DE102022212718A1

DE102022212718A1 - Electric power converter, method for operating an electric power converter and electric drive and charging system

Info

Publication number: DE102022212718A1
Application number: DE102022212718.8A
Authority: DE
Inventors: Jihane Ramzi; Seifeldin Tarek Mohamed Shaaban
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerung von Halbleiterschaltelementen in einem elektrischen Stromrichter zur Verlangsamung eines Stromanstiegs bei einem durchlegierten Halbleiterschaltelement. Hierzu wird vorgeschlagen, Halbleiterschaltelemente in Halbbrücken mit keinen fehlerhaften Halbleiterschaltelementen derart anzusteuern, dass ein resultierender Stromanstieg durch ein Schaltelement für eine Abschaltung zumindest verlangsamt werden kann. Dies ermöglicht es, eine elektrische Energieversorgung mittels eines mechanischen Schaltelements wie einem Relais oder Schütz zuverlässig zu unterbrechen, bevor ein elektrischer Strom durch dieses Schaltelement einen maximalen Schaltstrom überschreitet.

The invention relates to a control of semiconductor switching elements in an electrical power converter for slowing down a current increase in the case of a defective semiconductor switching element. For this purpose, it is proposed to control semiconductor switching elements in half bridges with no defective semiconductor switching elements in such a way that a resulting current increase can at least be slowed down by a switching element for shutdown. This makes it possible to reliably interrupt an electrical energy supply by means of a mechanical switching element such as a relay or contactor before an electrical current through this switching element exceeds a maximum switching current.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Stromrichter sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stromrichters. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem mit einem solchen elektrischen Stromrichter.The present invention relates to an electrical power converter and a method for operating an electrical power converter. The present invention further relates to an electrical drive and charging system with such an electrical power converter.

Stand der TechnikState of the art

Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über ein elektrisches Antriebssystem, bei welchem elektrische Energie von einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie, mittels eines Stromrichters an einer elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Der hierfür genutzte elektrische Energiespeicher kann mittels einer externen Energiequelle aufgeladen werden. Hierzu ist in der Regel eine separate Ladeschaltung erforderlich.Vehicles that are fully or at least partially electrically powered usually have an electric drive system in which electrical energy is provided by an energy storage device, such as a traction battery, to an electric machine using a power converter. The electrical energy storage device used for this can be charged using an external energy source. This usually requires a separate charging circuit.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, Komponenten des elektrischen Antriebssystems für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers zu nutzen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2018 207 188 A1 beschrieben.In addition, it is also possible to use components of the electric drive system to charge the electrical energy storage device. Such an arrangement is described, for example, in the publication EN 10 2018 207 188 A1 described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft einen elektrischen Stromrichter, ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stromrichters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides an electrical power converter, an electrical drive and charging system and a method for operating an electrical power converter with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is envisaged:

Ein elektrischer Stromrichter mit einem Gleichspannungsanschluss, einem Motoranschluss, mehreren Halbbrücken und einer Steuereinrichtung. Der Gleichspannungsanschluss umfasst einen positiven Anschlusspunkt und einen negativen Anschlusspunkt. Insbesondere ist der Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt, mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt zu werden. Der Motoranschluss ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Die mehreren Halbbrücken umfassen jeweils eine Serienschaltung aus einem oberen Halbleiterschaltelement und einem unteren Halbleiterschaltelement. Ein Verbindungspunkt zwischen dem oberen und dem unteren Halbleiterschaltelement ist dabei jeweils mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt des Motoranschlusses verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom durch die oberen und unteren Halbleiterschaltelemente in den Halbbrücken zu überwachen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion in einem der Halbleiterschaltelemente unter Verwendung der überwachten Ströme zu detektieren. Die Steuereinrichtung ist darüber hinaus dazu ausgelegt, für den Fall, dass eine Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement einer der Halbbrücken detektiert worden ist, das obere Halbleiterschaltelement in der entsprechenden Halbbrücke mit der Fehlfunktion zu öffnen und mindestens ein oberes Halbleiterschaltelement in einer Halbbrücke zu schließen, in welcher keine Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements detektiert worden ist. Die Steuereinrichtung ist ferner dazu ausgelegt, für den Fall, dass eine Fehlfunktion in dem oberen Halbleiterschaltelement einer der Halbbrücken detektiert worden ist, das untere Halbleiterschaltelement in der entsprechenden Halbbrücke mit der Fehlfunktion zu öffnen und mindestens ein unteres Halbleiterschaltelement in einer Halbbrücke zu schließen, in welcher keine Fehlfunktion detektiert worden ist.An electrical power converter with a DC voltage connection, a motor connection, several half-bridges and a control device. The DC voltage connection comprises a positive connection point and a negative connection point. In particular, the DC voltage connection is designed to be coupled to an electrical energy storage device. The motor connection is designed to be coupled to an electrical machine. The several half-bridges each comprise a series connection of an upper semiconductor switching element and a lower semiconductor switching element. A connection point between the upper and the lower semiconductor switching element is each connected to a corresponding connection point of the motor connection. The control device is designed to monitor an electrical current through the upper and lower semiconductor switching elements in the half-bridges. Furthermore, the control device is designed to detect a malfunction in one of the semiconductor switching elements using the monitored currents. The control device is further designed, in the event that a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element of one of the half-bridges, to open the upper semiconductor switching element in the corresponding half-bridge with the malfunction and to close at least one upper semiconductor switching element in a half-bridge in which no malfunction of a semiconductor switching element has been detected. The control device is further designed, in the event that a malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element of one of the half-bridges, to open the lower semiconductor switching element in the corresponding half-bridge with the malfunction and to close at least one lower semiconductor switching element in a half-bridge in which no malfunction has been detected.

Ferner ist vorgesehen:It is also planned:

Ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen elektrischen Stromrichter. Hierbei sind die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine mit korrespondierenden Anschlusspunkten des Motoranschlusses des elektrischen Stromrichters verbunden. Ferner ist ein Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine mit einem Anschluss eines Schaltelementes in dem elektrischen Stromrichter verbunden, wobei das Schaltelement zwischen dem Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine und einem Anschlusspunkt eines Ladeanschlusses zum Verbinden mit einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug verbunden ist. Der Motoranschlusspunkt ist bevorzugt der Sternpunkt der elektrischen Maschine. Weiter bevorzugt ist der Motoranschlusspunkt ein Phasenanschlusspunkt an einer der Phasen der elektrischen Maschine. Weiter bevorzugt entspricht ein derartiger Phasenanschlusspunkt des Stromrichters einem der Anschlusspunkte des Motoranschluss.An electric drive and charging system with an electric machine and an electric power converter according to the invention. The phase connections of the electric machine are connected to corresponding connection points of the motor connection of the electric power converter. Furthermore, a motor connection point of the electric machine is connected to a connection of a switching element in the electric power converter, wherein the switching element is connected between the motor connection point of the electric machine and a connection point of a charging connection for connection to a charging station for an electric vehicle. The motor connection point is preferably the star point of the electric machine. More preferably, the motor connection point is a phase connection point on one of the phases of the electric machine. More preferably, such a phase connection point of the power converter corresponds to one of the connection points of the motor connection.

Schließlich ist vorgesehen:Finally, it is planned:

Ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stromrichters mit mehreren Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke jeweils eine Serienschaltung aus einem oberen Halbleiterschaltelement und einem unteren Halbleiterschaltelement umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Detektieren einer Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements in dem elektrischen Stromrichter. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Öffnen des oberen Halbleiterschaltelementes der Halbbrücke mit der Fehlfunktion sowie des Schließens mindestens eines oberen Halbleiterschaltelements in einer weiteren Halbbrücke, in welcher keine Fehlfunktion detektiert worden ist, falls eine Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement einer der Halbbrücken detektiert worden ist. Alternativ kann das Verfahren die Schritte des Öffnens des unteren Halbleiterschaltelement in der Halbbrücke mit der Fehlfunktion sowie des Schließens mindestens eines unteren Halbleiterschaltelements in einer weiteren Halbbrücke, in welcher keine Fehlfunktion detektiert worden ist, falls eine Fehlfunktion in dem oberen Halbleiterschaltelement einer der Halbbrücken detektiert worden ist, ausführen.A method for operating an electrical power converter with a plurality of half-bridges, each half-bridge comprising a series circuit of an upper semiconductor switching element and a lower semiconductor switching element. The method comprises a step for detecting a malfunction of a semiconductor switching element in the electrical power converter. The method further comprises a step for opening the upper semiconductor switching element of the half-bridge. cke with the malfunction and closing at least one upper semiconductor switching element in a further half-bridge in which no malfunction has been detected if a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element of one of the half-bridges. Alternatively, the method can carry out the steps of opening the lower semiconductor switching element in the half-bridge with the malfunction and closing at least one lower semiconductor switching element in a further half-bridge in which no malfunction has been detected if a malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element of one of the half-bridges.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass elektrische Stromrichter in der Regel mehrere Halbleiterschaltelemente umfassen. In seltenen Fällen kann es bei den Halbleiterschaltelementen zu einer Fehlfunktion kommen, bei welcher das Halbleiterschaltelement nicht mehr zuverlässig eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusspunkten unterbrechen kann. Beispielsweise kann es sich hierbei um das Durchlegieren des Halbleiterschaltelementes handeln. Bei einer solchen Fehlfunktion ist es möglich, dass ein elektrischer Strom durch das fehlerhafte Halbleiterschaltelement sowie durch weitere Komponenten in dem elektrischen Stromrichter sehr rasch ansteigt. Aufgrund des raschen Anstiegs des elektrischen Stroms kann bei einem Fehlerfall eine hierbei erforderliche Notabschaltung mittels eines mechanischen Schaltelements nicht schnell genug ausgeführt werden, bevor der elektrische Strom durch ein mechanisches Schaltelement einen maximal zulässigen Schaltstrom überschreitet.The present invention is based on the knowledge that electrical power converters generally comprise a plurality of semiconductor switching elements. In rare cases, the semiconductor switching elements may malfunction, in which case the semiconductor switching element can no longer reliably interrupt an electrical connection between the two connection points. For example, this may involve the semiconductor switching element breaking down. In the event of such a malfunction, it is possible for an electrical current to rise very rapidly through the faulty semiconductor switching element and through other components in the electrical power converter. Due to the rapid increase in the electrical current, in the event of a fault, the emergency shutdown required by means of a mechanical switching element cannot be carried out quickly enough before the electrical current through a mechanical switching element exceeds a maximum permissible switching current.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Konzept zu schaffen, bei welchem für den Fehlerfall, bei welchem ein Halbleiterschaltelement in dem elektrischen Stromrichter eine Verbindung nicht mehr zuverlässig unterbrechen kann, der Anstieg des elektrischen Stroms durch ein Schaltelement, insbesondere ein mechanisches Schaltelement, zur Abschaltung so verlangsamt werden kann, dass das (mechanische) Schaltelement im Fehlerfall zuverlässig schalten kann. Hierzu ist es vorgesehen, in dem Stromrichter einen Schaltzustand einzustellen, bei welchem der elektrische Strom durch das fehlerhafte Halbleiterschaltelement und weitere aktiv geschlossene Halbleiterschaltelemente sich zumindest teilweise derartig kompensieren, dass in der Summe ein elektrischer Strom resultiert, welcher von einem Schaltelement für eine Abschaltung des Systems, insbesondere von einem mechanischen Schaltelement, noch zuverlässig geschaltet werden kann. Durch das erfindungsgemäße Kompensieren bzw. Verzögern des Stromanstiegs bei einem fehlerhaften Halbleiterschaltelement in dem Stromrichter ist somit möglich, die Energieversorgung zuverlässig zu unterbrechen, selbst wenn das mechanische Schaltelement aufgrund seiner Trägheit ein eventuell im Vergleich zu elektronischen Schaltelementen verzögertes Schaltverhalten aufweist.It is therefore an idea of the present invention to take this finding into account and to create a concept in which, in the event of a fault in which a semiconductor switching element in the electrical power converter can no longer reliably interrupt a connection, the increase in the electrical current through a switching element, in particular a mechanical switching element, can be slowed down to switch off so that the (mechanical) switching element can switch reliably in the event of a fault. For this purpose, a switching state is set in the power converter in which the electrical current through the faulty semiconductor switching element and other actively closed semiconductor switching elements at least partially compensate each other in such a way that the total results in an electrical current which can still be reliably switched by a switching element for switching off the system, in particular by a mechanical switching element. By compensating or delaying the current increase in the event of a faulty semiconductor switching element in the power converter according to the invention, it is thus possible to reliably interrupt the energy supply, even if the mechanical switching element has a delayed switching behavior compared to electronic switching elements due to its inertia.

Das genannte Konzept ermöglicht somit ein sicheres Herunterfahren eines elektrischen Stromrichters bei einer Fehlfunktion wie einem Durchlegieren eines Halbleiterschaltelements. Der Stromrichter kann somit gezielt und kontrolliert heruntergefahren werden. Da der Anstieg des elektrischen Stroms durch ein mechanisches Schaltelement zur Abschaltung soweit hinausgezögert werden kann, dass das mechanische Schaltelement noch zuverlässig schalten kann, kann die Abschaltung kontrolliert erfolgen, ohne dass ein zusätzliches Schutzelement wie eine Schmelzsicherung oder Ähnliches anspricht. Somit entfällt ein möglicherweise teurer und aufwändiger Austausch einer solchen Schmelzsicherung. Gegebenenfalls kann je nach Konzeption sogar auf derartige Schmelzsicherungen vollständig verzichtet werden. Dies führt zu einem vereinfachten Aufbau und somit auch zu geringeren Kosten für die Herstellung, Wartung und Instandhaltung.The concept mentioned above thus enables a safe shutdown of an electrical power converter in the event of a malfunction such as a semiconductor switching element breaking down. The power converter can thus be shut down in a targeted and controlled manner. Since the increase in electrical current can be delayed by a mechanical switching element for shutdown until the mechanical switching element can still switch reliably, shutdown can take place in a controlled manner without an additional protective element such as a fuse or similar being triggered. This eliminates the need for a potentially expensive and time-consuming replacement of such a fuse. Depending on the design, such fuses may even be dispensed with entirely. This leads to a simplified structure and therefore also to lower costs for production, maintenance and servicing.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, für den Fall einer Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke in allen Halbbrücken, in denen keine Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, jeweils das obere Halbleiterschaltelement zu schließen. Alternativ kann die Steuereinrichtung für den Fall dass eine Fehlfunktion in dem oberen Halbleiterschaltelement der Halbbrücke detektiert worden ist, in allen Halbbrücken, in denen keine Fehlfunktion in dem oberen Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, jeweils das untere Halbleiterschaltelement schließen. Durch die Verwendung aller verfügbaren Halbleiterschaltelemente in den mehreren Halbbrücken sinkt die Einzelbelastung eines Halbleiterschaltelements, und es kann eine besonders gute und zuverlässige Kompensation bzw. Verzögerung des sich aufgrund der Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements einstellenden Stromanstiegs erzielt werden.According to one embodiment, the control device is designed to close the upper semiconductor switching element in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element in the event of a malfunction in the lower semiconductor switching element of a half-bridge. Alternatively, the control device can close the lower semiconductor switching element in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element in the event of a malfunction in the upper semiconductor switching element of the half-bridge. By using all available semiconductor switching elements in the multiple half-bridges, the individual load on a semiconductor switching element is reduced, and particularly good and reliable compensation or delay of the current increase that occurs due to the malfunction of a semiconductor switching element can be achieved.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, für den Fall einer Fehlfunktion eines unteren Halbleiterschaltelement in den Halbbrücken, in denen keine Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, jeweils das untere Halbleiterschaltelement zu öffnen. Alternativ kann die Steuereinrichtung für den Fall, dass eine Fehlfunktion in einem oberen Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke detektiert worden ist, in den Halbbrücken, in denen keine Fehlfunktion in dem oberen Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, jeweils das oberen Halbleiterschaltelement öffnen. Somit ist in jeder Halbbrücke des Stromrichters jeweils ein Halbleiterschaltelement geöffnet und ein komplementäres Halbleiterschaltelement geschlossen. In dieser Schaltungskonfiguration treten keine Kurzschlüsse in dem elektrischen Stromrichter auf.According to one embodiment, the control device is designed to open the lower semiconductor switching element in the event of a malfunction of a lower semiconductor switching element in the half-bridges in which no malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element. Alternatively, the control device can open the lower semiconductor switching element in the event that a malfunction has been detected in an upper semiconductor switching element of a half-bridge in the half-bridges in which no malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element. has been opened, the upper semiconductor switching element is opened. Thus, in each half-bridge of the power converter, one semiconductor switching element is opened and a complementary semiconductor switching element is closed. In this circuit configuration, no short circuits occur in the electrical power converter.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Detektieren einer Fehlfunktion das Detektieren eines Zustandes eines Halbleiterschaltelements, bei welchem das Halbleiterschaltelement einen dauerhaften zumindest teilweise leitfähigen Zustand aufweist. Mit anderen Worten, ein fehlerhaftes Halbleiterschaltelement kann einen elektrischen Strom selbst dann nicht mehr unterbrechen, wenn es entsprechend aktiv oder passiv angesteuert wird. Ein solcher fehlerhafter Zustand kann beispielsweise ein durchlegiertes Halbleiterschaltelement sein.According to one embodiment, detecting a malfunction includes detecting a state of a semiconductor switching element in which the semiconductor switching element has a permanent, at least partially conductive state. In other words, a faulty semiconductor switching element can no longer interrupt an electrical current even if it is actively or passively controlled accordingly. Such a faulty state can be, for example, a semiconductor switching element that has failed.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der elektrische Stromrichter einen Ladeanschluss und ein weiteres, vorzugsweise mechanisches Schaltelement. Der Ladeanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsladestation für ein Elektrofahrzeug gekoppelt zu werden. Das Schaltelement umfasst einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des Schaltelements ist dazu ausgelegt, mit einem Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Ein erster Anschlusspunkt des Ladeanschlusses ist mit dem negativen Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Ein zweiter Anschlusspunkt des Ladeausschlusses mit einem zweiten Anschluss des weiteren Schaltelements verbunden. Ein solcher elektrischer Stromrichter kann insbesondere als sogenannter Inverter-Konverter eingesetzt werden. Derartige elektrische Stromrichter können einerseits eine elektrische Gleichspannung von dem Gleichspannungsanschluss in eine Wechselspannung konvertieren, um hierdurch eine elektrische Maschine anzusteuern. Darüber hinaus kann eine an dem Ladeanschluss bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden und am Gleichspannungsanschluss bereitgestellt werden. Die weitere Gleichspannung kann dazu genutzt werden, eine am Gleichspannungsanschluss angeschlossene Batterie, beispielsweise die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen.According to one embodiment, the electrical power converter comprises a charging connection and a further, preferably mechanical switching element. The charging connection is designed to be coupled to a direct current charging station for an electric vehicle. The switching element comprises a first connection and a second connection. The first connection of the switching element is designed to be coupled to a motor connection point of the electric machine. A first connection point of the charging connection is connected to the negative connection point of the direct current connection. A second connection point of the charging connection is connected to a second connection of the further switching element. Such an electrical power converter can be used in particular as a so-called inverter converter. Such electrical power converters can, on the one hand, convert an electrical direct current from the direct current connection into an alternating current in order to thereby control an electric machine. In addition, an electrical direct current provided at the charging connection can be converted into a further direct current and provided at the direct current connection. The further direct current can be used to charge a battery connected to the direct current connection, for example the traction battery of an electric vehicle.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das Schaltelement zwischen dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses und dem Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine zu öffnen, falls in einem oberen Halbleiterschaltelement oder einem unteren Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke eine Fehlfunktion detektiert worden ist. Ein solches Schaltelement, insbesondere ein solches mechanisches Schaltelement kann folglich dazu genutzt werden, bei einer detektierten Fehlfunktion in einem der Halbleiterschaltelemente des elektrischen Stromrichters die elektrische Verbindung zu dem Ladeanschluss zu unterbinden. Aufgrund des verzögerten Stromanstiegs gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept steigt dabei der elektrische Strom durch das Schaltelement derart verzögert an, sodass das Schaltelement ausreichend schnell geöffnet werden kann, bevor der elektrische Strom durch das Schaltelement einen unzulässig hohen Wert überschreitet.According to one embodiment, the control device is designed to open the switching element between the second connection point of the charging connection and the motor connection point of the electric machine if a malfunction has been detected in an upper semiconductor switching element or a lower semiconductor switching element of a half-bridge. Such a switching element, in particular such a mechanical switching element, can therefore be used to prevent the electrical connection to the charging connection if a malfunction is detected in one of the semiconductor switching elements of the electrical power converter. Due to the delayed current increase according to the inventive concept, the electrical current through the switching element increases with such a delay that the switching element can be opened sufficiently quickly before the electrical current through the switching element exceeds an impermissibly high value.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Further embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebs- und Ladesystems mit einem elektrischen Stromrichter gemäß einer Ausführungsform;
2: ein schematisches Prinzipschaubild zur Veranschaulichung des elektrischen Stromflusses bei einer Fehlfunktion in einem unteren Halbleiterschaltelement; und
3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures.

1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive and charging system with an electric power converter according to an embodiment;
2 : a schematic diagram illustrating the electrical current flow in the event of a malfunction in a lower semiconductor switching element; and
3 : a flow chart underlying a method for operating an electrical power converter according to an embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebs- und Ladesystems mit einem elektrischen Stromrichter 1 gemäß einer Ausführungsform. Der elektrische Stromrichter 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 10 und einen Motoranschluss 20. Ferner kann der elektrische Stromrichter 1 einen Ladeanschluss 30 umfassen. Darüber hinaus kann an dem elektrischen Stromrichter 1 ein weiterer Anschluss 40 vorgesehen sein, welcher mit einem Motoranschlusspunkt 2a einer elektrischen Maschine 2 verbunden werden kann. Wie oben beschrieben, kann der Motoranschlusspunkt als Sternpunkt, wie dargestellt, oder als ein Phasenanschlusspunkt ausgeführt sein. Die einzelnen Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2 können mit korrespondierenden Anschlusspunkten 21, 22, 23 des Motoranschlusses 20 des elektrischen Stromrichters 1 verbunden werden. Der Gleichspannungsanschluss 10 kann mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie wie einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs verbunden werden. Zwischen dem Gleichspannungsanschluss 10 und der Traktionsbatterie können gegebenenfalls weitere Komponenten wie zum Beispiel ein Batterietrennschalter oder Ähnliches vorgesehen sein. Der Ladeanschluss 30 ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungs-Ladestation für ein Elektrofahrzeug oder Ähnliches verbunden zu werden. Somit kann der elektrische Stromrichter 1 in einem ersten Betriebsmodus beispielsweise eine am Gleichspannungsanschluss 10 bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertieren und am Motoranschluss 20 bereitstellen, um die elektrische Maschine 2 anzusteuern. In einem weiteren Betriebsmodus kann beispielsweise eine am Ladeanschluss 30 bereitgestellte Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden, und die weitere Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss 10 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der elektrische Stromrichter 1 in Verbindung mit der elektrischen Maschine 2, insbesondere den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 2, die am Ladeanschluss 30 bereitgestellte Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertieren, die dazu geeignet ist, die an dem Gleichspannungsanschluss 10 angeschlossene Batterie aufzuladen. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive and charging system with an electric power converter 1 according to an embodiment. The electric power converter 1 comprises a DC voltage connection 10 and a motor connection 20. Furthermore, the electric power converter 1 can comprise a charging connection 30. In addition, a further connection 40 can be provided on the electric power converter 1, which can be connected to a motor connection point 2a of an electric machine 2. As described above, the motor connection point can be designed as a star point, as shown, or as a phase connection point. The individual phase Connections of the electric machine 2 can be connected to corresponding connection points 21, 22, 23 of the motor connection 20 of the electric power converter 1. The DC voltage connection 10 can be connected to an electrical DC voltage source, for example a battery such as a traction battery of an electric vehicle. Additional components such as a battery isolator or the like can be provided between the DC voltage connection 10 and the traction battery. The charging connection 30 is designed to be connected to a DC voltage charging station for an electric vehicle or the like. Thus, in a first operating mode, the electric power converter 1 can, for example, convert an electrical DC voltage provided at the DC voltage connection 10 into an AC voltage and provide it at the motor connection 20 in order to control the electric machine 2. In a further operating mode, for example, a DC voltage provided at the charging connection 30 can be converted into a further DC voltage, and the further DC voltage can be provided at the DC voltage connection 10. For example, the electric power converter 1 in conjunction with the electric machine 2, in particular the phase windings of the electric machine 2, can convert the direct voltage provided at the charging connection 30 into a further direct voltage which is suitable for charging the battery connected to the direct voltage connection 10.

Der Gleichspannungsanschluss 10 kann einen negativen Anschlusspunkt 11 und einen positiven Anschlusspunkt 12 aufweisen. Entsprechend kann der negative Anschlusspunkt 11 des Gleichspannungsanschlusses mit einem negativen Anschluss einer externen Batterie verbunden werden, und der positive Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschlusses 10 kann mit einem positiven Anschluss der externen Batterie verbunden werden.The DC voltage terminal 10 may have a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Accordingly, the negative terminal 11 of the DC voltage terminal may be connected to a negative terminal of an external battery, and the positive terminal 12 of the DC voltage terminal 10 may be connected to a positive terminal of the external battery.

An dem Ladeanschluss 30 kann zwischen einem ersten Anschlusspunkt 31 und einem zweiten Anschlusspunkt 32 eine elektrische Gleichspannung von einer Gleichspannungs-Ladestation bereitgestellt werden. Der erste Anschlusspunkt 31 des Ladeanschlusses kann elektrisch mit dem negativen Anschlusspunkt 11 des Gleichspannungsanschlusses verbunden sein. Der zweite Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses kann über ein Schaltelement S1, insbesondere ein mechanisches Schaltelement wie beispielsweise ein Relais, Schütz oder Ähnliches, mit dem weiteren Anschlusspunkt 40 verbunden werden. Dieser weitere Anschlusspunkt 40 kann ferner mit einem Motoranschlusspunkt 2a der elektrischen Maschine 2 verbunden werden. Der Stromrichter 1 umfasst ferner mehrere Halbbrücken. Jede dieser Halbbrücken umfasst zwei Halbleiterschaltelemente M1 bis M6. Insbesondere ist jeweils ein oberes Halbleiterschaltelement M1, M3, M5 und ein unteres Halbleiterschaltelement M2, M4, M6 in Serie geschaltet. Die oberen Halbleiterschaltelemente M1, M3, M5 sind an einem Anschluss jeweils mit dem positiven Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Analog sind die unteren Halbleiterschaltelemente M2, M4, M6 jeweils ein einem Anschlusspunkt mit dem negativen Anschlusspunkt 11 des Gleichspannungsanschlusses 10 verbunden. Die Knotenpunkte, an welchen die oberen Halbleiterschaltelemente M1, M3, M5 mit den unteren Halbleiterschaltelementen M2, M4, M6 verbunden sind, sind jeweils mit einem der Anschlusspunkte 21, 22, 23 des Motoranschlusses 20 verbunden.At the charging connection 30, an electrical direct voltage from a direct voltage charging station can be provided between a first connection point 31 and a second connection point 32. The first connection point 31 of the charging connection can be electrically connected to the negative connection point 11 of the direct voltage connection. The second connection point 32 of the charging connection can be connected to the further connection point 40 via a switching element S1, in particular a mechanical switching element such as a relay, contactor or the like. This further connection point 40 can also be connected to a motor connection point 2a of the electrical machine 2. The power converter 1 also comprises several half bridges. Each of these half bridges comprises two semiconductor switching elements M1 to M6. In particular, an upper semiconductor switching element M1, M3, M5 and a lower semiconductor switching element M2, M4, M6 are connected in series. The upper semiconductor switching elements M1, M3, M5 are each connected at one connection to the positive connection point 12 of the direct voltage connection. Analogously, the lower semiconductor switching elements M2, M4, M6 are each connected at a connection point to the negative connection point 11 of the DC voltage connection 10. The nodes at which the upper semiconductor switching elements M1, M3, M5 are connected to the lower semiconductor switching elements M2, M4, M6 are each connected to one of the connection points 21, 22, 23 of the motor connection 20.

Zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 sowie gegebenenfalls des Schaltelements S1 kann beispielsweise eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen sein. Diese Steuereinrichtung 50 kann je nach Betriebsmodus und gewünschten Sollwertvorgaben die Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 ansteuern.For example, a control device 50 can be provided to control the semiconductor switching elements M1 to M6 and, if applicable, the switching element S1. This control device 50 can control the semiconductor switching elements M1 to M6 depending on the operating mode and the desired setpoint specifications.

Ferner können gegebenenfalls geeignete Sensoren oder Ähnliches vorgesehen sein, um elektrische Ströme, Spannungen oder Ähnliches in dem elektrischen Stromrichter 1 zu überwachen. Insbesondere kann für jedes Halbleiterschaltelement M1 bis M6 jeweils eine Überwachung vorgesehen sein.Furthermore, suitable sensors or the like can be provided if necessary to monitor electrical currents, voltages or the like in the electrical power converter 1. In particular, a monitoring device can be provided for each semiconductor switching element M1 to M6.

Zur Überwachung der Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 kann beispielsweise auch überwacht werden, ob ein Halbleiterschaltelement M1 bis M6 auch tatsächlich sperrt, falls das entsprechende Halbleiterschaltelement M1 bis M6 entsprechend angesteuert ist. In seltenen Fällen kann es gegebenenfalls vorkommen, dass ein Halbleiterschaltelement M1 bis M6 auch weiterhin eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, selbst wenn das entsprechende Halbleiterschaltelement M1 bis M6 derart angesteuert wird, dass es geöffnet sein soll. Ein solches unerwünschtes Leiten eines Halbleiterschaltelements M1 bis M6 wird durch die Steuereinrichtung 50 als Fehlfunktion des entsprechenden Halbleiterschaltelements M1 bis M6 detektiert.To monitor the semiconductor switching elements M1 to M6, it is also possible, for example, to monitor whether a semiconductor switching element M1 to M6 is actually blocking if the corresponding semiconductor switching element M1 to M6 is controlled accordingly. In rare cases, it may happen that a semiconductor switching element M1 to M6 continues to have a certain conductivity, even if the corresponding semiconductor switching element M1 to M6 is controlled in such a way that it should be open. Such undesired conduction of a semiconductor switching element M1 to M6 is detected by the control device 50 as a malfunction of the corresponding semiconductor switching element M1 to M6.

Kann ein fehlerhaftes Halbleiterschaltelement M1 bis M6 nicht mehr zuverlässig sperren, so kann ein elektrischer Strom durch dieses Halbleiterschaltelement M1 bis M6 kontinuierlich ansteigen. Dann ist zur Vermeidung von weiteren Gefahren und Beschädigungen eine rasche, zuverlässige Abschaltung des Systems mit dem elektrischen Stromrichter 1 erforderlich. Eine solche Abschaltung kann beispielsweise durch Öffnen des Schaltelements S1 zwischen dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 und dem weiteren Anschluss 40 zur Verbindung mit dem Motoranschlusspunkt 2a der elektrischen Maschine 2 erfolgen. Handelt es sich bei diesem Schaltelement S1 jedoch um ein mechanisches Schaltelement wie beispielsweise ein Relais oder Schütz, so kann es bei einem konventionellen System gegebenenfalls vorkommen, dass bei einem fehlerhaften Halbleiterschaltelement M1 bis M6 der elektrische Strom durch dieses Schaltelement S1 derart rasch ansteigt, dass aufgrund der Trägheit bzw. Verzögerung eines mechanischen Schaltelements das Schaltelement S1 nicht mehr zuverlässig den elektrischen Stromfluss unterbrechen kann.If a faulty semiconductor switching element M1 to M6 can no longer reliably block, an electric current through this semiconductor switching element M1 to M6 can continuously increase. In this case, a rapid, reliable shutdown of the system with the electric power converter 1 is required to avoid further dangers and damage. Such a shutdown can be achieved, for example, by opening the switching element S1 between the second connection point 32 of the charging connection 30 and the further Connection 40 for connection to the motor connection point 2a of the electrical machine 2. However, if this switching element S1 is a mechanical switching element such as a relay or contactor, it may happen in a conventional system that, in the case of a faulty semiconductor switching element M1 to M6, the electrical current through this switching element S1 increases so quickly that, due to the inertia or delay of a mechanical switching element, the switching element S1 can no longer reliably interrupt the electrical current flow.

Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, durch geeignetes Ansteuern der noch funktionsfähigen Schaltelemente M1 bis M6 bei der Detektion einer Fehlfunktion in einem der Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 den Anstieg des elektrischen Stroms durch das Schaltelement S1 derart zu verzögern, dass durch das Schaltelement S1 noch eine sichere, zuverlässige Abschaltung erfolgen kann.It is therefore provided according to the invention, by suitably controlling the still functional switching elements M1 to M6 when a malfunction is detected in one of the semiconductor switching elements M1 to M6, the increase in the electrical current through the switching element S1 is delayed in such a way that a safe, reliable shutdown can still take place by the switching element S1.

2 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Stromflusses bei einem fehlerhaften Halbleiterschaltelement M4. Auch wenn die vorliegende Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem fehlerhaften unteren Halbleiterschaltelement M4 beschrieben wird, so ist das Grundprinzip in sinnhafter Weise auch auf die übrigen Halbleiterschaltelemente, insbesondere die beiden übrigen unteren Halbleiterschaltelemente M2 und M6 sowie auch auf alle oberen Halbleiterschaltelemente M1, M3, M5 anwendbar. 2 shows a schematic representation to illustrate the current flow in a faulty semiconductor switching element M4. Even if the present invention is described below in connection with a faulty lower semiconductor switching element M4, the basic principle can also be applied in a meaningful way to the other semiconductor switching elements, in particular the two remaining lower semiconductor switching elements M2 and M6 as well as to all upper semiconductor switching elements M1, M3, M5.

Tritt nun beispielsweise in dem unteren Halbleiterschaltelement M4 eine Fehlfunktion auf, bei welcher das Halbleiterschaltelement M4 die elektrische Verbindung zwischen dem oberen Halbleiterschaltelement M3 und dem negativen Gleichspannungsanschluss 11 nicht mehr unterbrechen kann, so wird sich daraufhin von dem ersten Anschlusspunkt 31 des Ladeanschlusses 30 über das fehlerhafte Halbleiterschaltelement M4, die entsprechende Motorwicklung in dem Motor 2 und das Schaltelement S1 zu dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses ein elektrischer Strom einstellen. Aufgrund der Induktivität in der Motorwicklung des Motors 2 wird dieser Strom über die Zeit zunächst ansteigen.If, for example, a malfunction occurs in the lower semiconductor switching element M4, in which the semiconductor switching element M4 can no longer interrupt the electrical connection between the upper semiconductor switching element M3 and the negative DC voltage connection 11, an electrical current will then flow from the first connection point 31 of the charging connection 30 via the faulty semiconductor switching element M4, the corresponding motor winding in the motor 2 and the switching element S1 to the second connection point 32 of the charging connection. Due to the inductance in the motor winding of the motor 2, this current will initially increase over time.

Wird nun eine solche Fehlfunktion in dem unteren Halbleiterschaltelement M4 detektiert, so werden die oberen Halbleiterschaltelemente M1 und M5 in den Halbbrücken, in denen kein fehlerhaftes Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, geschlossen. Somit kann sich von dem positiven Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschlusses 10 über die beiden geschlossenen oberen Halbleiterschaltelemente M1 und M5 über die entsprechenden Wicklungen in dem Motor 2 ein elektrischer Strom einstellen, der dem elektrischen Strom von dem Ladeanschluss 30 zumindest teilweise entgegenwirkt und diesen gegebenenfalls zumindest teilweise kompensieren kann. Auf diese Weise wird der Anstieg des elektrischen Stroms durch das Schaltelement S1 zwischen dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses und dem weiteren Anschlusspunkt 40 verlangsamt. Hierdurch kann dieses Schaltelement S1 noch zuverlässig und sicher geöffnet werden, bevor der elektrische Strom durch dieses Schaltelement S1 einen maximal zulässigen Schaltstrom überschreitet.If such a malfunction is now detected in the lower semiconductor switching element M4, the upper semiconductor switching elements M1 and M5 in the half-bridges in which no faulty semiconductor switching element has been detected are closed. An electrical current can thus be established from the positive connection point 12 of the DC voltage connection 10 via the two closed upper semiconductor switching elements M1 and M5 via the corresponding windings in the motor 2, which at least partially counteracts the electrical current from the charging connection 30 and can at least partially compensate for it if necessary. In this way, the increase in the electrical current through the switching element S1 between the second connection point 32 of the charging connection and the further connection point 40 is slowed down. This means that this switching element S1 can still be opened reliably and safely before the electrical current through this switching element S1 exceeds a maximum permissible switching current.

Bei der Detektion der Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement M1 bis M6 werden somit in den Halbbrücken, in welchen kein fehlerhaftes Halbleiterschaltelement M1 bis M6 detektiert worden ist, die jeweils zu dem fehlerhaft detektierten Halbleiterschaltelement M1 bis M6 komplementären Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 geschlossen. Ferner werden die übrigen Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 geöffnet. Mit anderen Worten, in jeder Halbbrücke ist somit jeweils ein Halbleiterschaltelement M1 bis M6 geöffnet und ein Halbleiterschaltelement M1 bis M6 geschlossen. Hierbei wird das als fehlerhaft detektierte Halbleiterschaltelement M1 bis M6 ebenfalls als ein geschlossenes Halbleiterschaltelement interpretiert, da dieses Halbleiterschaltelement ja nicht mehr einen Stromfluss unterbrechen kann.When the malfunction is detected in a semiconductor switching element M1 to M6, the semiconductor switching elements M1 to M6 that are complementary to the semiconductor switching element M1 to M6 that was detected incorrectly are closed in the half-bridges in which no faulty semiconductor switching element M1 to M6 was detected. Furthermore, the remaining semiconductor switching elements M1 to M6 are opened. In other words, in each half-bridge, one semiconductor switching element M1 to M6 is opened and one semiconductor switching element M1 to M6 is closed. The semiconductor switching element M1 to M6 that is detected as faulty is also interpreted as a closed semiconductor switching element, since this semiconductor switching element can no longer interrupt a current flow.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stromrichters 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Bei dem elektrischen Stromrichter 1 kann es sich insbesondere um den zuvor bereits in Zusammenhang mit 1 und 2 beschriebenen Stromrichter 1 handeln. Entsprechend kann das nachfolgend erläuterte Verfahren beliebige Schritte umfassen, die zur Realisierung des zuvor beschriebenen Prinzips erforderlich sind. Analog kann auch der zuvor beschriebene elektrische Stromrichter 1 bzw. das Antriebs- und Ladesystem mit einem solchen Stromrichter 1 beliebige Komponenten umfassen, die zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind. 3 shows a flow chart as it can be the basis of a method for operating an electrical power converter 1 according to an embodiment. The electrical power converter 1 can in particular be the one already described in connection with 1 and 2 described power converter 1. Accordingly, the method explained below can include any steps that are required to implement the principle described above. Analogously, the electrical power converter 1 described above or the drive and charging system with such a power converter 1 can also include any components that are required to implement the method described below.

In Schritt 100 erfolgt ein Überwachen der Halbleiterschaltelemente M1 bis M6 sowie ein Detektieren einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement M1 bis M6 des elektrischen Stromrichters 1. Daraufhin kann für den Fall, dass eine Fehlfunktion in einem unteren Halbleiterschaltelement M2, M4, M6 einer Halbbrücke detektiert worden ist, in Schritt 210 das obere Halbleiterschaltelement M1, M3, M5 in der Halbbrücke mit der Fehlfunktion geöffnet werden. Ferner kann in Schritt 211 mindestens ein oberes Halbleiterschaltelement M1, M3, M5 einer weiteren Halbbrücke, in welcher keine Fehlfunktion detektiert worden ist, geschlossen werden.In step 100, the semiconductor switching elements M1 to M6 are monitored and a malfunction is detected in a semiconductor switching element M1 to M6 of the electrical power converter 1. Then, in the event that a malfunction has been detected in a lower semiconductor switching element M2, M4, M6 of a half-bridge, the upper semiconductor switching element M1, M3, M5 in the half-bridge with the malfunction can be opened in step 210. Furthermore, in step 211, at least one upper semiconductor switching element M1, M3, M5 another half-bridge in which no malfunction has been detected.

Alternativ kann für den Fall, dass eine Fehlfunktion in einem oberen Halbleiterschaltelement M1, M3, M5 einer Halbbrücke detektiert worden ist, in Schritt 220 das untere Halbleiterschaltelement M2, M4, M6 der Halbbrücke mit der Fehlfunktion in den oberen Halbleiterschaltelementen M1, M3, M5 geöffnet werden und in Schritt 221 mindestens ein unteres Halbleiterschaltelement M2, M4, M6 einer weiteren Halbbrücke, in welcher keine Fehlfunktion detektiert worden ist, geschlossen werden.Alternatively, in the event that a malfunction has been detected in an upper semiconductor switching element M1, M3, M5 of a half-bridge, in step 220 the lower semiconductor switching element M2, M4, M6 of the half-bridge with the malfunction in the upper semiconductor switching elements M1, M3, M5 can be opened and in step 221 at least one lower semiconductor switching element M2, M4, M6 of a further half-bridge in which no malfunction has been detected can be closed.

Daraufhin ist es möglich, das Schaltelement S1 zu öffnen. Aufgrund der sich zumindest teilweise kompensierenden Ströme steigt der elektrische Strom durch das Schaltelement S1 nur verlangsamt an, so dass ein maximal zulässiger Abschaltstrom erst später erreicht wird.It is then possible to open the switching element S1. Due to the at least partially compensating currents, the electrical current through the switching element S1 only increases at a slower rate, so that a maximum permissible breaking current is only reached later.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Ansteuerung von Halbleiterschaltelementen in einem elektrischen Stromrichter zur Verlangsamung eines Stromanstiegs bei einem durchlegierten Halbleiterschaltelement. Hierzu wird vorgeschlagen, Halbleiterschaltelemente in Halbbrücken mit keinen fehlerhaften Halbleiterschaltelementen derart anzusteuern, dass ein resultierender Stromanstieg durch ein Schaltelement für eine Abschaltung zumindest verlangsamt werden kann. Dies ermöglicht es, eine elektrische Energieversorgung mittels eines mechanischen Schaltelements wie einem Relais oder Schütz zuverlässig zu unterbrechen, bevor ein elektrischer Strom durch dieses Schaltelement einen maximalen Schaltstrom überschreitet.In summary, the present invention relates to a control of semiconductor switching elements in an electrical power converter for slowing down a current increase in the case of a defective semiconductor switching element. For this purpose, it is proposed to control semiconductor switching elements in half bridges with no faulty semiconductor switching elements in such a way that a resulting current increase can at least be slowed down by a switching element for shutdown. This makes it possible to reliably interrupt an electrical energy supply by means of a mechanical switching element such as a relay or contactor before an electrical current through this switching element exceeds a maximum switching current.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102018207188 A1 [0003]

Claims

Electrical power converter (1), with a DC voltage connection (10) with a positive connection point (12) and a negative connection point (11), wherein the DC voltage connection (10) is designed to be coupled to an electrical energy storage device; a motor connection (20) which is designed to be coupled to an electrical machine (2); several half-bridges, each half-bridge comprising a series circuit of an upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) and a lower semiconductor switching element (M2, M4, M6), and a connection point between the upper and lower semiconductor switching elements (M1-M6) being connected to a connection point (21, 22, 23) of the motor connection (20), a control device (50) which is designed to monitor an electrical current through the upper and lower semiconductor switching elements (M1-M6) in the half-bridges and to detect a malfunction in the semiconductor switching elements (M1-M6) using the monitored currents, wherein the control device (50) is designed, if a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) of one of the half-bridges, to open the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) of the corresponding half-bridge with the malfunction and to switch at least one upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) in a half-bridge in which no malfunction has been detected, and wherein the control device (50) is designed, if a malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) of one of the half-bridges, to open the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) of the corresponding half-bridge with the malfunction and to close at least one lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) in a half-bridge in which no malfunction has been detected.

Electric power converter (1) according to Claim 1 , wherein the control device (50) is designed to close the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) if a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6), and to close the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) of the one half-bridge if a malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5).

Electric power converter (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the control device (50) is designed to open the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) if a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6), and to open the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) in each of the half-bridges in which no malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5).

Electric power converter (1) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein detecting a malfunction comprises detecting a state of a semiconductor switching element (M1-M6) in which the semiconductor switching element (M1-M6) has a permanent at least partially conductive state.

Electrical power converter according to one of the Claims 1 until 4 , with a charging connection (30) which is designed to be coupled to a direct current charging station for an electric vehicle; and a switching element (S1), wherein a first connection of the switching element (S1) is designed to be coupled to a motor connection point (2a) of the electric machine (2), wherein a first connection point (31) of the charging connection (30) is connected to the negative connection point (11) of the direct current connection (10), and wherein a second connection point (32) of the charging connector (30) is connected to a second connection of the switching element (S1).

Electrical power converter according to Claim 5 , wherein the control device (50) is designed to open the switching element (S1) between the second connection point (32) of the charging connection (30) and the motor connection point (2a) of the electric machine (2) if a malfunction has been detected in an upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) or a lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) of a half-bridge.

Electric drive and charging system, with an electric machine (2); and an electric power converter (1) according to Claim 5 or 6 ; wherein phase connections of the electrical machine (2) are connected to corresponding connection points (21, 22, 23) of the motor connection (20) of the electrical power converter (1), and wherein a motor connection point (2a) of the electrical machine (2) is connected to the first terminal of the switching element (S1) of the electrical power converter (1).

Method for operating an electrical power converter (1) with several half-bridges, each half-bridge comprising a series circuit of an upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) and a lower semiconductor switching element (M2, M4, M6), with the steps: Detecting (100) a malfunction of a semiconductor switching element (M1-M6) in the electrical power converter (1); Opening (210) the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) of the half-bridge with the malfunction, closing (211) at least one upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) in a further half-bridge in which no malfunction has been detected if a malfunction has been detected in the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) of one of the half-bridges, Opening (220) the lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) of the half-bridge with the malfunction, closing (221) at least one lower semiconductor switching element (M2, M4, M6) in a further half-bridge in which no malfunction has been detected if a malfunction has been detected in the upper semiconductor switching element (M1, M3, M5) of one of the half-bridges.