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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.
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Bei Wechselrichtern für elektrische Antriebe von wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen steht die Effizienz im Vordergrund. Die Verluste eines elektrischen Antriebssystems verringern die Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
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Wechselrichter eines Antriebsstrangs sind üblicherweise hart schaltende zweistufige Wechselrichter. Hart schaltende zweistufige Wechselrichter haben hohe Schaltverluste und verursachen hohe Oberwellenverluste in elektrischen Maschinen.
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Dreistufige Wechselrichter reduzieren die Schaltverluste erheblich, da die geschaltete Zwischenkreisspannung auf zwei Spannungen aufgeteilt ist. Da die geschaltete Spannung nur die Hälfte der Spannung des zweistufigen Wechselrichters beträgt sind die Oberwellenverluste in der elektrischen Maschine ebenfalls deutlich reduziert. Dazu sind zusätzliche Schalter erforderlich. Diese Schalter führen den Phasenstrom und sind hart geschaltet. Um einen dreistufigen Wechselrichter zu betreiben, muss die installierte Stromtragfähigkeit der Schalter verdoppelt werden im Vergleich zu einem zweistufigen Wechselrichter.
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Weich schaltende zweistufige Wechselrichter, sogenannte ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole) - Wechselrichter eliminieren praktisch die Schaltverluste regulärer zweistufiger Wechselrichter. Bei weich schaltenden Wechselrichtern wird verhindert, dass gleichzeitig hohe Werte von Spannung und Strom und somit hohe Werte der Verlustleistung auftreten. Da die Spannung zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol ohne Zwischenschritt umgeschaltet wird, verringert dieser Wechselrichtertyp die Oberwellenverluste der elektrischen Maschine nicht im Vergleich zu einem hart schaltenden zweistufigen Wechselrichter.
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Weich schaltende Wechselrichter benötigen zusätzliche Schalter, die während eines Schaltvorgangs, typischerweise etwa 1 % der Zeit, die Last tragen. Die erforderliche Stromtragfähigkeit der zusätzlichen Schalter ist viel geringer als bei einem dreistufigen Wechselrichter. Zusätzlich zu den zusätzlichen Schaltern benötigen weich schaltende Wechselrichter zusätzliche Induktivitäten.
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Die
DE 10 2014 110 490 B4 offenbart eine Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit Entlastungsnetzwerk aufzuzeigen, der zusätzliche Funktionalitäten aufweist, durch die er beispielsweise zur besonders kostengünstigen Ausbildung eines mehrphasigen Mehrpunktwechselrichters geeignet ist.
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Die
JP 2022 136 679 A beschreibt eine Kommutierungssteuerschaltung in einer ARCP-Schaltung, welche eine Gleichrichterreihenschaltung mit einem Gleichrichter auf der Hochspannungsseite und einem Gleichrichter auf der Niederspannungsseite sowie einen Resonanztransformator mit einer Primärwicklung umfasst, der zwischen einer Drosselspule und der Gleichrichterreihenschaltung angeschlossen ist. Eine weitere Gleichrichterschaltung empfängt elektrische Energie, die durch eine Sekundärwicklung des Resonanztransformators induziert wird, und leitet einen Strom an einen ersten Kondensator nur in einer Richtung von einer High-Side-Leitungsseite zu einer Low-Side-Leitungsseite. Ein Bypass-Schaltkreis ist enthalten, der die Resonanzinduktivität der Drosselspule bei geringer Last reduziert.
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In T. LANGBAUER; S. MIRIC; M. HAIDER; J. HUBER; J.W. KOLAR, „Comparative Evaluation of ARCP and Three-Level TCM Soft-Switching Bridge-Legs for High-Frequency SiC Converter Systems“, veröffentlicht bei der Konferenz IPEC-Himeji, Japan 2022- ECCE Asia, Publisher: IEEE, ist beschrieben, wie bei einem dreistufigen Wechselrichter mit Hilfe einer nachgeschalteten ersten Filterstufe ein weiches Schalten realisiert werden kann und sich die Verluste in Hilfsschaltern nicht signifikant von einem harten Schalten unterscheiden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, zu schaffen, welcher ermöglicht den elektrischen Antrieb in einem weiten Betriebsbereich effizient zu betreiben.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, anzugeben, womit ein elektrischer Antrieb mit dieser Schaltung in einem weiten Betriebsbereich effizient betrieben werden kann.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit einem Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einem weiteren Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung, mit einem Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung, mit einem Ausgangsanschluss zum Ausgeben einer Ausgangswechselspannung, mit zwei Hauptschaltern, welche jeweils mit einem Anschluss mit dem einen Eingangsanschluss bzw. dem weiteren Eingangsanschluss und mit dem anderen Anschluss gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sind, und mit zwei T-förmig zu den Hauptschaltern angeordneten zusätzlichen Schaltern, welche mit einer Induktivität in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sind. Dies ist normalerweise bei sogenanntem T-type Inverter der Fall.
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Es wird vorgeschlagen, dass ein Bypass-Schalter parallel zu der Induktivität angeordnet ist, mittels welchem die Induktivität in einem niedrigen Lastzustand durch Schließen des Bypass-Schalters kurzschließbar ist. Dabei ist die Schaltungsanordnung in einem niedrigen Lastzustand als dreistufiger hart schaltender Wechselrichter und in einem hohen Lastzustand als ein zweistufiger weich schaltender Wechselrichter betreibbar.
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Die Schaltungsanordnung stellt eine Halbbrücke eines Wechselrichters dar, der typischerweise in einer Leistungselektronik zur Motoransteuerung eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug verwendet werden kann.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung weist eine Kombination von zwei Wechselrichter-Topologien auf: einen dreistufigen Wechselrichter und einen weich schaltenden zweistufigen Wechselrichter nach der ARCPI-Topologie.
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Bei geringen Lasten kann der Wechselrichter als dreistufiger Wechselrichter betrieben werden. Dabei wird die Induktivität des ARCP-Wechselrichters überbrückt. Die zusätzlichen Schalter sind keiner hohen Last ausgesetzt, da sich der Wechselrichter im Schwachlastzustand befindet. In diesem Zustand stellen die Oberwellenverluste der elektrischen Maschine einen relevanten Verlustfaktor dar. Durch den dreistufigen Betrieb werden die Schaltverluste im Wechselrichter und die Oberwellenverluste in der elektrischen Maschine vorteilhaft reduziert.
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Bei höheren Lasten können die zusätzlichen Schalter des dreistufigen Wechselrichters an ihre Belastungsgrenze kommen. Ab dieser Last kann der Wechselrichter deshalb durch Öffnen des Bypass-Schalters für die Induktivität als weich schaltender zweistufiger Wechselrichter betrieben werden. In diesem Modus werden die zusätzlichen Schalter nur während der Schaltvorgänge mit den Phasenströmen belastet. Dadurch können wesentlich höhere Phasenströme fließen, ohne dass die Stromtragfähigkeit der Schalter gegenüber dem niederlastigen dreistufigen Betrieb erhöht werden muss. Dies erlaubt den Betrieb des Wechselrichters bei deutlich höheren Lasten.
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Vorteilhaft kann damit ein Wechselrichter mit kleinen zusätzlichen Schaltern in einem weiten Betriebsbereich mit hoher Effizienz betrieben werden.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ermöglicht die Anpassung der Wechselrichter-Topologie zur Optimierung des Wirkungsgrads von Wechselrichter und elektrischem Antrieb mit Halbleitern geringer Leistungsstufen und damit geringen Kosten. Die Schaltungsanordnung ist in der Lage, sich an Betriebspunkte anzupassen, um die relevanten Verlustkomponenten zu minimieren. Die variable Topologie ermöglicht die Wiederverwendung von Schaltern mit niedrigen Nennströmen in verschiedenen Topologien, wodurch die Schaltungsanordnung kompakt und kosteneffizient aufgebaut werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann die Induktivität abhängig von einer Stromtragfähigkeit der zusätzlichen Schalter kurzschließbar sein. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung günstigerweise bei niedrigen Lasten als hart schaltender Wechselrichter mit niedrigen Schaltungsverlusten und Oberwellenverlusten betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann die Induktivität mit dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sein. Dadurch lässt sich die Schaltungsanordnung als weich schaltender Wechselrichter betreiben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung können parallel zu den Eingangsanschlüssen Kapazitäten angeordnet sein, welche jeweils mit einem Eingangsanschluss und mit dem Mittelabgriff elektrisch verbunden sind. Die Kapazitäten können günstigerweise zur Ankopplung der Eingangsgleichspannung dienen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung können parallel zu den Hauptschaltern jeweils Kapazitäten und Dioden angeordnet sein, und parallel zu den zusätzlichen Schaltern jeweils Dioden angeordnet sein. Die Kapazitäten und Dioden können zweckmäßigerweise zu einer vorteilhaften Ausführung der Schaltvorgänge vorhanden sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung können die Hauptschalter und/oder die zusätzlichen Schalter nach Art einer ARCP-Halbbrücke verschaltet sein. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung günstigerweise bei hohen Lasten als weich schaltender Wechselrichter mit niedrigen Schaltungsverlusten betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung können die Hauptschalter und/oder die zusätzlichen Schalter als Feldeffekttransistoren, insbesondere als MOSFET, ausgebildet sein. So kann ein kostengünstiger Aufbau der Schaltungsanordnung realisiert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit einem Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einem weiteren Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung, mit einem Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung, mit einem Ausgangsanschluss zum Ausgeben einer Ausgangswechselspannung, mit zwei Hauptschaltern, welche jeweils mit einem Anschluss mit dem einen Eingangsanschluss bzw. dem weiteren Eingangsanschluss und mit dem anderen Anschluss gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sind, und mit zwei T-förmig zu den Hauptschaltern angeordneten zusätzlichen Schaltern, welche in Reihe geschaltet mit einer Induktivität mit dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sind, wobei ein Bypass-Schalter parallel zu der Induktivität angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Schaltungsanordnung in einem niedrigen Lastzustand als dreistufiger hart schaltender Wechselrichter und in einem hohen Lastzustand als ein zweistufiger weich schaltender Wechselrichter betrieben.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Schaltungsanordnung in einer Kombination von zwei Wechselrichter-Topologien betrieben werden: als ein dreistufiger Wechselrichter und ein weich schaltender Wechselrichter nach der ARCPI-Topologie.
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Bei geringen Lasten kann der Wechselrichter als dreistufiger Wechselrichter betrieben werden. Dabei wird die Induktivität des ARCP-Wechselrichters überbrückt. Die zusätzlichen Schalter sind keiner hohen Last ausgesetzt, da sich der Wechselrichter im Schwachlastzustand befindet. In diesem Zustand stellen die Oberwellenverluste der elektrischen Maschine einen relevanten Verlustfaktor dar. Durch den dreistufigen Betrieb werden die Schaltverluste im Wechselrichter und die Oberwellenverluste in der elektrischen Maschine reduziert.
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Bei höheren Lasten können die zusätzlichen Schalter des dreistufigen Wechselrichters an ihre Belastungsgrenze kommen. Ab dieser Last kann der Wechselrichter deshalb durch Öffnen des Bypass-Schalters für die Induktivität als weich schaltender zweistufiger Wechselrichter betrieben werden. In diesem Modus werden die zusätzlichen Schalter nur während der Schaltvorgänge mit den Phasenströmen belastet. Dadurch können wesentlich höhere Phasenströme fließen, ohne dass sich die Schalterleistung gegenüber dem dreistufigen Betrieb erhöht. Dies erlaubt den Betrieb des Wechselrichters bei deutlich höheren Lasten.
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Vorteilhaft kann damit ein Wechselrichter mit kleinen zusätzlichen Schaltern in einem weiten Betriebsbereich mit hoher Effizienz betrieben werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anpassung der Wechselrichter-Topologie zur Optimierung des Wirkungsgrads von Wechselrichter und elektrischem Antrieb mit Halbleitern geringer Leistung und damit geringen Kosten. Nach dem Verfahren kann die Schaltungsanordnung an Betriebspunkte angepasst werden, um die relevanten Verlustkomponenten zu minimieren. Die variable Topologie ermöglicht die Wiederverwendung von Schaltern mit niedrigen Nennströmen in verschiedenen Topologien, wodurch die Schaltungsanordnung kompakt und kosteneffizient aufgebaut werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann im niedrigen Lastzustand der Bypass-Schalter geschlossen werden und im hohen Lastzustand der Bypass-Schalter geöffnet werden. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung im niedrigen Lastzustand als dreistufiger Wechselrichter betrieben werden und im hohen Lastzustand als weich schaltender Wechselrichter. Dadurch lässt sich eine effiziente Betriebsweise der Schaltungsanordnung über einen weiten Betriebsbereich erreichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Bypass-Schalter bei einem Lastzustand geöffnet werden, welcher abhängig von einer Stromtragfähigkeit der zusätzlichen Schalter bestimmt wird. Günstig kann die Schaltungsanordnung so an Betriebspunkte angepasst werden, um die relevanten Verlustkomponenten zu minimieren. Die variable Topologie ermöglicht die Wiederverwendung von Schaltern mit niedrigen Nennströmen in verschiedenen Topologien, wodurch die Schaltungsanordnung kompakt und kosteneffizient aufgebaut werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Systemübersicht einer Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Systemübersicht einer Schaltungsanordnung 100 für einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter einer Leistungselektronik eines wenigstens zeitweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Schaltungsanordnung 100 stellt eine Halbbrücke eines Wechselrichters dar, der typischerweise in einer Leistungselektronik zur Motoransteuerung eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug verwendet werden kann.
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Die Schaltungsanordnung 100 weist einen Eingangsanschluss 11 für einen positiven Pol 12 (P) und einen weiteren Eingangsanschluss 13 für einen negativen Pol N 14 einer Eingangsgleichspannung Vdc 10 auf, einen Mittelabgriff O 15 für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung 10, sowie einen Ausgangsanschluss A 80 zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms iphase 84 bei einer Ausgangswechselspannung vpole 82. Die Eingangsgleichspannung Vdc 10 teilt sich so in zwei Spannungen Vdc /2 auf.
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Die Schaltungsanordnung 100 umfasst zwei Hauptschalter S1, S2, 20, 30, welche jeweils mit einem Anschluss mit dem einen Eingangsanschluss 11 bzw. dem weiteren Eingangsanschluss 13 und mit dem anderen Anschluss gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss A 80 elektrisch verbunden sind.
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Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 100 zwei T-förmig zu den Hauptschaltern S1, S2, 20, 30 angeordnete zusätzliche Schalter Sa1, Sa4, 40, 50, welche mit einer Induktivität Lr 60 in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff O 15 und dem Ausgangsanschluss A 80 elektrisch verbunden sind. Die Induktivität Lr 60 ist mit dem Ausgangsanschluss A 80 elektrisch verbunden. Durch die Induktivität Lr 60 fließt ein Strom iLr 62.
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Parallel zu den Eingangsanschlüssen 11, 13 sind Kapazitäten 16, 17 angeordnet, welche jeweils mit einem Eingangsanschluss 11, 13 und mit dem Mittelabgriff O 15 elektrisch verbunden sind.
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Parallel zu den Hauptschaltern S1, S2, 20, 30 sind jeweils Kapazitäten Cr1, Cr4, 24, 34 und Dioden D1, D2, 22, 32 angeordnet, und wobei parallel zu den zusätzlichen Schaltern Sa1, Sa4, 40, 50 jeweils Dioden Da1, Da4, 42, 52 angeordnet sind.
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Die Hauptschalter S1, S2, 20, 30 und die zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 sind nach Art einer ARCP-Halbbrücke verschaltet.
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Die Hauptschalter S1, S2,20, 30 und die zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 können, wie dargestellt, günstigerweise als Feldeffekttransistoren, insbesondere als MOSFET, ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist ein Bypass-Schalter 70 parallel zu der Induktivität Lr 60 angeordnet, mittels welchem die Induktivität Lr 60 in einem niedrigen Lastzustand durch Schließen des Bypass-Schalters 70 kurzgeschlossen werden kann. Dabei kann die Induktivität Lr 60 abhängig von einer Stromtragfähigkeit der zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 kurzgeschlossen werden.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung 100 kann die Schaltungsanordnung 100 in einem niedrigen Lastzustand als dreistufiger Wechselrichter und in einem hohen Lastzustand als ein zweistufiger weich schaltender Wechselrichter betrieben werden. So kann im niedrigen Lastzustand der Bypass-Schalter 70 geschlossen werden und im hohen Lastzustand der Bypass-Schalter 70 geöffnet werden.
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Günstigerweise kann der Bypass-Schalter 70 bei einem Lastzustand geöffnet werden, welcher abhängig von einer Stromtragfähigkeit der zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 bestimmt wird.
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Bei geringen Lasten kann die Schaltungsanordnung 100 so als dreistufiger Wechselrichter betrieben werden. Dabei wird die Induktivität 60 des ARCP-Wechselrichters überbrückt. Die zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 sind keiner hohen Last ausgesetzt, da sich der Wechselrichter im Schwachlastzustand befindet. In diesem Zustand stellen die Oberwellenverluste der elektrischen Maschine, an der der Wechselrichter betrieben wird, einen relevanten Verlustfaktor dar. Durch den dreistufigen Betrieb werden die Schaltverluste im Wechselrichter und die Oberwellenverluste in der elektrischen Maschine reduziert.
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Bei höheren Lasten können die zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 des dreistufigen Wechselrichters an ihre Belastungsgrenze kommen. Ab dieser Last kann deshalb der Wechselrichter durch Öffnen des Bypass-Schalters 70 für die Induktivität Lr 60 als weich schaltender zweistufiger Wechselrichter betrieben werden. In diesem Modus werden die zusätzlichen Schalter Sa1, Sa4, 40, 50 nur während der Schaltvorgänge mit den Phasenströmen belastet. Dadurch können wesentlich höhere Phasenströme fließen, ohne dass sich die Schalterleistung gegenüber dem dreistufigen Betrieb erhöht. Dies erlaubt den Betrieb des Wechselrichters bei deutlich höheren Lasten.
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Vorteilhaft kann damit die Schaltungsanordnung 100 mit kleinen zusätzlichen Schaltern Sa1, Sa4, 40, 50 in einem weiten Betriebsbereich mit hoher Effizienz betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Eingangsgleichspannung Vdc
- 11
- Eingangsanschluss
- 12
- positiver Pol P
- 13
- Eingangsanschluss
- 14
- negativer Pol N
- 15
- Mittelabgriff O
- 16
- Kapazität
- 17
- Kapazität
- 20
- Hauptschalter S1
- 22
- Diode D1
- 24
- Kapazität Cr1
- 30
- Hauptschalter S2
- 32
- Diode D2
- 34
- Kapazität Cr4
- 40
- zusätzlicher Schalter Sa1
- 42
- Diode Da1
- 50
- zusätzlicher Schalter Sa4
- 52
- Diode Da4
- 60
- Induktivität Lr
- 62
- Strom iLr
- 70
- Bypass-Schalter
- 80
- Ausgangsanschluss A
- 82
- Ausgangswechselspannung vpole
- 84
- Ausgangswechselstrom iphase
- 100
- Schaltungsanordnung
