DE112016004632T5 - Regelung von parallelgeschalteten Leistungsvorrichtungen - Google Patents

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Ari Ristimäki
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Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern von Halbleiter-Leistungsschaltern, beispielsweise IGBTs, in parallelgeschalteten Leistungsvorrichtungen, beispielsweise in Frequenzumrichtern, wobei die Halbleiter-Leistungsschalter entweder den positiven oder den negativen Pol der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung der Leistungsvorrichtung mit einer Ausgangsphase der Leistungsvorrichtung verbinden. Bei dem Verfahren werden die Spannungen jener Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, gemessen, werden die Timingdifferenzen der Ausgangsspannungszustandsänderungen auf der Grundlage der Ausgangsspannungsmessergebnisse berechnet, und werden die Steuersignale der Halbleiter-Leistungsschalter derart vorverschoben oder verzögert, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen auf den Phasen, die über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, zu gewünschten Zeitpunkten auftreten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Regeln von parallelgeschalteten Leistungsvorrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung Ausgleichen der Lasten von parallelgeschalteten Wechselrichtern durch Regeln der Schaltzeitpunkte von Leistungshalbleiterschaltern von parallelgeschalteten Wechselrichtern.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • Parallelschaltung von elektrischen Leistungsvorrichtungen, z. B. Frequenzumrichtern, ist bei sehr hohen Ausgangsleistungsniveaus (z. B. > 1 MW) aufgrund von Beschränkungen von handelsüblichen schalterartigen Leistungskomponenten, wie etwa IGBT-Modulen, nötig. Die Parallelschaltung kann entweder durch Parallelschalten mehrerer Leistungskomponenten in einer Einzeleinheit oder Parallelschalten größerer ähnlicher Einheiten implementiert werden. Die Parallelschaltung in einer Einzeleinheit ist problematisch, da jedes andere Leistungsniveau seine eigene mechanische Konstruktion erfordert. Darum sind normalerweise ganze Leistungseinheiten parallelgeschaltet, was auch vom Herstellungs- und Wartungsstandpunkt aus gesehen vorteilhaft ist. Die Parallelschaltung von Leistungseinheiten erfordert normalerweise auch die Verwendung von externen Ausgleichsimpedanzen, z. B. Induktoren, zwischen den Ausgangsanschlüssen und dem gemeinsamen Kopplungspunkt.
  • Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) sind schalterartige Leistungselektronikkomponenten, die weithin in den Hauptschaltungen von Leistungselektronikvorrichtungen verwendet werden, wie in Frequenzumrichtern. Ein IGBT ist eine gategesteuerte Komponente, was bedeutet, dass sie durch ein dem Gate-Anschluss zugeführtes Spannungssignal ein-/ausgeschaltet werden kann. Ein IGBT ist aufgrund einer schnellen Antwortzeit auf das Gate-Steuersignal eine ideale Komponente für Leistungselektronikanwendungen, womit es möglich ist, den Laststrom unter präziser Kontrolle zu halten.
  • Im Folgenden werden IGBTs als ein Beispiel für den Leistungshalbleiterschalter verwendet, wobei es dem Durchschnittsfachmann allerdings klar ist, dass es auch andere Arten von Leistungshalbleiterkomponenten gibt, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
  • Die Lastleistungsfähigkeit (z. B. die Strombelastbarkeit) von parallelgeschalteten Leistungseinheiten ist normalerweise aufgrund dessen, dass der Laststrom nicht notwendigerweise unter den Vorrichtungen gleich verteilt ist, geringer als die Summe der Leistungsfähigkeiten von Einzelvorrichtungen. Darum ist es üblich, einen Unterlastfaktor zu verwenden, beispielsweise 0,9, der bedeutet, dass P s u m = 0,9 × ∑ P N
    Figure DE112016004632T5_0001
    wobei Psum die Summe der Ausgangsleistungen der parallelgeschalteten Einheiten und PN die Nennausgangsleistung von jeder Einzeleinheit ist.
  • Ein Unterlastfaktor bedeutet eine Verringerung gegenüber der theoretischen Maximalleistung, was somit ein Problem darstellt, beispielsweise in ökonomischer Hinsicht. Es ist von Vorteil, einen Unterlastfaktor verwenden zu können, der so groß wie möglich ist, was möglich wird, indem die Lasten so präzise wie möglich ausgeglichen werden.
  • Es gibt viele verschiedene Verfahren für das Ausgleichen, z. B. präsentiert die Patentveröffentlichung US 8,188,694 B2 eine Lösung, bei der eine gemeinsame Steuereinheit das Timing von Ausgangsspannungszustandsänderungsfällen berechnet und dieses Timingsignal an die Steuereinheiten von jedem parallelgeschalteten Wechselrichter sendet. Die wechselrichterspezifischen Einheiten bilden dann im Wesentlichen gleichzeitig die Steuersignale der Leistungsstufen-IGBTs. Gleichzeitige Schaltzeitpunkte verbessern eine gleiche Lastteilung, wobei allerdings die Signalverzögerungstoleranzen der Komponenten im Signalpfad bei diesem Verfahren und dieser Anordnung Abweichungen von der Idealsituation verursachen können und Verwendung eines Unterlastfaktors und größerer Ausgangsimpedanzen verlangen. In der Patentveröffentlichung US 8,432,714 ist eine Lösung präsentiert, bei der der Lastausgleich zwischen den parallelgeschalteten Wechselrichtermodulen auf einer Anpassung der Schaltinstruktionen von Schalterkomponenten gemäß den gemessenen Ausgangsströmen und gemessenen Wechselrichtermodultemperaturen beruht.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme im Stand der Technik zu vermeiden, indem eine neuartige Lösung für parallelgeschaltete Leistungsvorrichtungen, beispielsweise Frequenzumrichter, die geregeltes, vorteilhafterweise im Wesentlichen gleichzeitiges Timing von Ausgangsspannungspulswellenformen ermöglicht, vorgestellt wird. Die Aufgabe wird durch das erreicht, was in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt ist, wobei andere bevorzugte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen offenbart werden.
  • Das charakterisierende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ausgangsspannungen von allen parallelgeschalteten Leistungselektronikvorrichtungen, z. B. Frequenzumrichter, gemessen werden und die Messergebnisse verwendet werden zum Abmildern von Timingdifferenzen während Ausgangsspannungszustandsänderungen, die beispielsweise durch Gate-Treiberschaltungs- und Schaltkomponentenparametertoleranzen verursacht werden. In der Praxis bedeutet dies, dass die Steuersignale der parallel arbeitenden IGBTs derart vorverschoben oder verzögert werden, dass das Timing der Ausgangsspannungspulszustandsänderungen wie gewünscht eintritt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird gewünscht, dass das Timing im Wesentlichen gleichzeitig stattfinden soll, wohingegen es bei der Erfindung auch möglich ist, Timingdifferenzen einzustellen, um beispielsweise die Auswirkung von Lastimpedanzunausgeglichenheiten zu kompensieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht das zum Bestimmen des Ausgangsspannungstimings verwendete Kriterium in dem Spannungs-Zeit-Integral über einen vordefinierten Zeitraum, beispielsweise nach der Referenzspannungszustandsänderung (dieses Timing wurde in den Figuren als Beispiel verwendet).
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht das zum Bestimmen des Ausgangsspannungstimings verwendete Kriterium in dem Zeitpunkt oder der -dauer, wann die Ausgangsspannung einen Spannungspegel (z. B. die Mitte des Gleichstrom-Zwischenspannungspegels) oder einige Spannungspegel (z. B. 10% und 90% der Gleichstrom-Zwischenspannungspegel) nach der Referenzspannungszustandsänderung durchläuft.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Ausgangsspannungen gemessen und die Kompensation der Signalhandhabungspfadverzögerungsdifferenzen gemäß den Messergebnissen wird kontinuierlich während des Betriebs der Vorrichtung ausgeführt. Somit werden durch dieses Verfahren die Auswirkungen von beispielsweise Temperatur, Strompegel, Alterung usw. auf die Ausgangsspannungszustandsänderungstimings automatisch berücksichtigt und kompensiert. In diesem Dokument wird dies als die dynamische Form der Implementierung bezeichnet. Eine Bedingung für diese Implementierung besteht darin, dass die Leistungsvorrichtung oder die -anordnung ein Mittel zum Messen der Ausgangsspannungen umfasst. Das Arbeitsprinzip des Messmittels kann analog oder digital sein (d. h. Vergleichen der Ausgangsspannung mit einem oder mehreren vordefinierten Pegeln).
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Natur der Messung von Ausgangsspannungen einmalig, d. h., dass sie nur während des Herstellungsprozesses oder während der Inbetriebnahme gemessen werden, und die IGBT-spezifischen Kompensationsvorverschiebungen oder -verzögerungen, die gemäß den detektierten Timingdifferenzen berechnet werden, als Parameter in der Steuereinheit der Vorrichtung gespeichert werden. Diese Verzögerungskompensationsparameter, die als eine Funktion von einer oder mehreren Lastbedingungen bestimmt und gespeichert werden können, werden dann während des Betriebs der Vorrichtung bis zum Auftreten der nächsten möglichen Parameterbestimmung verwendet. In diesem Dokument wird dies als die statische Form der Implementierung bezeichnet. Diese statische Form der Implementierung ist entweder durch Verwendung eines internen Messmittels oder durch Verwendung eines externen Messmittels, beispielsweise eines Oszilloskops, möglich. Durch dieses Verfahren werden mögliche Änderungen des Ausgangsspannungszustandsänderungstimings während des Vorrichtungsbetriebs nicht kompensiert.
  • Die vorliegende Erfindung ist gegenüber der Technologie im Stand der Technik dadurch nutzbringend, dass die Signalhandhabungsverzögerungsdifferenzen im gesamten Signalregelpfad kontinuierlich unter allen Umgebungs- und Lastbedingungen kompensiert werden. Somit treten die Ausgangsspannungszustandsänderungen wie gewünscht vorteilhafterweise im Wesentlichen gleichzeitig auf, was es möglich macht, den Unterlastfaktor zu maximieren und die externen Ausgleichsimpedanzen, so dass sie beispielsweise gerademal aus Kabelstücken bestehen können, zu minimieren.
  • Die Erfindung ist ausführlicher in der vorliegenden Beschreibung und den folgenden Ausführungsbeispielen definiert. Der Schutzumfang ist durch die unabhängigen Ansprüche und die bevorzugten Ausführungsformen in anderen Ansprüchen definiert.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden erscheint die Erfindung unter Verwendung von Beispielen mit Bezugnahmen auf die beigefügten Figuren, als ausführlichere Erläuterung, wobei
    • 1 eine Hauptschaltung von parallelgeschalteten Frequenzumrichtern darstellt,
    • 2 eine Hauptschaltung von parallelgeschalteten Phasenschaltern darstellt,
    • 3A - 3C Steuerdatenübertragungstopologien in einer Parallelschaltung darstellen,
    • 4 Ausgangsspannungen in einer Parallelschaltung veranschaulicht, und
    • 5 Ausgangsspannungen in einer Parallelschaltung veranschaulicht.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 stellt ein Hauptdiagramm von parallelgeschalteten Frequenzumrichtern als ein Beispiel einer Leistungsvorrichtungsanordnung dar, wobei das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt sein kann. In der Anordnung sind die Frequenzumrichter FC1 und FC2 über Dreiphasen-Ausgangsinduktoren L01 und L02 zum Versorgen eines gemeinsamen Motors M parallelgeschaltet. Die Hauptfunktion der Ausgangsinduktoren besteht im Verbessern der Laststromteilung während der Schaltzeitpunkte. Die Anzahl von parallelgeschalteten Vorrichtungen in dieser und den folgenden beispielhaften Figuren ist der Einfachheit halber zwei, wobei dies keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung ist und auch weitere ähnliche Vorrichtungen FC3... in der derselben Anordnung verbunden werden können.
  • In diesem Beispiel ist die Hauptschaltung von FC1 detailliert dargestellt. Es ist ein bekannter und typischer Frequenzumrichter, der einen Dioden-Brückengleichrichter REC1, der die Dreiphasen-Versorgungsspannung L1, L2, L3 in eine konstante Gleichstrom-Zwischenkreisspannung UDC1 gleichrichtet, die durch einen Kondensator CDC1 geglättet wird, eine Dreiphasen-Wechselrichtereinheit INU1, die aus IGBT-Schaltern V1...V6 mit antiparallelen Freilaufdioden D1...D6 besteht, und eine Steuereinheit CU1 enthält. Normalerweise wird auf beiden Seiten des Gleichrichters eine induktive Komponente verwendet, um die Harmonischen des Versorgungsphasenstroms zu filtern, die hier aber als eine vom Standpunkt der vorliegenden Erfindung irrelevante Komponente in der Figur weggelassen wurde. Die Grundfunktion des Wechselrichters besteht im Erzeugen einer anpassbaren Dreiphasen-Ausgangsspannung U1, V1, W1 für den Motor M. Diese Art einer Vorrichtung ist, aufgrund von zwei Polen der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung als ein Zwei-Pegel-Umrichter bekannt. Es ist für einen Fachmann im Fachgebiet offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf Zwei-Pegel-Umrichter beschränkt ist, sondern auch auf höhere Spannungspegelumsetzer angewandt werden kann.
  • Der parallelgeschaltete weitere Frequenzumrichter FC2 ist auf Blockdiagrammebene dargestellt. Jeder Frequenzumrichter kann vollständig sein und kann, wie in der Figur dargestellt ist, über seine eigenen Einheiten verfügen oder sie können beispielsweise einen gemeinsamen Gleichrichter und einen gemeinsamen Zwischenkreis aufweisen. Alle parallelgeschalteten Vorrichtungen weisen eine gemeinsame Steuereinheit CU auf, die sich in schneller Datenübertragungsverbindung mit den frequenzumrichterspezifischen Steuereinheiten CU1, CU2... befindet.
  • 2 stellt ein Beispiel für eine Anordnung zum Parallelschalten von Phasenschaltern von parallelgeschalteten Wechselrichtereinheiten FC11, FC12 dar. Ein Phasenschalter bedeutet Komponenten, die in der Lage sind zum Verbinden des Ausgangsphasenanschlusses von beiden der Gleichstrom-Zwischenkreispole. Beispielsweise gehören in FC11 die IGBTs V11, V14 und die Freilaufdioden D11, D14 zum U-Phasenschalter. Die Ausgangsanschlüsse U11, U12 der parallelgeschalteten Phasen sind über induktive Filter L11, L12 mit dem gemeinsamen Ausgangsanschluss U10 verbunden.
  • In dem Beispiel weisen die Wechselrichtereinheiten interne Mittel zum Messen der Ausgangsphasenströme (iU11, iU12) und der Ausgangsphasenspannungen (uU11, uU12) auf. Die Ausgangsspannung wird normalerweise gegenüber dem negativen Pol der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung (UDC1-, UDC2-) gemessen, und kann gemäß der vorliegenden Erfindung von nur einem oder mehreren Komparatoren gemessen werden, um den exakten Zeitpunkt zu finden, zu dem die Ausgangsspannung einen oder mehrere vordefinierte Spannungspegel durchläuft, oder sie kann durch eine Analogschaltung gemessen werden, um das Zeitintegral der Spannungswellenform herauszufinden. Es ist erwähnenswert, dass, obwohl in den beschreibenden Beispielen auf die direkte Ausgangsspannungsmessung Bezug genommen wurde, die Ausgangsspannungen auch indirekt durch Messen der Spannungen über jedem IGBT gemessen werden können. Das interne Ausgangsphasenspannungsmessmittel ist nur im Falle einer dynamischen Implementierung der vorliegenden Erfindung absolut erforderlich, der statische Fall kann auch durch externe Messmittel realisiert werden. CU11, CU12 symbolisieren wechselrichterspezifische Steuereinheiten, die die Messinformationen empfangen, die Gate-Steuerpulse (uG11, uG14, uG21, uG24) für die IGBTs erzeugen und über die Kommunikationsverbindungsstrecken DB11, DB12 mit einer gemeinsamen Steuereinheit CU10 kommunizieren, die in dieser Beispieltopologie das Modulationsmuster berechnet (= Positionsreferenzen für die Phasenschalter). In der Praxis können die Steuereinheiten CU11, CU12 mehrere separate Untereinheiten, wie etwa eine Steuerplatine für Signalhandhabung und einen Gate-Treiber für Gate-Steuerpulserzeugung, umfassen.
  • 3A - 3C stellen einige Beispiele von Kommunikationstopologien dar, die zum Parallelschalten elektrischer Vorrichtungen, wie etwa Frequenzumrichter, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • 3A stellt eine Topologie dar, bei welcher die Hauptsteuereinheit CU20 direkt über Datenbus-Kommunikationsverbindungsstrecken DB21, DB22, DB23 mit den wechselrichterspezifischen Steuereinheiten CU21, CU22, CU23 kommuniziert. In dieser Anordnung senden die Steuereinheiten CU21, CU22, CU23 ihre Messdaten an die CU20, welche die Modulationsmuster berechnet und diese an jede wechselrichterspezifische Steuereinheit CU21, CU22, CU23 sendet. Die individuellen Modulationsmuster werden entweder gemäß den Messungen im dynamischen Implementationsfall oder im statischen Implementationsfall gemäß den gespeicherten Verzögerungsdifferenzkompensationsparametern berechnet.
  • 3B stellt eine Topologie dar, bei der eine Signalaufteilungseinheit SD30 zwischen der Hauptsteuereinheit CU30 und den wechselrichterspezifischen Steuereinheiten CU31, CU32, CU33 hinzugefügt ist. In diesem Falle ist die Hauptsteuereinheit trotz der Anzahl von parallelgeschalteten Einheiten physisch dieselbe und sie berechnet ein Grundmodulationsmuster. Die Zeitverzögerungsvorverschiebungen oder -verzögerungen an den wechselrichterspezifischen Pulsmustern können in SD30 entweder gemäß den Messdaten, die sie von Wechselrichtern über Datenbusse DB31, DB32, DB33 empfängt, oder gemäß den gespeicherten Verzögerungsdifferenzkompensationsparametern berechnet werden.
  • 3C stellt eine Ringtopologie dar, bei der dieselbe Kommunikationsverbindungsstrecke DB40 die Hauptsteuereinheit CU40 mit allen Steuereinheiten CU41, CU42, CU43 von parallelgeschalteten Wechselrichtern verbindet. In dieser Anordnung sendet jede Steuereinheit CU41, CU42, CU43 wechselweise deren eigene Messdaten an die Hauptsteuereinheit, welche dann individuelle Modulationsmuster berechnet und an jede wechselrichterspezifische Steuereinheit sendet.
  • 4 veranschaulicht das Prinzip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von wie das asynchrone Schalten von parallelgeschalteten elektrischen Vorrichtungen, wie Frequenzumrichtern, bestimmt wird. Hier ist uUref das Grundreferenzsignal, d. h. die Positionsreferenz für die beiden U-Phasenschalter, wenn keine Timingdifferenzkompensation angewandt wird, und uU1, uU2 sind die entsprechenden Ausgangsspannungen von zwei parallelgeschalteten U-Phasenschaltern. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden virtuelle Schaltzeitverzögerungen von beiden Phasenschaltern bestimmt und die Differenz wird, wenn sie sich voneinander unterscheiden, in den folgenden ähnlichen Zustandsänderungen durch Vorverschieben oder Verzögern der Steuerpulse der parallelgeschalteten IGBTs kompensiert. In der Praxis bedeutet dies, dass jeweils entweder die Positionsreferenz des schnelleren Phasenschalters (d. h. ein Phasenschalter mit einer kürzeren virtuellen Schaltzeitverzögerung) gegenüber der des langsameren verzögert wird oder die Positionsreferenz des langsameren Phasenschalters vorverschoben wird. Es ist auch möglich, gesteuerte Timingdifferenzen an den Ausgangsspannungszustandsänderungen einzustellen, um beispielsweise die Auswirkung von Lastunausgeglichenheiten zu kompensieren, um die Laststromverteilung anzugleichen. In diesem Fall können Timingdifferenzen derart eingestellt werden, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen von verschiedenen Ausgängen zu verschiedenen Zeitpunkten auftreten.
  • Die Bestimmung der virtuellen Schaltzeitverzögerung kann auf der Differenz zwischen den Zeitintegralen einer idealen Phasenspannung (ohne Schaltverzögerung) und der real gemessenen Ausgangsspannung basieren. Beispielsweise können in der beispielhaften 4 für die Phase U11 das ideale Spannungsintegral AUREF, das reale Spannungsintegral AU11 und die virtuelle Schaltzeitverzögerung tvU11 nach einer Aufwärts-Zustandsänderung gemäß den folgenden Formeln [2] ... [4] berechnet werden: A U R E F = ∫ t 40 t 41 U D C 1 × d t
    Figure DE112016004632T5_0002
     A U 11 = ∫ t 40 t 41 u U 1 × d t
    Figure DE112016004632T5_0003
     t v U 11 = A U R E F − A U 11 A U R E F × ( t 41 − t 40 )
    Figure DE112016004632T5_0004
  • In diesem Beispiel werden die Spannungs-Zeit-Integrale über eine vordefinierte Zeitdauer, vorteilhafterweise vom Änderungszeitpunkt des Referenzsignals t40 bis zu einem Zeitpunkt t41 berechnet, zu dem die U11-Phasenspannung den finalen Gleichstrom-Zwischenkreispegel UDC1 erreicht hat und sich Spannungstransienten nach der Zustandsänderung gelegt haben.
  • Die virtuelle Schaltzeitverzögerung tvU21 der Ausgangsphase U21 wird auf ähnliche Weise auf der Grundlage des entsprechenden Zeitintegrals AU21 berechnet, und die mögliche Differenz zwischen den virtuellen Verzögerungen tvU11 und tvU21 wird gemäß der vorliegenden Erfindung während der nächsten ähnlichen Ausgangsphasenzustandsänderung nach dem Zeitpunkt t44 kompensiert werden.
  • Eine ähnliche Bestimmung von virtuellen Schaltzeitverzögerungen kann auch nach der entgegengesetzten Positionsänderung (t42 - t43) ausgeführt werden. Es ist möglich, andere als die in 4 dargestellten Integrationszeiten zu verwenden, beispielsweise durch Berechnen des Zeitintegrals bis zum nächsten entgegengesetzten Positionsänderungszeitpunkt (von t40 bis t42) oder selbst bis zum nächsten ähnlichen Positionsänderungszeitpunkt (von t40 bis t44).
  • 5 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Bestimmen der Zeitdifferenz zwischen den Ausgangsspannungszustandsänderungen. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung mit einem vorbestimmten Pegel verglichen, beispielsweise mit der Mitte der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung (UDC1/2 und UDC2/2). Die verschiedenen Zeitpunkte für das Durchlaufen dieser Spannungspegel (t51 - t52 bei einem Aufwärts-Spannungspuls, t54 - t55 bei einem Abwärts-Spannungspuls) können direkt als die Korrekturzeitvorverschiebung/- verzögerung für die nächste ähnliche Situation verwendet werden. Es ist auch möglich, mehr als einen Pegel für den Spannungsvergleich zu verwenden, um ein genaueres Ergebnis zu erzielen, beispielsweise 10%, 50% und 90% der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung, und optional auch das Mittel oder das gewichtete Mittel der Vergleichsergebnisse zur Timingdifferenzkorrektur zu verwenden.
  • Als Endergebnis des Ausgangsphasenzustandsänderung-Vorverschiebungs-/Verzögerungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung werden alle parallelgeschalteten Ausgangsphasen ihre Zustände im Wesentlichen gleichzeitig ändern.
  • Gemäß der dynamischen Ausführungsform der Erfindung werden die Ausgangsspannungen gemessen und die Kompensation der Signalhandhabungspfadverzögerungsdifferenzen wird im Wesentlichen kontinuierlich während des Betriebs der Vorrichtung ausgeführt.
  • Gemäß der statischen Ausführungsform der Erfindung ist die Natur der Messung von Ausgangsspannungen einmalig, d. h., dass sie beispielsweise nur während des Herstellungsprozesses oder während der Inbetriebnahme gemessen werden, und die IGBT-spezifischen Kompensationsvorverschiebungen oder -verzögerungen, die gemäß den detektierten Ausgangsspannungsdifferenzen berechnet werden, als Parameter in der Steuereinheit der Vorrichtung gespeichert werden. Diese Ausführungsform kann beispielsweise so implementiert werden, dass alle Zustandsänderungen von Ausgangsspannungen angepasst werden, nach einer konstanten Verzögerungszeitdauer von den Zustandsänderungen der Phasenschalterpositionsreferenzsignale aufzutreten. Die Verzögerungsparameter können als Funktion von einer oder mehreren Lastbedingungen bestimmt und gespeichert zu werden.
  • Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass Durchschnittsfachleuten viele Modifikationen und Varianten offensichtlich erscheinen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist. Obwohl in den beschreibenden Beispielen auf die direkte Ausgangsspannungsmessung Bezug genommen wurde, können die Ausgangsspannungen beispielsweise auch indirekt durch Messen der Spannungen über jedem IGBT gemessen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8188694 B2 [0007]
    • US 8432714 [0007]

Claims (21)

  1. Verfahren zum Steuern von Halbleiter-Leistungsschaltern, beispielsweise IGBTs, in parallelgeschalteten Leistungsvorrichtungen, beispielsweise in Frequenzumrichtern, wobei die Halbleiter-Leistungsschalter entweder den positiven oder den negativen Pol der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung der Leistungsvorrichtung mit einer Ausgangsphase der Leistungsvorrichtung verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass: die Spannungen jener Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, gemessen werden, und die Timingdifferenzen der Ausgangsspannungszustandsänderungen auf der Grundlage der Ausgangsspannungsmessergebnisse berechnet werden, und die Steuersignale der Halbleiter-Leistungsschalter derart vorverschoben oder verzögert werden, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen auf den Phasen, die über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, zu gewünschten Zeitpunkten auftreten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale der Halbleiter-Leistungsschalter derart vorverschoben oder verzögert werden, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen auf den Phasen, die über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, im Wesentlichen gleichzeitig auftreten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal des schnelleren Phasenschalters gegenüber dem Steuersignal des langsameren verzögert wird und/oder das Steuersignal des langsameren Phasenschalters gegenüber dem Steuersignal des schnelleren vorverschoben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: die Wellenformen der Ausgangsspannungen jener Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, gemessen werden, und die Zeitintegrale der Ausgangsspannungen über eine vordefinierte Zeitdauer für Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, berechnet werden, und die Differenzen von berechneten Zeitintegralen auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, als Kriterien zum Bestimmen von Ausgangsspannungstimingdifferenzen verwendet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintegrale der Ausgangsspannungen über eine vordefinierte Zeitdauer derart berechnet werden, dass die Integralberechnung für jede Phase vor dem oder beim Auftreten der Ausgangsspannungszustandsänderung beginnt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass: die Wellenformen der Ausgangsspannungen jener Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, gemessen werden, und die Zeitpunkte, wann die Ausgangsspannungen einen oder mehrere vordefinierte Spannungspegel durchlaufen, bestimmt werden, die Differenzen von bestimmten Zeitpunkten, wann vergleichbare Spannungspegel auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, durchlaufen werden, als Kriterien zum Bestimmen von Ausgangsspannungstimingdifferenzen verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungstimingdifferenzberechnung während des Betriebs der Leistungsvorrichtung im Wesentlichen kontinuierlich ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Ausgangsspannungstimingdifferenzen als Parameter in der Steuereinheit der Leistungsvorrichtung gespeichert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungstimingdifferenzberechnung während des Herstellungsprozesses und/oder während der Inbetriebnahme ausgeführt wird.
  10. Anordnung zum Steuern von Halbleiter-Leistungsschaltern, beispielsweise IGBTs, in parallelgeschalteten Leistungsvorrichtungen, beispielsweise in Frequenzumrichtern, wobei die Halbleiter-Leistungsschalter eingerichtet sind, entweder den positiven oder den negativen Pol der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung der Leistungsvorrichtung mit einer Ausgangsphase der Leistungsvorrichtung zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass: die Anordnung eingerichtet ist zum Messen der Spannungen von jenen Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, zum Messen der Timingdifferenzen der Ausgangsspannungszustandsänderungen auf der Grundlage der Ausgangsspannungsmessergebnisse, und zum Vorverschieben oder Verzögern der Steuersignale der Halbleiter-Leistungsschalter derart, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, zu gewünschten Zeitpunkten auftreten.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ausgelegt ist zum Vorverschieben oder Verzögern der Steuersignale der Halbleiter-Leistungsschalter derart, dass die Ausgangsspannungszustandsänderungen auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, im Wesentlichen gleichzeitig auftreten.
  12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eingerichtet ist zum Verzögern des Steuersignals des schnelleren Phasenschalters im Vergleich zum Steuersignal des langsameren und/oder zum Vorverschieben des Steuersignals des langsameren Phasenschalters im Vergleich zum Steuersignal des schnelleren.
  13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass: die Anordnung eingerichtet ist zum Messen der Wellenformen der Ausgangsspannungen von jenen Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, und zum Berechnen der Zeitintegrale der Ausgangsspannungen über eine vordefinierte Zeitdauer für Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, und zum Verwenden der Differenzen von berechneten Zeitintegralen auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, als Kriterien zum Bestimmen von Ausgangsspannungstimingdifferenzen.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eingerichtet ist zum Berechnen der Zeitintegrale der Ausgangsspannungen über eine vordefinierte Zeitdauer, so dass die Integralberechnung für jede Phase vor dem oder beim Auftreten der Ausgangsspannungszustandsänderung beginnt.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass: die Anordnung eingerichtet ist zum Messen der Wellenformen der Ausgangsspannungen von jenen Ausgangsphasen, welche parallelgeschaltet sind, zum Bestimmen der Zeitpunkte, wann die Ausgangsspannungen einen oder mehrere vordefinierte Spannungspegel durchläuft, und zum Verwenden der Differenzen von bestimmten Zeitpunkten, wann vergleichbare Spannungspegel auf den Phasen, welche über Ausgangsimpedanzen miteinander verbunden sind, durchlaufen werden, als Kriterien zum Bestimmen von Ausgangsspannungstimingdifferenzen.
  16. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eingerichtet ist zum Ausführen der Ausgangsspannungstimingdifferenzberechnung im Wesentlichen kontinuierlich während des Betriebs der Leistungsvorrichtung.
  17. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Speichermittel umfasst, auf die die Anordnung eingerichtet ist, die Ausgangsspannungstimingdifferenzen als Parameter zu speichern.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungstimingdifferenzberechnung während des Herstellungsprozesses und/oder während der Inbetriebnahme ausgeführt wird.
  19. Anordnung nach einem der Ansprüche 10-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel zum Messen der Ausgangsphasenströme umfasst.
  20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen der Ausgangsphasenströme interne Mittel sind.
  21. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen der Ausgangsphasenströme externe Mittel sind.
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