Zum Schutz anderer Komponenten des Hochvoltbordnetzes gibt es üblicherweise Vorgaben, welchen Spannungsrippel jede Komponente eingangsseitig verursachen darf. Bei einem 3-Level-Inverter entsteht dieser Spannungsrippel, welcher ein der Eingangsgleichspannung überlagertes Spannungssignal beliebiger Frequenz und Kurvenform ist, beispielsweise durch die Schaltvorgänge der Schalteinrichtungen. Dieser Spannungsrippel kann in den eingangsseitigen Zwischenkreis zurückgespeist werden und dort Lade- und Entladevorgänge der Kondensatoren bewirken, durch welche sich die Kondensatoren in unerwünschter Weise erwärmen. Daher kann der Spannungsrippel über die Auslegung der Kondensatoren des Zwischenkreises beeinflusst werden, indem diese so dimensioniert werden, dass sie den Spannungsrippel reduzieren. Diese Dimensionierung hat jedoch einen erhöhten Bauraumbedarf der Kondensatoren, ein erhöhtes Gewicht sowie erhöhte Kosten des 3-Level-Inverters zur Folge.To protect other components of the high-voltage electrical system, there are usually specifications as to what voltage ripple each component can cause on the input side. With a 3-level inverter, this voltage ripple is created, which is a voltage signal of any frequency and waveform superimposed on the input DC voltage, for example due to the switching processes of the switching devices. This voltage ripple can be fed back into the intermediate circuit on the input side and cause charging and discharging processes of the capacitors there, which cause the capacitors to heat up in an undesirable manner. Therefore, the voltage ripple can be influenced by the design of the capacitors of the intermediate circuit by sizing them in such a way that they reduce the voltage ripple. However, this dimensioning results in an increased space requirement for the capacitors, increased weight and increased costs of the 3-level inverter.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung zum Reduzieren von Spannungsrippeln eines 3-Level-Inverters für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a simple and cost-effective solution for reducing voltage ripples of a 3-level inverter for a motor vehicle.

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.This object is achieved according to the invention by a method, a control device, a power electronics module and a motor vehicle with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines 3-Level-Inverters. Der 3-Level-Inverter weist einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen sowie 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 auf, welche jeweils mit einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbunden sind und für welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung ein Schaltmuster bestimmt wird. Durch das Schaltmuster werden die Schalteinrichtungen in unterschiedliche Schaltzustände überführt und verbinden dabei den Phasenabgriff des jeweiligen Schaltabschnittes unter Erzeugung eines Spannungsvektors mit jeweils einem der Anschlüsse des Zwischenkreises.A method according to the invention is used to operate a 3-level inverter. The 3-level inverter has an intermediate circuit with three connections and at least three switching sections connected to the intermediate circuit, each with a phase tap for electrical connection to one phase of an electric drive machine. Each switching section has three switching devices, each of which is connected to one of the connections of the intermediate circuit and for which an operating point is modulated specific output voltage a switching pattern is determined. The switching pattern converts the switching devices into different switching states and thereby connects the phase tap of the respective switching section to one of the connections of the intermediate circuit, generating a voltage vector.

Zum Reduzieren eines eingangsseitigen Spannungsrippels einer an dem Zwischenkreis anliegenden Eingangsspannung wird zunächst für jeden Spannungsvektor des Schaltmusters bestimmt, ob er eine Eingangsspannungsänderung in Form von einer Eingangsspannungserhöhung oder einer Eingangsspannungsverringerung hervorruft. Die Spannungsvektoren werden Schaltmusterabschnitten zugeordnet, wobei jeweils ein Schaltmusterabschnitt zumindest einen Spannungsvektor aufweist und wobei die Schaltmusterabschnitte derart zu dem Schaltmuster zusammengefügt werden, dass sich ein Schaltmusterabschnitt mit zumindest einem eingangsspannungserhöhenden Spannungsvektor und ein Schaltmusterabschnitt mit zumindest einem eingangsspannungsverringernden Spannungsvektor zum Erhöhen einer Frequenz und zum Verringern einer Amplitude des Spannungsrippels abwechseln.To reduce an input-side voltage ripple of an input voltage applied to the intermediate circuit, it is first determined for each voltage vector of the switching pattern whether it causes an input voltage change in the form of an input voltage increase or an input voltage reduction. The voltage vectors are assigned to switching pattern sections, with each switching pattern section having at least one voltage vector and the switching pattern sections being assembled into the switching pattern in such a way that a switching pattern section with at least one input voltage-increasing voltage vector and a switching pattern section with at least one input voltage-reducing voltage vector for increasing a frequency and for reducing a Alternate the amplitude of the tension ripple.

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 beispielsweise 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.The invention also includes a control device which is designed to carry out a method according to the invention, as well as a power electronics module with a 3-level inverter and a control device according to the invention. A motor vehicle according to the invention comprises an electrical energy storage device, an electric machine and a power electronics module according to the invention, wherein the 3-level inverter is connected on the input side to the electrical energy storage device and on the output side to phases of a stator of the electric machine. The 3-level inverter is designed, for example, to convert the DC voltage provided by the electrical energy storage, which is present as an input voltage at the intermediate circuit of the 3-level inverter, into a multi-phase alternating voltage and to provide it as an output voltage for the phases of the electrical machine.

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 eine erste Schalteinrichtung in Form von einer High-Side-Schalteinrichtung, eine zweite Schalteinrichtung in Form von einer Low-Side-Schalteinrichtung und eine dritte Schalteinrichtung in Form von einer Mittelpunktschalteinrichtung auf. Jeder Schalteinrichtung kann zumindest einen Schalter in Form von einem Halbleiterschalter, beispielsweise einem IGBT oder Leistungs-MOSFET, aufweisen. 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 einen High-Side-Anschluss und einen 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 ein 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 Mittelpunktschalteinrichtungen können zum Bereitstellen einer bidirektionalen Sperrfähigkeit jeweils zwei antiseriell verschaltete Mittelpunktschalter oder jeweils einen bidirektionalen Mittelpunktschalter aufweisen.The 3-level inverter has the intermediate circuit on the input side, which in particular has at least one series connection of at least two capacitors. The switching sections or switching bridges each have a first switching device in the form of a high-side switching device, a second switching device in the form of a low-side switching device and a third switching device in the form of a midpoint switching device. Each switching device can have at least one switch in the form of a semiconductor switch, for example an IGBT or power MOSFET. The high-side switching device and the low-side switching device of a switching section are connected to form a half bridge. Each switching section has a phase tap, which is connected to the associated phase of the electrical machine. The connections of the series connection of capacitors, which form a high-side connection and a low-side connection of the intermediate circuit, are connected to poles of the electrical energy storage and to the half-bridges of the switching sections. A midpoint connection, or midpoint for short, is provided between the capacitors of the at least one series circuit, which is connected to the midpoint switching devices of the switching sections. The half bridges each form a vertical bridge branch of the respective switching section and the midpoint switching devices form a horizontal bridge branch of the respective switching section. To provide a bidirectional blocking capability, the midpoint switching devices can each have two midpoint switches connected in anti-series or each have one bidirectional midpoint switch.

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. Due to the three switching devices per switching bridge, the 3-level inverter has 27 switching states with three switching bridges, with each switching state generating a voltage vector that can be represented as a space vector in a vector diagram. With a closed high-side switching device of a switching section, the phase tap of this switching section is electrically connected to the high-side connection and a high-side potential is thus applied to the associated phase. With a closed low-side switching device of a switching section, the phase tap of this switching section is electrically connected to the low-side connection and thus a low-side potential is applied to the associated phase. With a closed midpoint switching device of a switching section, the phase tap of this switching section is electrically connected to the midpoint connection and thus a midpoint potential is applied to the associated phase.

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.For example, three switching states are created in which either all high-side switches are closed and thus all phase taps and phases are connected to the high-side connection of the intermediate circuit, or all low-side switches are closed and thus all phase taps and phases are connected are connected to the low-side connection of the intermediate circuit, or all midpoint switches are closed and thus all phase taps and phases are connected to the midpoint connection of the intermediate circuit, zero voltage vectors, which are represented as zero voltage space vectors in the space vector diagram be sent. The zero voltage space vectors can thus be generated redundantly.

Sechs weitere Schaltzustände, welche keine Beteiligung der Mittelpunktschalteinrichtungen 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. 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.Six further switching states, which do not involve the midpoint switching devices, generate six voltage vectors, which are represented as long, outer voltage space vectors in the space vector diagram and form corner points of an outer hexagon. These six long, outer voltage space vectors correspond to the basic voltage space vectors of a 2-level inverter. Six further switching states involve the midpoint switching devices and generate six further voltage vectors, which are depicted as middle, outer voltage space vectors in the space vector diagram and lie on the side edges of the outer hexagon between two long, outer voltage space vectors.

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.Twelve further switching states, which also involve the midpoint switching devices, generate twelve short, internal voltage space vectors, with two switching states each providing two identical voltage space vectors, i.e. voltage space vectors with the same length and the same phase angle. This means that each of the short, inner voltage space vectors can be generated redundantly. The short, inner stress space vectors span an inner hexagon, with two redundant stress space vectors each forming a corner point of the inner hexagon. The mutually redundant voltage space vectors have an opposite, complementary effect on a current in the center connection of the intermediate circuit.

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.The outer hexagon is divided into six triangular sectors, with corner points of each sector formed by the zero voltage space vectors and two adjacent long, outer voltage space vectors. Each sector is in turn divided into four triangular segments, with two redundant voltage space vectors located at at least one corner point of each segment. In order to modulate any operating point-specific output voltage using the voltage vectors, it is determined in which sector and in which segment of the sector the operating point-specific output voltage space vector representing the output voltage lies. This operating point-specific output voltage space vector can then be generated by pulse width modulation of the voltage space vector spanning this segment. For this purpose, a switching pattern is determined in which a sequence and a duration of the segment-specific voltage space vectors used for modulation are defined.

Der 3-Level-Inverter erzeugt dabei Spannungsrippel, welche eingangsseitig an den Kondensatoren des Zwischenkreises auftreten und mit welchen die Eingangsspannung beaufschlagt wird. Dieser Spannungsrippel kann andere Komponenten im Hochvoltbordnetz schädigen, weswegen seine Amplitude einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreiten darf. Der Spannungsrippel wird dabei erfindungsgemäß mithilfe eines speziellen, spannungsrippelreduzierenden Schaltmusters reduziert. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass jeder Spannungsvektor des Schaltmusters abhängig von seiner Phasenlage einen vektorspezifischen Einfluss auf die Eingangsspannung des 3-Level-Inverters hat. Anders ausgedrückt bewirken die Spannungsvektoren eine vektorspezifische Eingangsspannungsänderung. Dabei wirken sich manche Spannungsvektoren eingangsspannungserhöhend aus, verursachen also einen Spannungshub, und manche Spannungsvektoren wirken sich eingangsspannungsverringernd aus, verursachen also eine Spannungssenkung. Daher werden die Spannungsvektoren im Schaltmuster so anordnet, dass sich Schaltmusterabschnitte mit zumindest einem eingangsspannungserhöhenden Spannungsvektor und Schaltmusterabschnitte mit zumindest einem eingangsspannungsverringernden Spannungsvektor abwechseln. Hierdurch wird die Frequenz des Spannungsrippels erhöht und die Amplitude des Spannungsrippels abgesenkt. Mithilfe der Optimierung des Schaltmusters hinsichtlich des Spannungsrippels kann somit auf eine Überdimensionierung der Kondensatoren des Zwischenkreises in vorteilhafter Weise verzichtet werden. Der 3-Lvel-Inverter kann somit besonders kostengünstig, bauraumsparend und gewichtsschonend ausgebildet werden.The 3-level inverter generates voltage ripples, which occur on the input side of the capacitors of the intermediate circuit and which are applied to the input voltage. This voltage ripple can damage other components in the high-voltage electrical system, which is why its amplitude must not exceed a predetermined threshold value. According to the invention, the voltage ripple is reduced using a special, voltage ripple-reducing switching pattern. The invention is based on the knowledge that each voltage vector of the switching pattern has a vector-specific influence on the input voltage of the 3-level inverter depending on its phase position. In other words, the voltage vectors cause a vector-specific input voltage change. Some voltage vectors have the effect of increasing the input voltage, i.e. causing a voltage swing, and some voltage vectors have the effect of decreasing the input voltage, i.e. causing a voltage drop. Therefore, the voltage vectors in the switching pattern are arranged in such a way that switching pattern sections with at least one input voltage increasing voltage vector and switching pattern sections with at least one input voltage reducing voltage vector alternate. This increases the frequency of the voltage ripple and reduces the amplitude of the voltage ripple. By optimizing the switching pattern with regard to the voltage ripple, it is advantageously possible to avoid oversizing the capacitors of the intermediate circuit. The 3-level inverter can therefore be designed to be particularly cost-effective, space-saving and weight-saving.

Insbesondere werden die Spannungsvektoren derart in Schaltmusterabschnitte eingeteilt, dass die von den Spannungsvektoren bereitgestellten Eingangsspannungsänderungen der Schaltmusterabschnitte betragsmäßig gleich sind oder höchstens um einen vorbestimmten Schwellwert voneinander abweichen. Beispielsweise kann hierfür ein Schaltmusterabschnitt zumindest zwei Spannungsvektoren aufweisen, deren jeweilige Einflüsse auf die Eingangsspannungsänderung absolut gesehen kleiner sind als die jeweiligen Einflüsse auf die Eingangsspannungsänderung der anderen Spannungsvektoren. Daher werden diese zwei Spannungsvektoren einem Schaltmusterabschnitt zugeteilt, sodass sich deren Einflüsse auf die Eingangsspannungsänderung aufsummieren können. Es können also in einem Schaltmusterabschnitt zumindest zwei Spannungsvektoren, deren absoluter Beitrag zur Eingangsspannungsänderung für sich allein genommen nicht groß genug wäre, gebündelt werden, sodass die von diesem Schaltmusterabschnitt verursachte Eingangsspannungsänderung in etwa genauso groß ist wie die entgegengesetzte Eingangsspannungsänderung des benachbarten Schaltmusterabschnittes.In particular, the voltage vectors are divided into switching pattern sections in such a way that the input voltage changes of the switching pattern sections provided by the voltage vectors are the same in magnitude or differ from one another by at most a predetermined threshold value. For example, a switching pattern section can have at least two voltage vectors, the respective influences on the input voltage change, viewed in absolute terms, being smaller than the respective influences on the input voltage change of the other voltage vectors. Therefore, these two voltage vectors are assigned to a switching pattern section so that their influences on the input voltage change can add up. At least two voltage vectors whose absolute contribution to the input voltage change would not be large enough on their own can be bundled in a switching pattern section, so that the input voltage change caused by this switching pattern section is approximately the same size as the opposite input voltage Change in voltage of the adjacent switching pattern section.

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.The embodiments presented with reference to the method according to the invention and their advantages apply accordingly to the control device according to the invention, to the power electronics module according to the invention and to the motor vehicle according to the invention.

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.Further features of the invention emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own.

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 von Zeitanteilen unterschiedlicher Spannungsvektoren innerhalb des Schaltmusters; und
  • 4a, 4b eine Darstellung von zwei spannungsrippelreduzierenden Schaltmustervarianten zum Modulieren einer Ausgangsspannung des 3-Level-Inverters.
The invention will now be explained in more detail using a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a circuit diagram of an embodiment of a 3-level inverter;
  • 2 a representation of a phasor diagram of the 3-level inverter;
  • 3 a representation of time components of different voltage vectors within the switching pattern; and
  • 4a , 4b a representation of two voltage ripple-reducing switching pattern variants for modulating an output voltage of the 3-level inverter.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

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. Anschlüsse in Form von einem High-Side Anschluss DC+ und einem 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. 1 shows a 3-level inverter 1 for an electrified motor vehicle. The 3-level inverter 1 has an intermediate circuit 2 on the input side, which here has three intermediate circuit branches 2a, 2b, 2c, each with a series connection of two capacitors C1, C2. Connections in the form of a high-side connection DC+ and a low-side connection DC- of the intermediate circuit 2 are connected to poles of an electrical energy storage device of the motor vehicle, which provides the intermediate circuit 2 with a direct voltage V DC . Half the direct voltage V DC /2 is present at each capacitor C1, C2. The 3-level inverter 1 also has three switching sections 3a, 3b, 3c, which are each electrically connected to one of the intermediate circuit branches 2a, 2b, 2c. However, it can also be provided that the intermediate circuit 2 has only one intermediate circuit branch with two series-connected capacitors C1, C2, to which the switching sections 3a, 3b, 3c are connected. Each switching section 3a, 3b, 3c has a phase tap u, v, w, which is connected to a phase Phu, Phv, Phw of an electric drive machine of the motor vehicle.

Jeder Schaltabschnitt 3a, 3b, 3c 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 DCdes 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 weiteren Anschluss des Zwischenkreises 2 in Form von 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.Each switching section 3a, 3b, 3c has three switching devices S1, S2, S3, which can each have at least one switch designed as a semiconductor switch, for example IGBTs. The switching devices S1 and S2 are connected to a half bridge HB of the respective switching section 3a, 3b, 3c. The first switching devices S1 are high-side switching devices and are connected to the high-side connection DC+ of the intermediate circuit 2, which is connected to a positive pole of the electrical energy storage, and to a tap A of the respective half bridge HB. The second switching devices S2 are low-side switching devices and are connected to the tap of the respective half bridge HB and to the low-side connection DC of the intermediate circuit 2, which is connected to a negative pole of the electrical energy storage. The third switching devices S3 are midpoint switching devices and are connected to the tap and to a further connection of the intermediate circuit 2 in the form of a midpoint connection N of the respective intermediate circuit branch 2a, 2b, 2c between the two capacitors C1, C2. The midpoint switching devices S3 each have two midpoint switches S3a, S3b connected in anti-series.

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.The 3-level inverter 1 can assume 27 switching states, by means of which a desired, operating point-specific output voltage can be modulated for application to the phases Phu, Phv, Phw. Each switching state generates a voltage vector, which in an in 2 shown space vector diagram 4 can be represented with the axes α, β. In the space vector diagram 4, the different switching states (u, v, w) are shown at discrete points with u, v, w = 0, 1, 2, where u indicates which of the switching devices S1, S2, S3 is closed in the first switching section 3a , v indicates which of the switching devices S1, S2, S3 is closed in the second switching section 3b, and w indicates which of the switching devices S1, S2, S3 is closed in the third switching section 3c. “0” means that the respective low-side switching device S2 is closed and thus connects the respective phase tap u, v, w to the low-side connection DC-. “1” means that the respective midpoint switching device S3 is closed and thus connects the respective phase tap u, v, w to the midpoint connection N. “2” means that the respective high-side switching device S1 is closed and thus connects the respective phase tap u, v, w with the high-side connection DC+. The discrete points mark an arrowhead of a voltage space vector generated by the respective switching state, which has a specific length and a specific phase angle. It is already clear that switching states exist that generate identical voltage vectors. For example, the switching states “221” and “110” produce identical voltage vectors. The switching states “000”, “111”, “222” also generate identical voltage vectors, namely a zero voltage vector v0 1 , v0 2 , v0 3 .

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 vierten Segment Q4 und kann somit durch diejenigen Spannungsvektoren v2p, erzeugt durch Schaltzustand „221“, v2n, erzeugt durch Schaltzustand „110“, v4, erzeugt durch Schaltzustand „210“, und v5, erzeugt durch Schaltzustand „220“ moduliert bzw. angenähert werden, welche Eckpunkte des vierten Segmentes Q4 bilden und somit den zu erzeugenden Ausgangsspannungsvektor Va umgeben.The space vector diagram is divided into six sectors K1, K2, K3, K4, K5, K6, with each sector K1, ..., K6 divided into four segments Q1, Q2, Q3, Q4 (shown here only for the first sector K1). is. If a certain, operating point-specific output voltage is to be achieved, for example the in 2 output voltage vector Va shown are modulated, it is first determined in which sector K1, ..., K6 and in which segment Q1, ..., Q4 of the respective sector K1, ..., K6 the respective output voltage vector V a lies. For example, the output voltage vector V a lies in the first sector K1 in the fourth segment Q4 and can therefore be represented by those voltage vectors v2p, generated by switching state "221", v2n, generated by switching state "110", v4, generated by switching state "210", and v5, generated by switching state “220” are modulated or approximated, which form corner points of the fourth segment Q4 and thus surround the output voltage vector V a to be generated.

In der Regel werden die Spannungsvektoren v2p, v2n, v4, v5 der Reihe nach so gesetzt, dass die Schalthandlungen beim Übergang zwischen zwei Schaltzuständen minimal sind. Hier werden die Spannungsvektoren v2p, v2n, v4 und v5 jedoch so angeordnet, dass eine Amplitude des Spannungsrippels, mit welchem die Eingangsspannung VDC beaufschlagt wird, minimiert wird und eine Frequenz des Spannungsrippels maximiert wird. Spannungsvektoren v2p, v2n, v4 und v5 haben abhängig von der Phasenlage einen unterschiedlichen Einfluss auf die Eingangsspannung VDC des 3-Level-Inverters 1. Um die Amplitude des Spannungsrippels am Eingang zu minimieren, wird ermittelt, wie der Einfluss der Spannungsvektoren v2p, v2n, v4, v5, die im Rahmen der Raumzeigermodulation innerhalb einer Periode gestellt werden, auf die Eingangsspannung VDC ist. In 3 sind beispielhaft die Gesamtzeitdauer d0 des Spannungsvektors v4, d1 des Spannungsvektors v5 und d2 der Spannungsvektoren v2p und v2n innerhalb einer Modulationsperiode gezeigt.As a rule, the voltage vectors v2p, v2n, v4, v5 are set in sequence so that the switching actions during the transition between two switching states are minimal. Here, however, the voltage vectors v2p, v2n, v4 and v5 are arranged such that an amplitude of the voltage ripple applied to the input voltage V DC is minimized and a frequency of the voltage ripple is maximized. Depending on the phase position, voltage vectors v2p, v2n, v4 and v5 have a different influence on the input voltage V DC of the 3-level inverter 1. In order to minimize the amplitude of the voltage ripple at the input, it is determined how the influence of the voltage vectors v2p, v2n , v4, v5, which are set within a period as part of the space vector modulation, to the input voltage V DC . In 3 The total time duration d0 of the voltage vector v4, d1 of the voltage vector v5 and d2 of the voltage vectors v2p and v2n within a modulation period are shown as an example.

Der Spannungsvektor v4 wirkt sich dabei eingangsspannungsverringernd aus, während sich die Spannungsvektoren v5, v2p, v2n eingangsspannungserhöhend auswirken. Dann wird ein spannungsrippelreduzierendes Schaltmuster SMa (siehe 4a) oder SMb (siehe 4b) mit Schaltmusterabschnitten A+, A- bestimmt. Jedem Schaltmusterabschnitt A+, A- wird zumindest ein Spannungsvektor v2p, v2n, v4, v5 zugeteilt. Das Schaltmuster SMa weist sieben Schaltmusterabschnitte A+, A- auf, wobei in den Schaltmusterabschnitten A+ jeweils einer der eingangsspannungserhöhenden Spannungsvektoren v2a, v2n, v5 und in den Schaltmusterabschnitten A- jeweils der eingangsspannungsverringernde Spannungsvektor v4 angeordnet ist. Die Spannungsvektoren v2p, v2n, v4, v5 und damit die Schaltmusterabschnitte A+, A- sind also im Wechsel so angeordnet, dass sich Spannungsvektoren v2p, v2n, v5, die die Eingangsspannung VDC anheben, und Spannungsvektoren v4, die die Eingangsspannung VDC absenken, abwechseln. Damit wird die Frequenz des Spannungsrippels erhöht und die Amplitude verringert.The voltage vector v4 has the effect of reducing the input voltage, while the voltage vectors v5, v2p, v2n have the effect of increasing the input voltage. Then a voltage ripple-reducing switching pattern SMa (see 4a) or SMb (see 4b) with switching pattern sections A+, A-. At least one voltage vector v2p, v2n, v4, v5 is assigned to each switching pattern section A+, A-. The switching pattern SMa has seven switching pattern sections A+, A-, one of the input voltage increasing voltage vectors v2a, v2n, v5 being arranged in the switching pattern sections A+ and the input voltage reducing voltage vector v4 being arranged in the switching pattern sections A-. The voltage vectors v2p, v2n, v4, v5 and thus the switching pattern sections A+, A- are arranged alternately in such a way that voltage vectors v2p, v2n, v5, which increase the input voltage V DC , and voltage vectors v4, which lower the input voltage V DC , alternate. This increases the frequency of the voltage ripple and reduces the amplitude.

4b zeigt ein Schaltmuster SMb für den Fall, dass Spannungsvektoren, beispielsweise v2n, existieren, die einen geringeren Einfluss auf die Eingangsspannung VDC haben als die anderen Spannungsvektoren. Daher sind Spannungsvektoren v2n, v5, die betragsmäßig den gleichen, aber absolut einen geringeren Einfluss auf die Eingangsspannung VDC haben, in einem Schaltmusterabschnitt A+ gebündelt, so dass der Spannungshub, also die Erhöhung der Eingangsspannung VDC, und die Spannungsreduzierung, also die Reduzierung der Eingangsspannung VDC, möglichst gut ausgeglichen werden. Auch hier sind Schaltmusterabschnitte A-, welche eingangsspannungssenkend wirken, und Schaltmusterabschnitte A+, welche eingangsspannungserhöhen wirken, abwechselnd zueinander angeordnet. 4b shows a switching pattern SMb for the case that voltage vectors, for example v2n, exist which have a smaller influence on the input voltage V DC than the other voltage vectors. Therefore, voltage vectors v2n, v5, which have the same magnitude but absolutely a smaller influence on the input voltage V DC , are bundled in a switching pattern section A+, so that the voltage swing, i.e. the increase in the input voltage V DC , and the voltage reduction, i.e. the reduction the input voltage V DC , must be balanced as well as possible. Here too, switching pattern sections A-, which have the effect of lowering the input voltage, and switching pattern sections A+, which have the effect of increasing the input voltage, are arranged alternately with one another.

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen (DC+, DC-, 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, Phw, Phw) einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b, 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) aufweist, welche jeweils mit einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbunden sind und für welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va) ein Schaltmuster (SMa, SMb) bestimmt wird, durch welches die Schalteinrichtungen (3a, 3b, 3c) in unterschiedliche Schaltzustände überführt werden und dabei den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v2p, v2n, v4, v5) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reduzieren eines eingangsseitigen Spannungsrippels einer an dem Zwischenkreis anliegenden Eingangsspannung (VDC) - für jeden Spannungsvektor (v2p, v2n, v4, v5) des Schaltmusters (SMa, SMb) bestimmt wird, ob er eine Eingangsspannungsänderung in Form von einer Eingangsspannungserhöhung oder einer Eingangsspannungsverringerung hervorruft, - die Spannungsvektoren (v2p, v2n, v4, v5) Schaltmusterabschnitten (A+, A-) zugeordnet werden, wobei jeweils ein Schaltmusterabschnitt (A+, A-) zumindest einen Spannungsvektor (v2p, v2n, v4, v5) aufweist, und - die Schaltmusterabschnitte (A+, A-) derart zu dem Schaltmuster (SMa, SMb) zusammengefügt werden, dass sich ein Schaltmusterabschnitt (A+) mit zumindest einem eingangsspannungserhöhenden Spannungsvektor (v2p, v2n, v5) und ein Schaltmusterabschnitt (A-) mit zumindest einem eingangsspannungsverringernden Spannungsvektor (v4) zum Erhöhen einer Frequenz und zum Verringern einer Amplitude des Spannungsrippels abwechseln.Method for operating a 3-level inverter (1), which has an intermediate circuit (2) with three connections (DC+, DC-, N) and at least three switching sections (3a, 3b, 3c) connected to the intermediate circuit (2). each has a phase tap (u, v, w) for electrically connecting to one phase (Phu, Phw, Phw) of an electric drive machine, each switching section (3a, 3b, 3c) having three switching devices (S1, S2, S3). , which are each connected to one of the connections (DC+, DC-, N) of the intermediate circuit (2) and for which a switching pattern (SMa, SMb) is determined to modulate an operating point-specific output voltage (V a ), through which the switching devices (3a , 3b, 3c) into different switching states the and thereby the phase tap (u, v, w) of the respective switching section (3a, 3b, 3c) to generate a voltage vector (v2p, v2n, v4, v5) with one of the connections (DC+, DC-, N) of the intermediate circuit (2), characterized in that in order to reduce an input-side voltage ripple of an input voltage (V DC ) present on the intermediate circuit - it is determined for each voltage vector (v2p, v2n, v4, v5) of the switching pattern (SMa, SMb) whether it has a Input voltage change in the form of an input voltage increase or an input voltage reduction - the voltage vectors (v2p, v2n, v4, v5) are assigned to switching pattern sections (A+, A-), each switching pattern section (A+, A-) having at least one voltage vector (v2p, v2n , v4, v5), and - the switching pattern sections (A+, A-) are assembled into the switching pattern (SMa, SMb) in such a way that there is a switching pattern section (A+) with at least one input voltage increasing voltage vector (v2p, v2n, v5) and a Switching pattern section (A-) alternates with at least one input voltage-reducing voltage vector (v4) for increasing a frequency and for reducing an amplitude of the voltage ripple. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvektoren (v2p, v2n, v4, v5) derart den Schaltmusterabschnitten (A+, A-) zugeordnet werden, dass die von den Spannungsvektoren (v2p, v2n, v4, v5) bereitgestellten Eingangsspannungsänderungen der Schaltmusterabschnitte (A+, A-) betragsmäßig gleich sind oder höchstens um einen vorbestimmten Schwellwert voneinander abweichen.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the voltage vectors (v2p, v2n, v4, v5) are assigned to the switching pattern sections (A+, A-) in such a way that the input voltage changes of the switching pattern sections (A+, A.) provided by the voltage vectors (v2p, v2n, v4, v5). -) are the same in amount or differ from each other by a maximum of a predetermined threshold value. Verfahren ach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schaltmusterabschnitt (A+) zumindest zwei Spannungsvektoren (v2n, v5) aufweist, deren einzelne Eingangsspannungsänderungen sich zu einer gesamten Eingangsspannungsänderung des Schaltmusterabschnittes (A+) aufsummieren.Procedure oh Claim 2 , characterized in that at least one switching pattern section (A+) has at least two voltage vectors (v2n, v5), whose individual input voltage changes add up to a total input voltage change of the switching pattern section (A+). Steuereinrichtung für ein Leistungselektronikmodul eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Control device for a power electronics module of a motor vehicle, which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims. Leistungselektronikmodul für ein Kraftfahrzeug mit: - einem 3-Level-Inverter (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen (DC+, DC-, 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 (S1, S2, S3) aufweist, welche mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) verbunden sind, und - einer Steuereinrichtung nach Anspruch 4.Power electronics module for a motor vehicle with: - a 3-level inverter (1), which has an intermediate circuit (2) with three connections (DC+, DC-, N) and at least three switching sections (3a, 3b) connected to the intermediate circuit (2). , 3c) each with a phase tap (u, v, w) for electrically connecting to one phase (Phu, Phv, Phw) of an electric drive machine, each switching section (3a, 3b, 3c) having three switching devices (S1, S2 , S3), which are each connected to one of the connections (DC+, DC-, N), and - a control device Claim 4 . Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einer elektrischen Antriebsmaschine und einem Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei der 3-Level-Inverter (1) eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen (Phu, Phv, Phw) der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist.Motor vehicle with an electrical energy storage, an electric drive machine and a power electronics module Claim 5 , wherein the 3-level inverter (1) is connected on the input side to the electrical energy storage and on the output side to phases (Phu, Phv, Phw) of the electric drive machine.
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