DE102022124373A1 - Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter - Google Patents

Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter Download PDF

Info

Publication number
DE102022124373A1
DE102022124373A1 DE102022124373.7A DE102022124373A DE102022124373A1 DE 102022124373 A1 DE102022124373 A1 DE 102022124373A1 DE 102022124373 A DE102022124373 A DE 102022124373A DE 102022124373 A1 DE102022124373 A1 DE 102022124373A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
power converter
dead time
field effect
effect transistors
control device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022124373.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Nikolas Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to DE102022124373.7A priority Critical patent/DE102022124373A1/en
Publication of DE102022124373A1 publication Critical patent/DE102022124373A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter (10) für eine elektrische Maschine (12) eines Fahrzeugs (40) und ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters (10). Der Stromrichter (10) weist zumindest eine B6-Brücke (14) mit drei Halbbrücken (16), einen Zwischenkreiskondensator (34), und einen Gleichstrom-Eingang (28, 30) auf. Jede Halbbrücke (16) weist ein Paar von komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff (22) zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine (12) mit einem Dreiphasenwechselstrom (L1, L2, L3) auf. Der Stromrichter (10) ist mit einer Steuervorrichtung (36) gekoppelt, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms (L1, L2, L3) die komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) mittels Gatesignalen (G1, G2) entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung (HV+) und einer negativen Hochspannung (HV-) derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden. Zwischen dem Umschalten des ersten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und dem zweiten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) wird durch die Steuervorrichtung (36) eine Totzeit berücksichtigt. Die Totzeit wird derart ausgewählt, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.The present invention relates to a power converter (10) for an electrical machine (12) of a vehicle (40) and a method for operating a power converter (10). The power converter (10) has at least one B6 bridge (14) with three half bridges (16), an intermediate circuit capacitor (34), and a direct current input (28, 30). Each half bridge (16) has a pair of complementary field effect transistors (18, 20) and a center tap (22) arranged between them for applying a three-phase alternating current (L1, L2, L3) to the electrical machine (12). The power converter (10) is coupled to a control device (36), which is set up in such a way that for each current phase of the three-phase alternating current (L1, L2, L3), the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges (16) are activated by means of gate signals (G1 , G2) are switched according to an application of a positive high voltage (HV+) and a negative high voltage (HV-) in such a way that complementary commutation cells are provided. A dead time is taken into account by the control device (36) between switching the first of the complementary field effect transistors (18, 20) and the second of the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges (16). The dead time is selected in such a way that a reduction in magnitude is ensured for high-frequency interference signal components.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters.The present invention relates to a power converter for an electrical machine of a vehicle and a method for operating a power converter.

Bei bekannten Stromrichtern (auch Inverter genannt) für elektrische Maschinen von Fahrzeugen wird ein Gleichstrom-Eingangssignal mittels Schaltvorrichtungen in mehrere Wechselstrom-Ausgangssignale umgesetzt, um für verschiedene Stromphasen der elektrischen Maschine bedarfsgerechte Signale zur Beaufschlagung der Wicklungen der elektrischen Maschine bereitstellen zu können, beispielsweise in Abhängigkeit der relativen Stellungen des Rotors und des Stators, bzw. jeweiliger Pole davon.In known power converters (also called inverters) for electrical machines of vehicles, a direct current input signal is converted into several alternating current output signals by means of switching devices in order to be able to provide signals that are appropriate for different current phases of the electrical machine to act on the windings of the electrical machine, for example as a function the relative positions of the rotor and the stator, or respective poles thereof.

Typische Inverter-Topologien weisen mehrere Halbbrücken mit jeweiligen Schaltvorrichtungen auf, beispielsweise Transistoren, die als Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen agieren und zwischen denen jeweils ein Mittelabgriff zur Bereitstellung eines Ausgangssignals der jeweiligen Halbbrücke angeordnet ist. Die Schaltvorrichtungen werden mittels geeigneter Steuersignale kontrolliert, beispielsweise Gatesignale für Transistoren. Als Eingangssignal einer solchen Halbbrücke dienen Hochvoltsignale (HV+/HV-), die beispielsweise durch einen Hochvoltspeicher eines Fahrzeugs bereitgestellt werden.Typical inverter topologies have several half-bridges with respective switching devices, for example transistors that act as high-side and low-side switching devices and between which a center tap is arranged to provide an output signal of the respective half-bridge. The switching devices are controlled by means of suitable control signals, for example gate signals for transistors. The input signal of such a half-bridge is high-voltage signals (HV+/HV-), which are provided, for example, by a high-voltage storage device in a vehicle.

Durch entsprechende Schaltstellungen der Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen werden korrespondierende Kommutierungszellen des Stromrichters bereitgestellt. Für jede Kommutierungszelle muss eine der jeweiligen Schaltvorrichtungen (Highside- und Lowside-Schaltvorrichtung) sperrend sein, um zu verhindern, dass bezüglich der als Eingangssignal bereitgestellten Hochspannung ein Kurzschluss auftritt. Deshalb wird eine Totzeit zwischen Schaltvorgängen der Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen berücksichtigt. Das bedeutet, dass zunächst eine erste Schaltvorrichtung von leitend nach sperrend geschaltet wird und dann ein Intervall entsprechend der Totzeit abgewartet wird, bevor die korrespondierende Schaltvorrichtung von sperrend nach leitend geschaltet wird. Durch die Totzeit werden so harte Kurzschlüsse zwischen den Polen der Hochspannung verhindert. Die Totzeit wird so lang gewählt, dass auch partielle Brückenkurzschlüsse vermieden werden. Corresponding commutation cells of the power converter are provided by corresponding switching positions of the high-side and low-side switching devices. For each commutation cell, one of the respective switching devices (high-side and low-side switching devices) must be blocking in order to prevent a short circuit from occurring with respect to the high voltage provided as an input signal. Therefore, a dead time between switching operations of the high-side and low-side switching devices is taken into account. This means that first a first switching device is switched from conducting to blocking and then an interval corresponding to the dead time is waited before the corresponding switching device is switched from blocking to conducting. The dead time prevents hard short circuits between the high voltage poles. The dead time is chosen to be long enough to avoid even partial bridge short circuits.

Allerdings verursacht die Totzeit eine Verlustleistung, weshalb sie nach bisherigen Ansätzen unter Berücksichtigung einer Sicherheitsspanne (z.B. 0,5 µs) möglichst kurz gewählt wird.However, the dead time causes power loss, which is why, according to previous approaches, it is chosen to be as short as possible, taking into account a safety margin (e.g. 0.5 µs).

Heutige Stromrichter weisen zum Zwecke der Kopplung von Gleichstrom- und Wechselstromkreislauf einen Zwischenkreiskondensator auf, dessen Kapazität sehr groß ist (bis in das mF-Regime), sodass aufgrund seiner Ausdehnungen frequenzabhängige Störungen auftreten, die hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) problematisch sind. Die EMV-Störungen sind maßgeblich durch im Hochfrequenzbereich (>1 MHz) angeregte Eigenschwingungen der Kommutierungszellen verursacht, da die Eigenresonanzen von der Induktivität des Zwischenkreiskondensators abhängen, die im MHz-Regime hoch ist. Daher treten im MHz-Bereich betragsmäßig große Störamplituden auf. Demgegenüber sind die niedrigen Frequenzbereiche (kHz-Bereich) uninteressant, weil das Fahrzeug in diesem Frequenzbereich selbst keine nennenswerten Emissionen aufweist.For the purpose of coupling the direct current and alternating current circuits, today's power converters have an intermediate circuit capacitor whose capacity is very large (up to the mF regime), so that frequency-dependent interference occurs due to its dimensions, which are problematic with regard to electromagnetic compatibility (EMC). The EMC interference is largely caused by natural oscillations of the commutation cells excited in the high frequency range (>1 MHz), since the natural resonances depend on the inductance of the intermediate circuit capacitor, which is high in the MHz regime. Therefore, large interference amplitudes occur in the MHz range. In contrast, the low frequency ranges (kHz range) are uninteresting because the vehicle itself does not produce any significant emissions in this frequency range.

Gemäß verschiedener Normen, beispielsweise dem sogenannten weltweit einheitlichen Leichtfahrzeuge-Testverfahren (WLTP) sind frequenzabhängige EMV-Grenzwerte festgelegt, die durch die Stromrichter, bzw. die dem Fahrzeug zugrundeliegenden elektrischen Bordnetze einzuhalten sind. Bisherige Ansätze sehen komplexe Filterstrukturen vor, um insbesondere die im MHz-Bereich verursachten Störungen derart weit zu reduzieren, dass die EMV-Grenzwerte eingehalten werden. Derartige Filtervorrichtungen erhöhen aber die Komponentenanzahl, den erforderlichen Bauraum, verursachen selbst Verlustleistungen, erfordern zusätzlich kostenintensive Kühlkonzepte und verursachen somit einen erhöhten Herstellungsaufwand, insbesondere im Bereich hier erläuterter Hochvolt-Anwendungen.According to various standards, for example the so-called globally uniform light vehicle test procedure (WLTP), frequency-dependent EMC limit values are specified, which must be adhered to by the power converters or the vehicle's underlying electrical systems. Previous approaches provide for complex filter structures in order to reduce the interference caused in the MHz range to such an extent that the EMC limit values are adhered to. However, such filter devices increase the number of components and the required installation space, cause power losses themselves, require additional cost-intensive cooling concepts and thus cause increased production costs, especially in the area of high-voltage applications explained here.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik auszuräumen oder zumindest zu verringern. Insbesondere ist es wünschenswert, einen Stromrichter bereitzustellen, für den eine Durchschlagfestigkeit gewährleistet werden kann und für den eine Reduktion der Störungen im MHz-Bereich mit einem reduzierten Aufwand möglich ist.The invention is therefore based on the object of eliminating or at least reducing the disadvantages of the prior art. In particular, it is desirable to provide a power converter for which dielectric strength can be guaranteed and for which a reduction in interference in the MHz range is possible with reduced effort.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Erfindung darstellen kann. Einzelne Aspekte werden im Hinblick auf Verfahren erläutert, andere im Hinblick auf Vorrichtungen. Die Aspekte sind aber jeweils wechselseitig entsprechend zu übertragen.The task is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are specified in the dependent patent claims and the following description, each of which can represent aspects of the invention on its own or in (sub)combination. Individual aspects are explained with regard to methods, others with regard to devices. However, the aspects must be transferred to each other accordingly.

Gemäß einem Aspekt wird ein Stromrichter für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs bereitgestellt. Der Stromrichter weist zumindest eine B6-Brücke mit drei Halbbrücken, einen Zwischenkreiskondensator, und einen Gleichstrom-Eingang auf. Jede Halbbrücke weist ein Paar von komplementären Schaltvorrichtungen, insbesondere Feldeffekttransistoren, und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine mit einem Dreiphasenwechselstrom auf. Der Stromrichter ist mit einer Steuervorrichtung gekoppelt, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms die komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken mittels Schaltsignalen, insbesondere Gatesignalen, entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung und einer negativen Hochspannung derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden. Zwischen dem Umschalten der ersten der komplementären Schaltvorrichtungen und der zweiten der komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken wird durch die Steuervorrichtung eine Totzeit berücksichtigt. Die Totzeit wird derart ausgewählt, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.According to one aspect, a power converter for an electric machine of a vehicle is provided. The power converter at least points a B6 bridge with three half bridges, an intermediate circuit capacitor, and a DC input. Each half bridge has a pair of complementary switching devices, in particular field effect transistors, and a center tap arranged between them for supplying the electrical machine with a three-phase alternating current. The power converter is coupled to a control device which is set up in such a way that for each current phase of the three-phase alternating current, the complementary switching devices of the respective half bridges are switched by means of switching signals, in particular gate signals, in accordance with an application of a positive high voltage and a negative high voltage in such a way that complementary commutation cells are provided become. A dead time is taken into account by the control device between the switching of the first of the complementary switching devices and the second of the complementary switching devices of the respective half bridges. The dead time is selected in such a way that a reduction in magnitude is ensured for high-frequency interference signal components.

Bevorzugt werden die Schaltvorrichtungen durch Feldeffekttransistoren verwirklicht. Entsprechend sind die Schaltsignale durch Gatesignale gegeben.The switching devices are preferably implemented by field effect transistors. Accordingly, the switching signals are given by gate signals.

Erfindungsgemäß wurde vorteilhaft erkannt, dass eine Verlängerung der Totzeit eine Reduktion der Störungen im Hochfrequenzbereich (HF-Bereich) zur Folge hat.According to the invention, it was advantageously recognized that an extension of the dead time results in a reduction in interference in the high frequency range (HF range).

Werden beispielsweise Transistoren als Schaltvorrichtungen verwendet, wird durch geeignet gewählte, längere Totzeiten der komplementäre Transistor der jeweiligen Halbbrücke beabsichtigt länger im dritten Quadranten betrieben. Dadurch wird die Resistivität des Leitkanals als Hochfrequenz-Dämpfer der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen in der Hochfrequenzdomäne nutzbar gemacht. In anderen Worten führt die Resistivität des Leitkanals dazu, dass bezüglich des HF-Bereichs eine verbesserte Dämpfungswirkung im Hinblick auf die Eigenschwingungen der Kommutierungszellen gewährleistet wird. Als Folge treten HF-Störungen lediglich mit betragsmäßig reduzierter Amplitude auf.If, for example, transistors are used as switching devices, the complementary transistor of the respective half-bridge is intentionally operated in the third quadrant for a longer period of time by means of suitably selected, longer dead times. This makes the resistivity of the conducting channel usable as a high-frequency damper of the natural oscillations of the commutation cells in the high-frequency domain. In other words, the resistivity of the conducting channel ensures an improved damping effect with regard to the natural oscillations of the commutation cells in the HF range. As a result, HF interference only occurs with a reduced amplitude.

Somit können vorbestimmte Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorteilhaft einfacher eingehalten werden, beispielsweise dadurch, dass die Totzeit so lang gewählt wird, dass nur noch einfache und aufwandsarme Filterkomponenten erforderlich sind, die lediglich einen geringen Herstellungsaufwand verursachen. Als Folge kann die erforderliche Komponentenanzahl reduziert werden. Zudem können auch die Kühlkonzepte, die für die Filtervorrichtungen vorzusehen sind, vorteilhaft einfacher und aufwandsärmer gewährleistet werden. Insgesamt kann so der Herstellungsaufwand, der notwendig ist, um die EMV-Grenzwerte einzuhalten, vorteilhaft reduziert werden. Beispielsweise ist eine Kühlung des Stromrichters bzw. seines Zwischenkreiskondensators und/oder seiner Schaltvorrichtungen üblicherweise sehr viel einfacher und mit geringerem Aufwand möglich, als dies für die Filtervorrichtungen der Fall ist.Predetermined limit values for electromagnetic compatibility (EMC) can therefore advantageously be adhered to more easily, for example by choosing the dead time to be so long that only simple and low-cost filter components are required, which only require little manufacturing effort. As a result, the required number of components can be reduced. In addition, the cooling concepts that are to be provided for the filter devices can also be advantageously guaranteed to be simpler and less costly. Overall, the manufacturing effort that is necessary to comply with the EMC limit values can be advantageously reduced. For example, cooling the power converter or its intermediate circuit capacitor and/or its switching devices is usually much simpler and possible with less effort than is the case for the filter devices.

Bevorzugt ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Totzeit derart zu wählen, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter einen vorgegebenen Grenzwert für die EMV einhält. Dann sind überhaupt keine separaten Filtervorrichtungen mehr notwendig, wodurch der Stromrichter bezüglich der EMV besonders aufwandsarm ausgebildet ist.Preferably, the control device is designed to select the dead time in such a way that the high-frequency interference signal components are reduced to such an extent that the power converter complies with a predetermined limit value for EMC. Then no separate filter devices are required at all, which means that the power converter is designed to be particularly low-complexity in terms of EMC.

Eine Charakterisierung des Stromrichters bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit kann beispielsweise mittels Raumzeigermodulation erfolgen, auch genannt: space vector pulse width modulation (SVPWM). Beispielsweise kann dazu ein Frequenzanalysator anstelle einer Gleichstromquelle mit der Busbarstruktur des Stromrichters gekoppelt werden. Das fahrzeuginterne Bordnetz wird durch ein Ersatzschaltbild nachgebildet. Anschließend wird ein sogenannter Hochspannungsemissionstest (high voltage conducted emission test; HVCE) durchgeführt, um ein frequenzabhängiges Störspektrum zu erfassen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, oberhalb von 1 MHz. Dabei können Peak-Werte, Quasi-Peak-Werte und Mittelwerte erfasst werden. Gemäß dem WLTP Standard müssen die emittierten Störaussendungen jeweils unterhalb frequenzabhängiger EMV-Grenzwerte liegen. Der niedrige Frequenzbereich (kHz-Bereich) hingegen ist uninteressant, da das Fahrzeug dort nicht strahlt. In anderen Worten tritt bei derart niedrigen Frequenzen keine Eigenresonanz auf.The converter can be characterized in terms of electromagnetic compatibility using space vector modulation, also known as space vector pulse width modulation (SVPWM). For example, a frequency analyzer can be coupled to the busbar structure of the converter instead of a direct current source. The vehicle's internal electrical system is simulated using an equivalent circuit diagram. A so-called high voltage conducted emission test (HVCE) is then carried out to record a frequency-dependent interference spectrum, particularly in the high frequency range above 1 MHz. Peak values, quasi-peak values and average values can be recorded. According to the WLTP standard, the emitted interference must be below frequency-dependent EMC limits. The low frequency range (kHz range), on the other hand, is not of interest because the vehicle does not radiate there. In other words, no natural resonance occurs at such low frequencies.

Wie eingangs erläutert führt eine Verlängerung der Totzeit zu einer erhöhten Verlustleistung, denn der jeweilige Transistor wird dann im dritten Quadranten betrieben. Es liegt dann also keine Transition des jeweiligen Feldeffekttransistors vor, sondern im eine Rückwärtsleitfähigkeit, zumindest bis der komplementäre Feldeffekttransistor leitend geschaltet wird. Die verursachte Verlustleistung ist bei der Wahl der Totzeit zu berücksichtigen und kann abhängig von der Auslegung des Stromrichters quantifiziert werden, beispielsweise abhängig von der Wahl der Schaltvorrichtungen und dem verwendeten Zwischenkreiskondensator.As explained at the beginning, an extension of the dead time leads to increased power loss because the respective transistor is then operated in the third quadrant. There is then no transition of the respective field effect transistor, but rather a reverse conductivity, at least until the complementary field effect transistor is switched on. The power loss caused must be taken into account when choosing the dead time and can be quantified depending on the design of the converter, for example depending on the choice of switching devices and the intermediate circuit capacitor used.

Auf der anderen Seite ermöglicht die Verlängerung der Totzeit die EMV-Grenzwerte mit einem reduzierten Aufwand einzuhalten, beispielsweise, weil anstatt aufwendig zu kühlender komplexer Filtervorrichtungen einfachere Filtervorrichtungen verwendet werden können, die möglicherweise keinen separaten Kühlmechanismus erfordern. Auch diese Auswirkungen der Totzeit können quantifiziert werden.On the other hand, the extension of the dead time makes it possible to comply with the EMC limits with reduced effort, for example, because instead of complex filter devices that are difficult to cool, simpler filter devices can be used, which may not require a separate cooling mechanism. These effects of dead time can also be quantified.

Demgegenüber können Einflüsse einer veränderten Totzeit auf die Regelung der elektrischen Maschine durch den zugrundeliegenden Regelungsmechanismus kompensiert werden.In contrast, influences of a changed dead time on the control of the electrical machine can be compensated for by the underlying control mechanism.

Es ergeben sich daher durch eine Verlängerung der Totzeit bezüglich der erhöhten Verlustleistung und dem Effizienzgewinn hinsichtlich der erforderlichen Filtermaßnahmen widerstrebende Effekte. Deshalb kann die Steuervorrichtung optional eingerichtet sein, die Totzeit derart zu wählen, dass ein Pareto-Optimum zwischen einer Erhöhung der Verlustleistung und der Reduzierung von hochfrequenten Störsignalanteilen, die jeweils durch Verlängerung der Totzeit verursacht sind, gewährleistet ist.Therefore, an extension of the dead time results in conflicting effects with regard to the increased power loss and the efficiency gain with regard to the required filter measures. Therefore, the control device can optionally be set up to select the dead time in such a way that a Pareto optimum is ensured between an increase in the power loss and the reduction of high-frequency interference signal components, which are each caused by an extension of the dead time.

Anders ausgedrückt werden die widerstrebenden Effekte quantifiziert. Dann gewährleistet das Pareto-Optimum die Topologie-abhängige Optimierung der Verlustleistung bemessen am Aufwand, der erforderlich ist, um eine bedarfsgerechte, oder wahlweise grenzwertunterschreitende, EMV im MHz-Regime zu erzielen.In other words, the opposing effects are quantified. The Pareto optimum then ensures the topology-dependent optimization of the power loss based on the effort required to achieve an EMC in the MHz regime that meets requirements or, alternatively, falls below the limit value.

Da beide Effekte von der Topologie des Inverters (Stromrichters) abhängen, beispielsweise der Kapazität des Zwischenkreiskondensators, ist die Totzeit abhängig von der Auslegung des Stromrichters. Dass eine Verlängerung der Totzeit eine Reduktion der hochfrequenten Störungen ermöglicht, wodurch der Aufwand zum Einhalten der EMV-Grenzwerte reduziert ist, ist in bisherigen Steuerungsmechanismen von Stromrichtern jedoch nicht berücksichtigt worden.Since both effects depend on the topology of the inverter (converter), for example the capacity of the intermediate circuit capacitor, the dead time depends on the design of the converter. However, the fact that an extension of the dead time enables a reduction in high-frequency interference, which reduces the effort required to comply with EMC limit values, has not been taken into account in previous control mechanisms of power converters.

Bevorzugt beträgt eine Taktperiode des Stromrichters zwischen 1 kHz und 50 kHz. Derartige Stromrichter sind zur Nutzung in Versorgungssystemen von elektrischen Maschinen für Fahrzeuge geeignet.A clock period of the power converter is preferably between 1 kHz and 50 kHz. Such power converters are suitable for use in supply systems for electrical machines for vehicles.

Optional beträgt die Totzeit zwischen zumindest 0,5 µs und höchstens 15 µs, bevorzugt zwischen 1 µs und höchstens 10 µs, weiter bevorzugt von mindestens 3 µs und höchstens 8 µs, weiter bevorzugt zumindest 5 µs. Während bisher eine Totzeit entsprechend einer Sicherheitsspanne von typischerweise 0,5 µs vorgesehen wurde, um partielle Brückenkurzschlüsse auszuschließen und gleichzeitig möglichst geringe Verlustleistungen zu verursachen, führt die Verlängerung der Totzeit entsprechend der angegebenen Grenzwerte zu vorteilhaft drastischen Einsparungen hinsichtlich des erforderlichen Aufwands, um die EMV-Grenzwerte im MHz-Bereich einhalten zu können. Die damit einhergehende Erhöhung der Verlustleistung ist daher im Rahmen der genannten Grenzwerte akzeptabel.Optionally, the dead time is between at least 0.5 µs and at most 15 µs, preferably between 1 µs and at most 10 µs, more preferably at least 3 µs and at most 8 µs, more preferably at least 5 µs. While previously a dead time corresponding to a safety margin of typically 0.5 µs was provided in order to exclude partial bridge short circuits and at the same time cause the lowest possible power losses, extending the dead time in accordance with the specified limit values advantageously leads to drastic savings in terms of the effort required to implement the EMC To be able to comply with limit values in the MHz range. The associated increase in power loss is therefore acceptable within the limits mentioned.

Bevorzugt umfassen die die Feldeffekttransistoren SiC, GaN oder GaAs. Feldeffekttransistoren basierend auf diesen Materialien sind gut geeignet für die Nutzung in derartigen Stromrichtern, die für elektrische Maschinen von Fahrzeugen vorgesehen sind.The field effect transistors preferably comprise SiC, GaN or GaAs. Field effect transistors based on these materials are well suited for use in power converters intended for electrical machines in vehicles.

Optional umfasst die Steuervorrichtung zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung.Optionally, the control device comprises at least one data processing device.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs bereitgestellt. Der Stromrichter weist zumindest eine B6-Brücke mit drei Halbbrücken, einen Zwischenkreiskondensator, und einen Gleichstrom-Eingang auf. Jede Halbbrücke weist ein Paar von komplementären Schaltvorrichtungen, insbesondere Feldeffekttransistoren, und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine mit einem Dreiphasenwechselstrom auf. Der Stromrichter ist mit einer Steuervorrichtung gekoppelt, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms die komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken mittels Schaltsignalen, insbesondere Gatesignalen, entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung und einer negativen Hochspannung derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden. Zwischen dem Umschalten der ersten der komplementären Schaltvorrichtungen und der zweiten der komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken wird durch die Steuervorrichtung eine Totzeit berücksichtigt. Die Steuervorrichtung wählt die Totzeit derart aus, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.According to a further aspect, a method for operating a power converter for an electric machine of a vehicle is also provided. The power converter has at least one B6 bridge with three half bridges, an intermediate circuit capacitor, and a direct current input. Each half bridge has a pair of complementary switching devices, in particular field effect transistors, and a center tap arranged between them for supplying the electrical machine with a three-phase alternating current. The power converter is coupled to a control device which is set up in such a way that for each current phase of the three-phase alternating current, the complementary switching devices of the respective half bridges are switched by means of switching signals, in particular gate signals, in accordance with an application of a positive high voltage and a negative high voltage in such a way that complementary commutation cells are provided become. A dead time is taken into account by the control device between the switching of the first of the complementary switching devices and the second of the complementary switching devices of the respective half bridges. The control device selects the dead time in such a way that a reduction in magnitude is ensured for high-frequency interference signal components.

Für das Verfahren werden die der Vorrichtung entsprechenden Vorteile erzielt. Insbesondere wird eine EMV-relevante Reduktion hochfrequenter Signalanteile im MHz-Bereich erzielt, die mit einer Erhöhung der Verlustleistung einhergeht, die bemessen an dem verringerten Aufwand zur Einhaltung von EMV-Grenzwerten akzeptabel ist. Der Gesamtherstellungsaufwand des Stromrichters, der erforderlich ist, um die EMV-Grenzwerte einzuhalten, ist reduziert, auch unter Berücksichtigung der erhöhten Verlustleistung, die mit einer Verlängerung der Totzeit einhergeht.The advantages corresponding to the device are achieved for the method. In particular, an EMC-relevant reduction of high-frequency signal components in the MHz range is achieved, which is accompanied by an increase in power loss, which is acceptable in terms of the reduced effort required to comply with EMC limit values. The overall manufacturing effort of the power converter, which is required to comply with the EMC limits, is reduced, even taking into account the increased power loss that is associated with an extension of the dead time.

Bevorzugt wird die Totzeit derart gewählt, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter einen vorgegebenen Grenzwert für die EMV einhält.The dead time is preferably chosen in such a way that the high-frequency interference signal components can be reduced so that the power converter adheres to a specified limit value for EMC.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Befehle aufweist, welche bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung der Steuervorrichtung, diese veranlasst, das Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen.According to a further aspect, a computer program product is also provided which has instructions which, when executed by a data processing device of the control device, cause it to carry out the method as described above.

Ferner wird gemäß einem weiteren Aspekt auch ein Speichermedium bereitgestellt, das das Computerprogrammprodukt wie zuvor beschrieben aufweist, so dass es bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung, diese veranlasst, das Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen.Furthermore, according to a further aspect, a storage medium is also provided which has the computer program product as described above, so that when executed by a data processing device, it causes it to carry out the method as described above.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Stromrichter wie zuvor beschrieben aufweist, oder einen Stromrichter, der nach dem beschriebenen Verfahren betrieben wird.According to a further aspect, a vehicle is also provided that has a power converter as described above, or a power converter that is operated according to the method described.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge mit einer elektrischen Maschine umfassen, nämlich unter anderem Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.For the purposes of the present invention, at least partially electrically powered vehicles can include, in particular, land vehicles with an electric machine, namely, among others, tricycles, trikes, quads, off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks, tractors and other commercial vehicles, rail vehicles (trains), which have at least one electric motor used to propel the vehicle. Vehicles can be manned or unmanned. In addition to pure electric vehicles (BEV), plug-in hybrids (PHEV) and fuel cell vehicles (FCEV) can also be included.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

  • - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromrichters und einer elektrischen Maschine,
  • - 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter, und
  • - 3 bis 5 mehrere schematische Darstellungen von beispielhaften Störemissionsspektren des Stromrichters bei verschiedenen Totzeiten.
The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described and explained in more detail below using the examples shown in the drawings. The features that can be found in the description and the drawings can be used individually or in groups in any combination according to the invention. Show it:
  • - 1 a schematic representation of a power converter according to the invention and an electrical machine,
  • - 2 a schematic representation of a vehicle with a power converter according to the invention, and
  • - 3 to 5 several schematic representations of exemplary interference emission spectra of the power converter at different dead times.

Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.All features disclosed below with respect to the embodiments and/or the accompanying figures may be combined alone or in any sub-combination with features of the aspects of the present disclosure, including features of preferred embodiments, provided that the resulting combination of features is meaningful to a person skilled in the art.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromrichters 10 und einer elektrischen Maschine 12. 1 shows a schematic representation of a power converter 10 according to the invention and an electrical machine 12.

Der Stromrichter 10 umfasst eine B6 Brücke 14 mit drei Halbbrücken 16. Die nachfolgende Funktionalität wird lediglich bezogen auf eine Halbbrücke 16 dargestellt, ist aber entsprechend auf alle Halbbrücken 16 der B6 Brücke 14 zu übertragen.The power converter 10 includes a B6 bridge 14 with three half-bridges 16. The following functionality is only shown in relation to one half-bridge 16, but is to be transferred accordingly to all half-bridges 16 of the B6 bridge 14.

Jede Halbbrücke 16 umfasst vorliegend eine ersten Feldeffekttransistor 18, der als Highside-Schalter wirkt, und einen zweiten Feldeffekttransistor 20, der als Lowside-Schalter wirkt. Zwischen dem ersten Feldeffekttransistor 18 und dem zweiten Feldeffekttransistor 20 umfasst jede Halbbrücke 16 einen Mittelabgriff 22 zur Bereitstellung eines Wechselstromsignals, hier L2, für die elektrische Maschine 12.In the present case, each half bridge 16 comprises a first field effect transistor 18, which acts as a high-side switch, and a second field effect transistor 20, which acts as a low-side switch. Between the first field effect transistor 18 and the second field effect transistor 20, each half bridge 16 includes a center tap 22 for providing an alternating current signal, here L2, for the electrical machine 12.

Durch die drei Halbbrücken 16 wird die elektrische Maschine 12 mit drei korrespondierenden Wechselstromsignalen beaufschlagt, L1, L2 und L3. Andere Topologien, beispielsweise eine sechsphasige elektrische Maschine sind aber ebenfalls möglich, die dann entsprechende Abwandlungen des Stromrichters 10 erfordern.Through the three half bridges 16, the electrical machine 12 is supplied with three corresponding alternating current signals, L1, L2 and L3. However, other topologies, for example a six-phase electrical machine, are also possible, which then require corresponding modifications of the power converter 10.

Die jeweiligen Halbbrücken 16 sind mit einer Busbarstruktur 24 des Stromrichters 10 gekoppelt. Der Stromrichter 10 ist mit einer Gleichstromquelle 26 gekoppelt. Die Gleichstromquelle 26 umfasst Anschlussklemmen 28, 30, zwischen denen eine Hochspannung HV bereitgestellt wird. Die Gleichstromquelle 26 umfasst ferner eine Mittelklemme 32, die mit dem Sternpunkt N der elektrischen Maschine 12 gekoppelt ist. Jeweils zwischen einer der Anschlussklemmen 28, 30 und der Mittelklemme 32 liegt eine positive oder negative Hochspannung HV+, HVan.The respective half bridges 16 are coupled to a busbar structure 24 of the power converter 10. The power converter 10 is coupled to a direct current source 26. The direct current source 26 includes connection terminals 28, 30, between which a high voltage HV is provided. The direct current source 26 further includes a center terminal 32 which is coupled to the star point N of the electrical machine 12. There is a positive or negative high voltage HV+, HVan between one of the connection terminals 28, 30 and the middle terminal 32.

Zusätzlich umfasst der Stromrichter 10 einen Zwischenkreiskondensator 34, der als Kopplungselement zwischen der Gleichstromquelle 26 und der elektrischen Maschine 12 dient, die mit einem Dreiphasenwechselstrom beaufschlagt ist.In addition, the power converter 10 includes an intermediate circuit capacitor 34, which serves as a coupling element between the direct current source 26 and the electrical machine 12, which is supplied with a three-phase alternating current.

In Abhängigkeit der Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 werden bei Beaufschlagung mit HV+ oder HV- entsprechende Kommutierungszellen im Stromrichter 10 ausgebildet.Depending on the switching positions of the field effect transistors 18, 20, corresponding commutation cells are formed in the power converter 10 when HV+ or HV- is applied.

Um einen Hochspannungskurzschluss zwischen den Anschlussklemmen 28, 30 zu verhindern, dürfen zu keinem Zeitpunkt beide Feldeffekttransistoren 18, 20 einer Halbbrücke 16 gleichzeitig leitend sein. In anderen Worten, es muss zumindest einer der Feldeffekttransistoren 18, 20 sperrend sein.In order to prevent a high-voltage short circuit between the connection terminals 28, 30, Both field effect transistors 18, 20 of a half bridge 16 must not be conductive at the same time. In other words, at least one of the field effect transistors 18, 20 must be blocking.

Um die Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 zu steuern, ist der Stromrichter 10 mit einer Steuervorrichtung 36 gekoppelt, die zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung 38 umfasst.In order to control the switching positions of the field effect transistors 18, 20, the power converter 10 is coupled to a control device 36, which includes at least one data processing device 38.

Die Steuervorrichtung 36 ist eingerichtet, um für die Feldeffekttransistoren 18, 20 entsprechende Gatesignale G1, G2 als Schaltsignale bereitzustellen, sodass basierend auf diesen Signalen die Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 beeinflusst werden. Die Steuervorrichtung 36 ist im Allgemeinen mit weiteren Komponenten des elektrischen Kreislaufs gekoppelt, beispielsweise der elektrischen Maschine 12 oder der Gleichstromquelle 26. Die Steuervorrichtung 36 kann dann entsprechende Gatesignale G1, G2 beispielsweise in Abhängigkeit der relativen Stellungen des Rotors der elektrischen Maschine 12 zum Stator der elektrischen Maschine 12 ausgeben, sodass als Folge die Wicklungen der elektrischen Maschine 12 bedarfsgerecht angesteuert werden.The control device 36 is set up to provide corresponding gate signals G1, G2 as switching signals for the field effect transistors 18, 20, so that the switching positions of the field effect transistors 18, 20 are influenced based on these signals. The control device 36 is generally coupled to further components of the electrical circuit, for example the electrical machine 12 or the direct current source 26. The control device 36 can then generate corresponding gate signals G1, G2, for example depending on the relative positions of the rotor of the electrical machine 12 to the stator of the electrical Machine 12 output, so that as a result the windings of the electrical machine 12 are controlled as needed.

Um Hochspannungskurzschlüsse und partielle Brückenkurzschlüsse auszuschließen, ist ein unterer Grenzwert für die Totzeit zu berücksichtigen, der nicht unterschritten werden darf. Typischerweise beträgt dieser Grenzwert 0,5 µs. sind beide Feldeffekttransistoren 18, 20 allerdings sperrend (während der Totzeit), so tritt keine Transition auf, sondern eine Rückwärtsleitfähigkeit. Dadurch wird eine Verlustleistung reduziert, die nach bisherigen Ansätzen dadurch minimiert wird, dass die Totzeit üblicherweise so kurz wie möglich gewählt wird.In order to exclude high-voltage short circuits and partial bridge short circuits, a lower limit value for the dead time must be taken into account, which must not be undershot. Typically this limit is 0.5 µs. However, if both field effect transistors 18, 20 are blocking (during the dead time), no transition occurs, but reverse conductivity. This reduces power loss, which according to previous approaches is minimized by making the dead time usually as short as possible.

Da der Zwischenkreiskondensator 34 eine hohe Kapazität aufweist, treten aufgrund seiner Ausdehnungen frequenzabhängige Störungen auf, die durch im Hochfrequenzbereich angeregte Eigenschwingungen der jeweiligen Kommentierungszellen des Stromrichters 10 verursacht sind. Diese Störungen könnten generell periphere elektrische oder elektronische Komponenten beeinflussen, wodurch ein Risiko von Beschädigungen oder einer verminderten Leistungsfähigkeit besteht. Daher sind EMV-Grenzwerte spezifiziert, beispielsweise gemäß dem WLTP-Standard), die durch den Stromrichter 10 einzuhalten sind.Since the intermediate circuit capacitor 34 has a high capacity, frequency-dependent interference occurs due to its dimensions, which are caused by natural oscillations of the respective commenting cells of the power converter 10 excited in the high-frequency range. These interferences could generally affect peripheral electrical or electronic components, creating a risk of damage or reduced performance. Therefore, EMC limit values are specified, for example according to the WLTP standard, which must be adhered to by the power converter 10.

Erfindungsgemäß wird die Totzeit angepasst, insbesondere über das übliche Maß hinaus verlängert, um die Störungen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, oberhalb von 1 MHz betragsmäßig zu reduzieren. Dies geht zwar mit einer erhöhten Verlustleistung einher, dadurch können aber aufwändige Filtermaßnahmen vermieden werden.According to the invention, the dead time is adjusted, in particular extended beyond the usual amount, in order to reduce the amount of interference, especially in the high frequency range, above 1 MHz. Although this is accompanied by increased power loss, it means that complex filter measures can be avoided.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 40 mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter 10. 2 shows a schematic representation of a vehicle 40 with a power converter 10 according to the invention.

Das Fahrzeug 40 weist mehrere Räder 42 auf, die jeweils mit einer elektrischen Maschine 12 gekoppelt sind. Mit den jeweiligen elektrischen Maschinen 12 ist der Stromrichter 10 gekoppelt, von dem vorliegend, der Einfachheit halber, nur einer dargestellt ist. Im Allgemeinen ist jeder elektrischen Maschine 12 ein Stromrichter 10 zugeordnet oder der Stromrichter 10 ist mehrphasig entsprechend der Anzahl der mit ihm gekoppelten Maschinen 12. Die Steuervorrichtung 36 ist mit dem Stromrichter 10 gekoppelt, um die elektrischen Maschinen 12 mit bedarfsgerechten Signalen beaufschlagen zu können.The vehicle 40 has a plurality of wheels 42, each of which is coupled to an electric machine 12. The power converter 10 is coupled to the respective electrical machines 12, of which only one is shown here, for the sake of simplicity. In general, each electrical machine 12 is assigned a power converter 10 or the power converter 10 is multi-phase according to the number of machines 12 coupled to it. The control device 36 is coupled to the power converter 10 in order to be able to supply the electrical machines 12 with signals as required.

3 bis 5 zeigen mehrere schematische Darstellungen von beispielhaften Störemissionsspektren 44 des Stromrichters 10 bei verschiedenen Totzeiten. 3 to 5 show several schematic representations of exemplary interference emission spectra 44 of the power converter 10 at different dead times.

Auf der Abszisse 46 ist die Frequenz f entsprechend einer logarithmischen Skala in Hz aufgetragen. Auf der Ordinate 48 ist die Störamplitude „Noise“ in dbpV aufgetragen.The frequency f is plotted on the abscissa 46 in Hz according to a logarithmic scale. The interference amplitude “noise” in dbpV is plotted on the ordinate 48.

Es ergibt sich der Verlauf 52 der Störemissionen 44, wie er beispielsweise mittels eines Frequenzanalysators per SVPWM erfasst wird, der statt der Gleichstromquelle 26 mit dem Stromrichter 10 gekoppelt wird.This results in the course 52 of the interference emissions 44, as detected, for example, by means of a frequency analyzer via SVPWM, which is coupled to the power converter 10 instead of the direct current source 26.

Die gestrichelte Linie gibt einen frequenzabhängigen EMV-Grenzwert 50 an. Die Unterschreitung des EMV-Grenzwerts 50 ist zulassungsrelevant für derartige Stromrichter 10.The dashed line indicates a frequency-dependent EMC limit value of 50. Falling below the EMC limit value 50 is relevant for approval for such power converters 10.

Gemäß dem Störemissionsspektrum 44 aus 3 beträgt die Totzeit 1 µs. Zu erkennen ist, dass der Verlauf 52 den EMV-Grenzwert 50 insbesondere im Hochfrequenzbereich 54 oberhalb von 1 MHz überschreitet. Das bedeutet, dass in diesem Fall zusätzliche Filtervorrichtungen notwendig sind, damit der EMV-Grenzwert 50 eingehalten werden kann. Derartige Filtervorrichtungen erhöhen aber die Komponentenanzahl, erfordern ein komplexes Kühlkonzept, verursachen selbst zusätzliche Verlustleistungen und erhöhen somit den Gesamtherstellungsaufwand für den Stromrichter 10.According to the interference emission spectrum 44 3 the dead time is 1 µs. It can be seen that the course 52 exceeds the EMC limit 50, particularly in the high frequency range 54 above 1 MHz. This means that in this case additional filter devices are necessary so that the EMC limit value 50 can be maintained. However, such filter devices increase the number of components, require a complex cooling concept, themselves cause additional power losses and thus increase the overall manufacturing effort for the power converter 10.

Das Störemissionsspektrum 44 aus 4 zeigt einen Verlauf 52 für eine Totzeit von 2 µs. Man erkennt, dass die Störemissionen insbesondere im Hochfrequenzbereich 54 betragsmäßig reduziert sind. Das bedeutet, das durch die Verlängerung der Totzeit einerseits zwar erhöhte Verlustleistungen auftreten, dass andererseits der Aufwand zur Erreichung des EMV-Grenzwerts 50 deutlich reduziert wird.The interference emission spectrum 44 4 shows a curve 52 for a dead time of 2 µs. It can be seen that the amount of interference emissions is reduced, particularly in the high-frequency range 54. This means that by extending the Dead time, on the one hand, increased power losses occur, but on the other hand, the effort required to achieve the EMC limit value 50 is significantly reduced.

Das Störemissionsspektrum 44 aus 5 zeigt einen Verlauf 52 für eine Totzeit von 4 µs. Hier ist die Verlängerung der Totzeit bereits ausreichend, damit die Störemissionen im Hochfrequenzbereich 54 betragsmäßig derart reduziert werden, dass der EMV-Grenzwert 50 unterschritten wird. So kann die Totzeit sogar derart angepasst werden, dass überhaupt keine zusätzlichen Filtervorrichtungen mehr notwendig sind, um den EMV-Grenzwert 50 einzuhalten. Auch wenn damit eine Erhöhung der Verlustleistung durch die verlängerte Totzeit einhergeht, so ermöglicht die Reduzierung der erforderlichen Maßnahmen, um den EMV-Grenzwert 50 einzuhalten, einen verringerten Gesamtaufwand des Stromrichters 10.The interference emission spectrum 44 5 shows a curve 52 for a dead time of 4 µs. Here, the extension of the dead time is already sufficient so that the amount of interference emissions in the high-frequency range 54 is reduced to such an extent that the EMC limit value 50 is undershot. The dead time can even be adjusted in such a way that no additional filter devices are necessary to comply with the EMC limit value 50. Even if this is accompanied by an increase in power loss due to the extended dead time, the reduction in the measures required to comply with the EMC limit value 50 enables a reduced overall effort for the power converter 10.

Die Verlängerung der Totzeit bewirkt, dass der jeweilige komplementäre Feldeffekttransistor, beispielsweise Feldeffekttransistor 20 nach dem Sperren des Feldeffekttransistors 18, beabsichtigt länger im dritten Quadranten betrieben wird. So wird die Resistivität des Leitkanals als Hochfrequenz-Dämpfer der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen des Stromrichters 10 in der Hochfrequenzdomäne nutzbar gemacht.The extension of the dead time causes the respective complementary field effect transistor, for example field effect transistor 20, to be operated in the third quadrant for longer after blocking the field effect transistor 18. The resistivity of the guide channel is thus made usable as a high-frequency damper of the natural oscillations of the commutation cells of the power converter 10 in the high-frequency domain.

Durch den Betrieb des Feldeffekttransistors 20 im dritten Quadraten wird eine Dämpfungswirkung bezüglich der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen gewährleistet. Als Folge treten HF-Störungen lediglich mit betragsmäßig reduzierter Amplitude auf, was beispielhaft in der Sequenz der Störemissionsspektren 44 anhand der 3 bis 5 gezeigt ist.Operating the field effect transistor 20 in third square mode ensures a damping effect with regard to the natural oscillations of the commutation cells. As a result, RF interference only occurs with a reduced amplitude, which is exemplified in the sequence of interference emission spectra 44 based on 3 to 5 is shown.

Die Totzeit ist im Allgemeinen abhängig von der Topologie des Stromrichters 10, beispielsweise der Kapazität des Zwischenkreiskondensator 34 und seiner Impedanz im Hochfrequenzbereich. Insofern sind die gegensätzlichen Effekte der Erhöhung der Verlustleistung bei gleichzeitiger Verringerung des Aufwands zur Einhaltung des EMV-Grenzwerts 50 durch eine Verlängerung der Totzeit zu quantifizieren und gegeneinander abzuwägen. Es ergibt sich daher die Möglichkeit, die Totzeit derart zu wählen, dass ein Pareto-Optimum zwischen diesen gegensätzlichen Effekten erreicht wird, also die möglichst geringe Erhöhung der Verlustleistung bei einer gleichzeitig möglichst hohen Aufwandsreduktion zur Einhaltung des EMV-Grenzwerts 50.The dead time generally depends on the topology of the power converter 10, for example the capacity of the intermediate circuit capacitor 34 and its impedance in the high-frequency range. In this respect, the opposing effects of increasing the power loss while simultaneously reducing the effort required to comply with the EMC limit value 50 by extending the dead time must be quantified and weighed against each other. There is therefore the possibility of choosing the dead time in such a way that a Pareto optimum between these opposing effects is achieved, i.e. the lowest possible increase in power loss while at the same time reducing the effort as much as possible in order to comply with the EMC limit value of 50.

Die Totzeit kann insbesondere zwischen 1 µs und 15 µs betragen, vorzugsweise zwischen 3 µs und 10 µs betragen, um das Pareto-Optimum zu erreichen.The dead time can in particular be between 1 µs and 15 µs, preferably between 3 µs and 10 µs, in order to achieve the Pareto optimum.

In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff „Mehrzahl“ verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff „Mehrzahl“ jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.In this application, reference may be made to quantities and numbers. Unless expressly stated, such quantities and numbers are not to be considered limiting, but rather as examples of the possible quantities or numbers in the context of this application. In this context, the term "plurality" may also be used in this application to refer to a quantity or number. In this context, the term "plurality" means any number greater than one, e.g., two, three, four, five, etc. The terms "about," "approximately," "near," etc. mean plus or minus 5% of the stated value.

Claims (8)

Stromrichter (10) für eine elektrische Maschine (12) eines Fahrzeugs (40), wobei der Stromrichter (10) zumindest eine B6-Brücke (14) mit drei Halbbrücken (16), einen Zwischenkreiskondensator (34), und einen Gleichstrom-Eingang (28, 30) aufweist, wobei jede Halbbrücke (16) ein Paar von komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff (22) zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine (12) mit einem Dreiphasenwechselstrom (L1, L2. L3) aufweist, wobei der Stromrichter (10) mit einer Steuervorrichtung (36) gekoppelt ist, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms (L1, L2. L3) die komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) mittels Gatesignalen (G1, G2) entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung (HV+) und einer negativen Hochspannung (HV-) derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden, wobei zwischen dem Umschalten des ersten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und dem zweiten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) durch die Steuervorrichtung (36) eine Totzeit berücksichtigt wird, und wobei die Totzeit derart ausgewählt wird, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.Power converter (10) for an electric machine (12) of a vehicle (40), the power converter (10) having at least one B6 bridge (14) with three half bridges (16), an intermediate circuit capacitor (34), and a direct current input ( 28, 30), each half bridge (16) having a pair of complementary field effect transistors (18, 20) and a center tap (22) arranged between them for applying a three-phase alternating current (L1, L2, L3) to the electrical machine (12). , wherein the power converter (10) is coupled to a control device (36), which is set up in such a way that for each current phase of the three-phase alternating current (L1, L2, L3), the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges (16) are activated by means of gate signals (G1, G2) are switched in accordance with an application of a positive high voltage (HV+) and a negative high voltage (HV-) in such a way that complementary commutation cells are provided, with switching between the first of the complementary field effect transistors (18, 20) and the second of the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges (16) a dead time is taken into account by the control device (36), and the dead time is selected such that an amount reduction is ensured for high-frequency interference signal components. Stromrichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (36) eingerichtet ist, die Totzeit derart zu wählen, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter (10) einen vorgegebenen Grenzwert (50) für die elektromagnetische Verträglichkeit einhält.Power converter (10). Claim 1 , characterized in that the control device (36) is set up to select the dead time in such a way that the high-frequency interference signal components are reduced to such an extent that the power converter (10) maintains a predetermined limit value (50) for electromagnetic compatibility. Stromrichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (36) eingerichtet ist, die Totzeit derart zu wählen, dass ein Pareto-Optimum zwischen einer Erhöhung der Verlustleistung und der Reduzierung von hochfrequenten Störsignalanteilen, die jeweils durch Verlängerung der Totzeit verursacht sind, gewährleistet ist.Power converter (10). Claim 1 or 2 , characterized in that the control device (36) is set up to select the dead time in such a way that a Pareto optimum between an increase in power loss and a reduction in high-frequency interference signal components, which are caused by an extension of the dead time, is guaranteed. Stromrichter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktperiode des Stromrichters zwischen 1 KHz und 50 KHz beträgt.Power converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a clock period of the power converter is between 1 KHz and 50 KHz. Stromrichter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit zwischen zumindest 0,5 µs und höchstens 15 µs beträgt, bevorzugt von 1 µs und höchstens 10 µs, weiter bevorzugt von mindestens 3 µs und höchstens 8 µs.Power converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the dead time is between at least 0.5 µs and at most 15 µs, preferably from 1 µs and at most 10 µs, more preferably from at least 3 µs and at most 8 µs. Stromrichter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren (18, 20) SiC, GaN oder GaAs umfassen.Power converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the field effect transistors (18, 20) comprise SiC, GaN or GaAs. Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters (10) für eine elektrische Maschine (12) eines Fahrzeugs (40), wobei der Stromrichter (10) zumindest eine B6-Brücke (14) mit drei Halbbrücken (16), einen Zwischenkreiskondensator (34), und einen Gleichstrom-Eingang (28, 30) aufweist, wobei jede Halbbrücke (16) ein Paar von komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff (22) zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine (12) mit einem Dreiphasenwechselstrom (L1, L2. L3) aufweist, wobei der Stromrichter (10) mit einer Steuervorrichtung (36) gekoppelt ist, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms (L1, L2. L3) die komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) mittels Gatesignalen (G1, G2) entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung (HV+) und einer negativen Hochspannung (HV-) derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden, wobei zwischen dem Umschalten des ersten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) und dem zweiten der komplementären Feldeffekttransistoren (18, 20) der jeweiligen Halbbrücken (16) durch die Steuervorrichtung (36) eine Totzeit berücksichtigt wird, und wobei die Steuervorrichtung (36) die Totzeit derart auswählt, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.Method for operating a power converter (10) for an electrical machine (12) of a vehicle (40), wherein the power converter (10) has at least one B6 bridge (14) with three half bridges (16), an intermediate circuit capacitor (34), and a DC input (28, 30), each half bridge (16) having a pair of complementary field effect transistors (18, 20) and a center tap (22) arranged between them for supplying the electrical machine (12) with a three-phase alternating current (L1, L2 . L3), the power converter (10) being coupled to a control device (36) which is set up in such a way that for each current phase of the three-phase alternating current (L1, L2, L3), the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges ( 16) are switched by means of gate signals (G1, G2) corresponding to an application of a positive high voltage (HV+) and a negative high voltage (HV-) in such a way that complementary commutation cells are provided, with switching between the first of the complementary field effect transistors (18, 20 ) and the second of the complementary field effect transistors (18, 20) of the respective half bridges (16), a dead time is taken into account by the control device (36), and the control device (36) selects the dead time in such a way that an amount reduction is ensured for high-frequency interference signal components . Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit derart gewählt wird, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter (10) einen vorgegebenen Grenzwert für die elektromagnetische Verträglichkeit einhält.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the dead time is selected such that the high-frequency interference signal components are reduced to such an extent that the power converter (10) maintains a predetermined limit value for electromagnetic compatibility.
DE102022124373.7A 2022-09-22 2022-09-22 Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter Pending DE102022124373A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022124373.7A DE102022124373A1 (en) 2022-09-22 2022-09-22 Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022124373.7A DE102022124373A1 (en) 2022-09-22 2022-09-22 Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022124373A1 true DE102022124373A1 (en) 2024-03-28

Family

ID=90140251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022124373.7A Pending DE102022124373A1 (en) 2022-09-22 2022-09-22 Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022124373A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008026500A1 (en) 2007-12-30 2009-07-09 Trimos Gmbh Commutation speed regulating method for use between MOSFET and diode, involves storing one of time intervals as parameter on lines so that commutation duration is held in relationship during changing of conditions of switch arrangement
US20170019015A1 (en) 2015-07-14 2017-01-19 Allegro Microsystems, Llc Switching regulator with controllable dead time and quick start
DE102015115338A1 (en) 2015-09-11 2017-03-30 Robert Bosch Automotive Steering Gmbh METHOD FOR DETERMINING THE DEAD TIME OF A ENGINE END STAGE

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008026500A1 (en) 2007-12-30 2009-07-09 Trimos Gmbh Commutation speed regulating method for use between MOSFET and diode, involves storing one of time intervals as parameter on lines so that commutation duration is held in relationship during changing of conditions of switch arrangement
US20170019015A1 (en) 2015-07-14 2017-01-19 Allegro Microsystems, Llc Switching regulator with controllable dead time and quick start
DE102015115338A1 (en) 2015-09-11 2017-03-30 Robert Bosch Automotive Steering Gmbh METHOD FOR DETERMINING THE DEAD TIME OF A ENGINE END STAGE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008034542B4 (en) Electric motor system
DE102008046301B4 (en) Method and system for converting DC power to AC power
DE102013217729B4 (en) System for fault protection and hybrid electric vehicle
EP2822802B1 (en) Device for an electrically driven rail vehicle
DE102017106924A1 (en) An electrical power system for an aircraft having a common AC network and a DC bipolar network
DE102017010390A1 (en) energy converters
EP3391520A1 (en) Voltage converter, electric drive system and method for reducing interference voltages
WO2020114653A1 (en) Circuit device for reducing common-mode interference of a power converter
EP2271513A1 (en) Multi-system vehicle transformer
DE112020005719T5 (en) NOISE FILTER, NOISE FILTER DEVICE AND ENERGY CONVERSION DEVICE
DE102022124373A1 (en) Power converter for an electrical machine of a vehicle and method for operating a power converter
WO2017016692A1 (en) Apparatus for avoiding harmful bearing currents
DE102015226161A1 (en) Electric drive system and method for operating an electric drive system
DE102017001470A1 (en) Electrical system for an electrically driven vehicle
DE102014210627A1 (en) Electric drive system and method for operating an electric drive system
DE102019118190A1 (en) PROCEDURE FOR THE SPECIFIED POLARIZATION OF A CONDENSER AND CAPACITOR WITH A SPECIFIED INSULATED POLARIZATION
EP3726724B1 (en) Device for creating electrical energy and method
DE102021130017A1 (en) Connecting device for an intermediate circuit of a high-voltage vehicle electrical system, intermediate circuit and high-voltage vehicle electrical system
DE102015226166A1 (en) Electric drive system and method for operating an electric drive system
DE112016005027T5 (en) Method and device for controlling a rotary electric machine of a motor vehicle and associated machine
WO2023110201A1 (en) Device for electrically filtering an input dc voltage of an inverter
DE3410684A1 (en) Electronically controlled inductive voltage converter
DE102022101913A1 (en) Circuit arrangement of a DC converter for supplying a low-voltage DC network from a high-voltage DC voltage, the relevant supply method and an electric vehicle
DE202023107076U1 (en) Variable frequency drive system with medium voltage input and low voltage output
DE112015004462B4 (en) STARTER / THREE-PHASE GENERATOR WITH NINE-PHASE INDUCTION MOTOR

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified