EP4537448A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer leistungselektronik, leistungselektronik - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer leistungselektronik, leistungselektronik

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Publication number
EP4537448A1
EP4537448A1 EP23717987.4A EP23717987A EP4537448A1 EP 4537448 A1 EP4537448 A1 EP 4537448A1 EP 23717987 A EP23717987 A EP 23717987A EP 4537448 A1 EP4537448 A1 EP 4537448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pulse
intermediate circuit
power electronics
discharge
semiconductor switches
Prior art date
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Pending
Application number
EP23717987.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Schweiker
Thomas Knorpp
Daniel Raichle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4537448A1 publication Critical patent/EP4537448A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/322—Means for rapidly discharging a capacitor of the converter for protecting electrical components or for preventing electrical shock
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters

Definitions

  • the invention further relates to a computer program, a machine-readable storage medium, a drive train and a vehicle.
  • the method according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the intermediate circuit or intermediate circuit capacitor is discharged more quickly than before.
  • the semiconductor switches are controlled depending on an electrical intermediate circuit voltage of the power electronics applied to the intermediate circuit capacitor in such a way that the respective pulse energy of the discharge pulses of the discharging process is the same or almost the same. It is therefore provided that within a discharging process the discharge pulses each have the same or almost the same pulse energy, at least within this discharging process. Each discharge pulse within the discharge process therefore leads to the same or almost the same pulse energy.
  • This has the advantage that even at low intermediate circuit voltages, the pulse energies utilize the full potential of the power electronics and thus accelerate the discharge, and at high voltages prevent the power electronics from being overloaded.
  • the duration of the respective discharge pulse depends on the current DC link voltage specified.
  • the pulse energy of the respective discharge pulse is thus set depending on the current intermediate circuit voltage.
  • the respective discharge pulse receives the same discharge energy as the previous or subsequent discharge pulse, or almost the same energy.
  • the target current is specified by a previously stored characteristic curve as a function of the intermediate circuit voltage.
  • the characteristic curve is stored in particular in a non-volatile memory of a control unit or a control device, for example the power electronics.
  • the characteristic curve specifies the target current for the respective discharge pulse depending on the currently applied DC link voltage. This ensures safe setting of the discharge pulses with optimal discharge energy until the intermediate circuit voltage is drained.
  • the respective pulse width or time duration is determined depending on a precharging duration of a gate driver of the respective semiconductor switch.
  • Each semiconductor switch is usually assigned a device driver, through which the respective semiconductor switch is switched to conductive or non-conductive. Because the conductive switching itself requires a certain amount of time until the threshold voltage of the semiconductor switch is exceeded and the semiconductor switch begins to draw current (this is referred to as the so-called pre-charging period), this pre-charging period is taken into account when determining the pulse width in order to determine the actual pulse width or Current pulse width can be approximately determined.
  • a particularly defined or fixed amount of time which corresponds to the pre-charging duration, is added to the theoretical pulse width that is required to achieve the discharge energy. This ensures that the total pulse width includes both the desired pulse width and the precharging duration, so that the desired discharge energy is reliably guaranteed.
  • the pulse width then corresponds to the total pulse width minus the precharging time.
  • the respectively converted pulse energy of a discharge pulse is approximated, in particular assuming a triangular current signal, and that the set pulse width of a charging pulse following this discharge pulse is specified as a function of the converted pulse energy.
  • the duration or pulse width of a discharge pulse is thus set or specified depending on the pulse energy converted with a previously, in particular with the immediately preceding, discharge pulse in order to achieve an optimal result in terms of Accuracy of the pulse energy can be achieved by varying the semiconductor parameters.
  • the following formula is used in particular for the preferred approximation using the triangular signal:
  • a charging pulse width actually achieved or an actual time duration is recorded, in particular by means of a suitable sensor system, particularly preferably measured, and taken into account to specify the time duration for the or a following discharge pulse.
  • the time duration for the or a subsequent discharge pulse is set in order to ensure the same or almost the same pulse energy.
  • one of the semiconductor switches is preferably permanently switched on and the other of the semiconductor switches is controlled repetitively or pulsed.
  • the semiconductor switch is permanently driven to the positive high-voltage potential and the semiconductor switch is pulsed to the negative high-voltage potential, or vice versa.
  • control device is specially designed to carry out the method according to the invention. This results in the advantages already mentioned.
  • the power electronics according to the invention with the features of claim 10 is characterized in that the device is designed according to the invention. This results in the advantages already mentioned.
  • the storage medium according to the invention with the features of claim 12 is characterized by the computer program according to the invention, which can be executed on a computer, for example on a computing unit of a control device.
  • the drive train according to the invention with the features of claim 13 has power electronics as described above, and in particular an electrical machine and / or an electrical energy storage for supplying the electrical machine with electrical energy.
  • the power electronics operate the drive train in accordance with the method according to the invention. This results in the advantages mentioned above.
  • Figure 1 shows a half bridge of power electronics in a simplified representation
  • FIG. 2A is a diagram to explain an advantageous method for operating the power electronics
  • FIG. 2B is a diagram to explain the timing of a discharge pulse
  • 3A shows a method in which energy pre-control takes place depending on the electrical current
  • Figure 3C shows an energy control in which a discharge pulse width is measured.
  • Each semiconductor switch 3, 4 is preceded by a so-called gate driver 7, which switches the respective semiconductor switch 3, 4 conductive or non-conductive.
  • the gate driver 7 is only shown for the semiconductor switch 3.
  • one of the semiconductor switches In order to discharge the intermediate circuit capacitor 6, one of the semiconductor switches, previously the semiconductor switch 4, i.e. the low-side semiconductor switch, is switched on fully and another of the semiconductor switches, i.e. the semiconductor switch 3 or the high-side semiconductor switch, is switched on pulsatingly or repetitively by the gate driver 7 each operated for a predetermined period of time in order to realize a soft short circuit.
  • the low-side semiconductor switch is pulsed and the high-side semiconductor switch is permanently switched on in order to carry out a discharging process.
  • An increased gate series resistor 8 ensures that the semiconductor switch 3 is only switched on slowly. Depending on the gate voltage, a half-bridge cross-current occurs, which discharges the capacity of the intermediate circuit capacitor 6 or the entire intermediate circuit.
  • This cross current is implemented in short pulses by controlling the semiconductor switch 3, as indicated in Figure 1 by a corresponding symbol.
  • the pulses occur at a fixed clock frequency.
  • the resulting power loss drops via the first semiconductor switch 3, which carries the full intermediate circuit voltage at the time of the pulse and is operated in particular in linear mode.
  • the energy taken from the intermediate circuit capacitor 6 is converted into heat in the semiconductor switch 3 and preferably dissipated by a cooling system of the power electronics 1.
  • the problem here is that with a constant current control, when lower voltages of the intermediate circuit are reached, the pulse energy no longer utilizes the full potential of the power electronics 1 and tends to overload the power module 1 at high voltages.
  • Figure 2B shows the time course of the gate voltage signal and the current I of a discharge pulse.
  • E_p stands for the pulse energy, the current peak value, V_DC for the intermediate circuit voltage and t for the duration of the discharge pulse. It turns out that with a constant peak current and pulse width, the pulse energy E p decreases linearly as the intermediate circuit voltage V_DC decreases. A slightly wider charge pulse must be applied to the DIBL effect to achieve the same current, but this does not have a particularly big impact on the process.
  • a constant pulse energy can advantageously be set for the discharge pulses of a discharge process, as a result of which the discharge speed of the intermediate circuit increases significantly even in the range of lower electrical voltages of the intermediate circuit, as exemplified in FIG. 2A shown.
  • the voltage curve drops exponentially faster thanks to the advantageous process.
  • FIG. 2A shows a diagram that shows current I and voltage U over time t.
  • the previous voltage curve VDo is shown as well as the advantageous voltage curve with exponential decay with VDi generated by the method described below.
  • the diagram also shows a constant discharge current Io and a charging current ii adapted by the advantageous method, which runs in steps between a maximum charging current i max and a minimum charging current i m .
  • the pulse energy is pre-controlled by tracking the charging current ii depending on the currently applied intermediate circuit voltage VDi.
  • a characteristic curve is stored in a non-volatile memory of a control device 9, which controls the power electronics 1 and is in particular part of the power electronics 1.
  • the characteristic curve is chosen in such a way that it specifies the target current or target current range (i m in - imax) and thus, with a higher peak current and a smaller intermediate circuit voltage VDC, the pulse energy E of the discharge pulses is kept the same or approximately the same.
  • the current is thus tracked in such a way that the same pulse energy is always taken from the intermediate circuit with each discharge pulse.
  • the converted pulse energy E is adjusted to a target value according to the above-mentioned approximate formula.
  • the pulse width of the respective discharge pulse i.e. the specified time period, is used as a manipulated variable and the current level of the respective discharge pulse is thereby varied.
  • a current voltage value of the intermediate circuit voltage VDC, the current current peak l pea k and the current pulse width t are determined.
  • the activation time of the output discharge pulse minus a fixed amount of time tfj
  • the actual current st actually set is regulated depending on the target current l S0 n.
  • the new target pulse width or the time period t on is adjusted, at least if the actual current leaves the control window between the minimum current l m in and the maximum current l ma x. Then the time period t on is preferably de- or incremented.
  • the discharge pulse is then set by the control device by controlling, in particular, the semiconductor switch 3.
  • the flowing discharge current st is measured (l me ss) and the control circuit for the follow-up pulse or the following discharge pulse.
  • the target current is compared with the actual current by a comparator 10 of the control device 9 and the pulse duration t on is determined for the following discharge pulse.
  • the target pulse energy Esoii is used as the basis for the energy control, with the actual time duration or the actual pulse width tact being taken into account.
  • the time duration t on is determined or specified depending on the pulse energy for the subsequent pulse and is set by the controller or the control device 9 and in particular the semiconductor switch 3.
  • the actual current flowing in the semiconductor bridge 2 st is measured as in the previous exemplary embodiment.
  • the actual pulse width or the actual duration of the discharge pulse tact is also calculated.
  • the actually set pulse width is calculated using the equation described above from the actual total set pulse width t on and the precharging duration tfj X.
  • the last set pulse energy Eist is calculated in particular as a function of the intermediate circuit voltage VDC by the control unit 9 and fed back to the control system.
  • the time duration for the next discharge pulse t on is now determined, taking into account the minimum energy E m in and the maximum energy E ma x.
  • the pulse width is preferably set to an energy control window. If the calculated energy value is not between the minimum energy E m in and the maximum energy E ma x, the pulse duration t on is preferably incremented or decremented.
  • Figure 3C shows a further exemplary embodiment, which differs from the previous exemplary embodiment in that the actual pulse duration tact is not calculated, but rather measured tme ss.
  • a sensor device 11 is used, which monitors or measures the pulse duration tist_mess of the set discharge pulse and forms the basis for the calculation of the converted pulse energy Eist. This makes it possible to adjust the pulse energy even more precisely and any unknown influences that occur due to semiconductor properties or unknown semiconductor parameters can be compensated for.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik (1), insbesondere eines Wechselrichters oder Gleichrichters, die zumindest eine Halbbrücke (2) mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern (3, 4) und zumindest einem zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter (3, 4) parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (6) aufweist, wobei zur Durchführung eines Entladevorgangs zum elektrischen Entladen des zumindest einen Zwischenkreiskondensators (6) die beiden Halbleiterschalter (3, 4) zur Erzeugung mehrerer Entladepulse derart angesteuert werden, dass sie für jeden Entladepuls für eine vorgegebene Zeitdauer (ton) gleichzeitig leitend geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (3, 4) in Abhängigkeit von einer an dem Zwischenkreiskondensator (6) anliegenden elektrischen Zwischenkreisspannung der Leistungselektronik (1) derart angesteuert werden, dass die Pulsenergie (E) der Entladepulse des Entladevorgangs gleich oder nahezu gleich ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Leistungselektronik, Leistungselektronik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik, insbesondere eines Wechselrichters oder Gleichrichters, die zumindest eine Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern und zumindest einem zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator aufweist, wobei zur Durchführung eines Entladevorgangs zum elektrischen Entladen des zumindest einen Zwischenkreiskondensators die beiden Halbleiterschalter zur Erzeugung mehrerer Entladepulse derart angesteuert werden, dass sie für jeden Entladepuls für eine vorgegebene Zeitdauer gleichzeitig leitend sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer derartigen Leistungselektronik, die sich durch ein Steuergerät auszeichnet, das speziell dazu hergerichtet ist, das oben genannte Verfahren auszuführen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik, insbesondere wie sie obenstehend beschrieben wurde, die die oben genannte Vorrichtung aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium, einen Antriebsstrang und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Zum Entladen des Zwischenkreiskondensators beziehungsweise des Zwischenkreises ist es bekannt, eine Halbbrücke in einen Kurzschluss zu schalten, bei welchem beide Halbleiterschalter, insbesondere der Halbleiterschalter zum positiven Hochspannungspotential und der Halbleiterschalter zum negativen Hochspannungspotential, gleichzeitig leitend geschaltet sind. Insbesondere ist es bekannt, einen sogenannten weichen Kurzschluss einzuschalten, bei welchem einer der Halbleiterschalter voll eingeschaltet wird und der andere der Halbleiterschalter mithilfe eines erhöhten Gate-Vorwiderstands langsam hinzu-eingeschaltet wird. Entsprechend der Gate- Spannung des anderen Halbleiterschalters stellt sich ein Halbbrücken-Querstrom ein, der die Kapazität des Zwischenkreises, insbesondere des Zwischenkreiskondensators, entlädt. Dieser Querstrom wird in kurzen Pulsen, sogenannten Entladungspulsen, umgesetzt, die bisher repetitiv mit fester Taktfrequenz umgesetzt werden. Eine dabei entstehende Verlustleistung fällt über den einen Halbleiterschalter ab, welcher langsam hinzusteuert und somit zu diesem Zeitpunkt des Entladungspulses die volle Zwischenkreisspannung trägt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Zwischenkreis oder Zwischenkreiskondensator schneller als bisher entladen wird. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einer an dem Zwischenkreiskondensator anliegenden elektrischen Zwischenkreisspannung der Leistungselektronik derart angesteuert werden, dass die jeweilige Pulsenergie der Entladepulse des Entladevorgangs gleich oder nahezu gleich ist. Es ist also vorgesehen, dass innerhalb eines Entladevorgangs die Entladepulse zumindest innerhalb dieses Entladevorgangs jeweils die gleiche oder nahezu die gleiche Pulsenergie aufweisen. Jeder Entladepuls innerhalb des Entladevorgangs führt somit zu der gleichen oder nahezu der gleichen Pulsenergie. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei niedrigen Zwischenkreisspannungen die Pulsenergien das volle Potenzial der Leistungselektronik auszunutzen und damit die Entladung beschleunigen, und bei hohen Spannungen ein Überlasten der Leistungselektronik verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitdauer des jeweiligen Entladepulses in Abhängigkeit von der aktuellen Zwischenkreisspannung vorgegeben. Die Pulsenergie des jeweiligen Entladepulses wird somit in Abhängigkeit von der aktuellen Zwischenkreisspannung eingestellt. Dadurch erhält der jeweilige Entladepuls die gleiche Entladeenergie wie der vorhergehende oder nachfolgende Entladepuls, oder nahezu die gleiche Energie.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zeitdauer durch eine vorab hinterlegte Kennlinie in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung vorgegeben wird. Die Kennlinie ist insbesondere in einem nicht-flüchtigen Speicher einer Steuereinheit oder eines Steuergeräts, beispielsweise der Leistungselektronik, hinterlegt. Die Kennlinie gibt die Zeitdauer für den jeweiligen Entladepuls in Abhängigkeit der aktuell anliegenden Zwischenkreisspannung vor. Dadurch ist ein sicheres Einstellen der Entladepulse mit optimierter Entladeenergie bis zum Entleeren der Zwischenkreisspannung gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitdauer des jeweiligen Entladepulses in Abhängigkeit von einem durch die Halbbrücke bei jedem Entladepuls fließenden Sollstrom vorgegeben. Die Pulsenergie des jeweiligen Entladepulses wird somit in Abhängigkeit von dem Sollstrom sowie der aktuellen Zwischenkreisspannung eingestellt. Dadurch erhält der jeweilige Entladepuls die gleiche Entladeenergie wie der vorhergehende oder nachfolgende Entladepuls, oder nahezu die gleiche Energie.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sollstrom durch eine vorab hinterlegte Kennlinie in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung vorgegeben wird. Die Kennlinie ist insbesondere in einem nicht-flüchtigen Speicher einer Steuereinheit oder eines Steuergeräts, beispielsweise der Leistungselektronik, hinterlegt. Die Kennlinie gibt den Sollstrom für den jeweiligen Entladepuls in Abhängigkeit der aktuell anliegenden Zwischenkreisspannung vor. Dadurch ist ein sicheres Einstellen der Entladepulse mit optimaler Entladeenergie bis zum Entleeren der Zwischenkreisspannung gewährleistet.
Besonders bevorzugt wird die Kennlinie durch vorherige Versuche und/oder Berechnungen ermittelt und dann, wie obenstehend beschrieben, gespeichert. Auch kann die Kennlinie in Form einer Look-Up-Tabelle realisiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Iststrom durch eine Rückkopplung erfasst wird. Dadurch ist es möglich, den eingestellten Strom gegen den Sollstrom zu vergleichen und einzuregeln. Als Stellgröße wird hierzu wiederum die Zeitdauer des Entladepulses herangezogen. Wurde der Sollstrom gemäß der vorigen vorteilhaften Ausführung über eine Kennlinie programmiert, ist es dadurch möglich, die Pulsenergie deutlich präziser einzustellen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Pulsbreite beziehungsweise Zeitdauer in Abhängigkeit von einer Vorladedauer eines Gate- Treibers des jeweiligen Halbleiterschalters bestimmt wird. Jedem Halbleiterschalter ist in der Regel ein Gerätetreiber zugeordnet, durch welchen der jeweilige Halbleiterschalter leitend oder nicht-leitend geschaltet wird. Weil das leitend-Schalten selbst eine gewisse Zeitdauer benötigt, bis die Schwellspannung des Halbleiterschalters überschritten wird und der Halbleiterschalter anfängt Strom aufzunehmen (hier wird von der sogenannten Vorladedauer gesprochen), wird diese Vorladedauer bei der Bestimmung der Pulsbreite mitberücksichtigt, um die tatsächlich gestellte Pulsbreite beziehungsweise Strompulsbreite näherungsweise zu ermitteln. Insbesondere wird dazu auf die theoretische Pulsbreite, die zum Erreichen der Entladeenergie gefordert ist, ein insbesondere festgelegter oder fixer Zeitbetrag, der der Vorladedauer entspricht, hinzuaddiert. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Gesamtpulsbreite sowohl die gewollte Pulsbreite als auch die Vorladedauer umfasst, sodass die gewünschte Entladeenergie sicher gewährleistet wird. Die Pulsbreite entspricht dann der Gesamtpulsbreite abzüglich der Vorladedauer.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweils umgesetzte Pulsenergie eines Entladepulses insbesondere unter der Annahme eines Dreieckstromsignals approximiert wird, und dass die eingestellte Pulsbreite eines auf diesen Entladepuls folgenden Ladepulses in Abhängigkeit von der umgesetzten Pulsenergie vorgegeben wird. Die Zeitdauer beziehungsweise Pulsbreite eines Entladepulses wird somit in Abhängigkeit von der mit einem zuvor, insbesondere mit dem direkt zuvor erfolgten Entladepuls umgesetzten Pulsenergie eingestellt beziehungsweise vorgegeben, um ein optimales Ergebnis hinsichtlich Genauigkeit der Pulsenergie über Variation der Halbleiterparameter zu erzielen. Zur bevorzugten Appromixierung mittels des Dreiecksignals wird insbesondere folgende Formel verwendet:
Dabei entspricht Ep der Pulsenergie eines Entladepulses, r dem gemessenen oder approximierten Strom-Peakwert, VDC der aktuellen Zwischenkreisspannung und t der Pulsbreite.
Vorzugsweise wird eine tatsächlich erreichte Ladepulsbreite beziehungsweise eine Ist-Zeitdauer erfasst, insbesondere mittels einer dazu geeigneten Sensorik, besonders bevorzugt gemessen, und zum Vorgeben der Zeitdauer für den oder einen folgenden Entladepuls berücksichtigt. Somit wird in Abhängigkeit von der tatsächlich erfolgten Pulsbreite eines Entladepulses die Zeitdauer für den oder einen folgenden Entladepuls eingestellt, um die gleiche oder nahezu gleiche Pulsenergie zu gewährleisten.
Bevorzugt wird zum Erzeugen eines Entladevorgangs einer der Halbleiterschalter dauerhaft leitend geschaltet und der andere der Halbleiterschalter repetitiv beziehungsweise pulsend angesteuert. Insbesondere wird der Halbleiterschalter zum positiven Hochspannungspotential dauerhaft und der Halbleiterschalter zum negativen Hochspannungspotential gepulst angesteuert, oder umgekehrt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Die erfindungsgemäße Leistungselektronik mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung erfindungsgemäß ausgebildet ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich dadurch aus, dass es bei seiner Ausführung das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Speichermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße Computerprogramm aus, das auf einem Computer, beispielsweise auf einer Recheneinheit eines Steuergeräts, ausführbar ist.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 13 weist eine Leistungselektronik auf, wie sie vorstehend beschrieben wurde, sowie insbesondere eine elektrische Maschine und/oder einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie. Durch die Leistungselektronik wird der Antriebsstrang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. Es ergeben sich somit die oben genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Anspruchs 14 zeichnet sich durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang aus.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 eine Halbbrücke einer Leistungselektronik in einer vereinfachten Darstellung,
Figur 2A ein Diagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Betreiben der Leistungselektronik und
Figur 2B ein Diagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs eines Entladepulses, Figur 3A ein Verfahren, bei welchem eine Energievorsteuerung in Abhängigkeit vom elektrischen Strom erfolgt,
Figur 3B ein Ausführungsbeispiel einer Energieregelung, für welche eine umgesetzte Pulsenergie berechnet und
Figur 3C eine Energieregelung, bei welcher eine Entladepulsbreite gemessen wird.
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Leistungselektronik 1, die beispielsweise als Inverter für eine elektrische Maschine eines Elektrofahrzeugs ausgebildet ist. Die Leistungselektronik 1 weist eine Halbbrücke 2 auf, die einen ersten Halbleiterschalter 3 und einen zweiten Halbleiterschalter 4 aufweist, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Der erste Halbleiterschalter 3 ist dabei beispielsweise mit einem positiven Potential der Versorgungsspannung (+), insbesondere Hochspannung, elektrisch verbunden und der zweite Halbleiterschalter 4 mit einem Masseanschluss oder mit einem negativen Potential der Versorgungsspannung (-), insbesondere Hochspannung. Zwischen den beiden Halbleiterschaltern 3, 4 ist die Phase 5 der elektrischen Maschine, beispielsweise U, V oder W, angeschlossen. Durch Ansteuern der Halbleiterschalter 3, 4 ist die Phase 5 der elektrischen Maschine mit einem Betriebsstrom gezielt beaufschlagbar. Parallel zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 3, 4 ist außerdem ein Zwischenkreiskondensator 6 geschaltet, über den die Versorgungsspannung VDC abfällt.
Jedem Halbleiterschalter 3, 4 ist ein sogenannter Gate-Treiber 7 vorgeschaltet, der den jeweiligen Halbleiterschalter 3, 4 leitend oder nicht-leitend schaltet. Vorliegend ist nur für den Halbleiterschalter 3 der Gate-Treiber 7 gezeigt.
Um den Zwischenkreiskondensator 6 zu entladen, wird einer der Halbleiterschalter, bisher der Halbleiterschalter 4, also der LowSide- Halbleiterschalter, voll eingeschaltet und ein anderer der Halbleiterschalter, also der Halbleiterschalter 3 beziehungsweise der HighSide-Halbleiterschalter, durch den Gate-Treiber 7 pulsierend beziehungsweise repetitiv jeweils für eine vorgegebene Zeitdauer betrieben, um einen weichen Kurzschluss zu realisieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der LowSide-Halbleiterschalter gepulst und der HighSide-Halbleiterschalter dauerhaft eingeschaltet, um einen Entladevorgang durchzuführen. Durch einen erhöhten Gate-Vorwiderstand 8 wird dabei erreicht, dass der Halbleiterschalter 3 nur langsam hinzugeschaltet wird. Entsprechend der Gate-Spannung stellt sich ein Halbbrücken-Querstrom ein, der die Kapazität des Zwischenkreiskondensator 6 beziehungsweise des gesamten Zwischenkreises entlädt. Dieser Querstrom wird in kurzen Pulsen durch die Ansteuerung des Halbleiterschalters 3 umgesetzt, wie in Figur 1 durch ein entsprechendes Symbol angezeigt. Dabei erfolgen die Pulse in fester Taktfrequenz. Die dabei entstehende Verlustleistung fällt über den ersten Halbleiterschalter 3 ab, welcher zum Pulszeitpunkt die volle Zwischenkreisspannung trägt und insbesondere im Linearmodus betrieben wird. Die von Zwischenkreiskondensator 6 entnommene Energie wird in dem Halbleiterschalter 3 in Wärme umgewandelt und vorzugsweise durch ein Kühlsystem der Leistungselektronik 1 abgeführt. Hierbei ergibt sich das Problem, dass bei einer Konstant-Stromregelung bei Erreichen niedrigerer Spannungen des Zwischenkreises die Pulsenergie nicht mehr das volle Potenzial der Leistungselektronik 1 ausnutzt und bei hohen Spannungen dazu neigt, das Leistungsmodul 1 zu überlasten.
Figur 2B zeigt den Zeitlichen Verlauf des Gatespannungssignals, sowie des Stroms I eines Entladepulses.
Es wird vorschlagen, durch das im Folgenden beschriebene Verfahren, den Strom I eines Entladepulses mittels eines Dreiecksignals gemäß folgender Gleichung zu r zu approximieren:
Dabei steht E_p für die Pulsenergie, für den Strom-Peakwert, V_DC für die Zwischenkreisspannung und t für die Zeitdauer des erfolgten Entladepulses. Es zeigt sich, dass bei konstantem Peakstrom und Pulsbreite mit abnehmender Zwischenkreisspannung V_DC die Pulsenergie Ep linear abnimmt. Über den DIBL-Effekt muss ein geringfügig breiterer Ladungspuls gestellt werden, um denselben Strom zu erreichen, jedoch hat dies keine sonderlich große Auswirkung auf das Verfahren.
Mit einer spannungsabhängigen Anpassung des Stroms, und damit auch einhergehend der Pulsbreite, wird in vorteilhafter Weise eine konstante Pulsenergie für die Entladungspulse eines Entladungsvorgangs eingestellt werden, wodurch die Entladegeschwindigkeit des Zwischenkreises auch im Bereich niedrigerer elektrischer Spannungen des Zwischenkreises deutlich zunimmt, wie beispielhaft in Figur 2A gezeigt. Die Spannungskurve sinkt durch das vorteilhafte Verfahren exponentiell schneller ab.
Figur 2A zeigt zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Entladen des Zwischenkreises ein Diagramm, das Strom I und Spannung U über die Zeit t zeigt. Dabei ist die bisherige Spannungskurve VDo sowie durch das im Folgenden beschriebene Verfahren erzeugte vorteilhafte Spannungskurve mit exponentiellem Abfall mit VDi gezeigt. Ebenso zeigt das Diagramm einen konstanten Entladestrom Io sowie einen durch das vorteilhafte Verfahren angepassten Ladestrom ii, der zwischen einem maximalen Ladestrom imax und einem minimalen Ladestrom imin stufenförmig verläuft.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des vorteilhaften Verfahrens erfolgt eine Vorsteuerung der Pulsenergie, indem der Ladestrom ii in Abhängigkeit von der aktuell anliegenden Zwischenkreisspannung VDi nachgeführt wird. Dazu wird insbesondere eine Kennlinie in einem nicht-flüchtigen Speicher eines Steuergeräts 9, das die Leistungselektronik 1 ansteuert und insbesondere Teil der Leistungselektronik 1 ist, hinterlegt. Die Kennlinie ist derart gewählt, dass sie den Sollstrom oder Sollstrombereich (imin - imax) vorgibt und somit, mit höherem Peak-Strom zu kleinerer Zwischenkreisspannung VDC die Pulsenergie E der Entladepulse gleich oder annäherungsweise gleich gehalten wird. Es wird somit der Strom derart nachgeführt, dass stets die gleiche Pulsenergie mit jedem Entladepuls dem Zwischenkreis entnommen wird. Weil die Energie in dem Zwischenkreiskondensator 6 mit abnehmender Spannung VDC quadratisch abfällt, entsteht eine exponentiell Entladecharakteristik der Halbbrücke 2, wie durch Kurve VDi gezeigt. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die umgesetzte Pulsenergie E gemäß der oben genannten Annäherungsformel auf einen Sollwert eingeregelt. Dazu wird die Pulsbreite des jeweiligen Entladepulses, also die vorgegebene Zeitdauer als Stellgröße verwendet und damit einhergehend die Stromhöhe des jeweiligen Entladepulses variiert. Dabei wird insbesondere in dem Steuergerät 9, insbesondere in einer Recheneinheit des Steuergeräts 9, ein aktueller Spannungswert der Zwischenkreisspannung VDC, der aktuelle Strom-Peak lpeak und die aktuelle Pulsbreite t ermittelt. Für die Pulsbreite t wird die Ansteuerzeit des ausgegebenen Entladungspulses abzüglich eines festen Zeitbetrags tfjX, welcher die verstrichene Zeit zum Vorladen des Gates des angesteuerten Halbleiterschalters 3 ohne Stromfluss durch den Halbleiterschalter 3 entspricht, vorgegeben. Es wird somit die Vorladedauer tfjX berücksichtigt, um die tatsächliche Pulsbreite zu ermitteln: t = ton - tfjX
Weil unterschiedliche Chargen von Halbleitern 3, 4 abweichende Transfercharakteristiken aufweisen können, werden mit der vorteilhaften Berücksichtigung der Pulsbreite diese Abweichungen kompensiert, indem auf die konstante beziehungsweise gleiche Pulsenergie E geregelt wird. Dadurch erhalten alle Geräte trotz abweichender Transfercharakteristiken einzelner Halbleiterschalter annähernd die gleiche Entladezeit.
Figuren 3A bis 3C zeigen Regelkreise zur Erläuterung und Zusammenfassung der obenstehend beschriebenen Verfahren.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 3A wird der tatsächlich gestellte Iststrom st in Abhängigkeit vom Sollstrom lS0n eingeregelt. Zunächst wird die aktuelle Zwischenkreisspannung VDC gemessen und der zugehörige Sollstrom Isoii = f (VDC) in Form eines Regelfenster von lmin und lmax, wie zuvor beschrieben, bestimmt. In Abhängigkeit von der Regeldifferenz st - Isoii wird die neue Soll- Pulsbreite beziehungsweise die Zeitdauer ton angepasst, zumindest sofern der Iststrom das Regelfenster zwischen dem Minimalstrom lmin und dem Maximalstrom lmax verlässt. Dann wird die Zeitdauer ton bevorzugt de- oder inkrementiert. Anschließend wird der Entladepuls durch das Steuergerät durch Ansteuern, insbesondere des Halbleiterschalters 3, gestellt. Der fließende Entladestrom st wird gemessen (lmess) und dem Regelkreis für den Folgepuls beziehungsweise den folgenden Entladepuls zurückgeführt. Insbesondere durch einen Vergleicher 10 des Steuergeräts 9 wird der Sollstrom mit dem Iststrom verglichen und die Pulsdauer ton für den folgenden Entladepuls bestimmt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 3B wird die Soll-Pulsenergie Esoii der Energieregelung zugrunde gelegt, wobei die tatsächliche Zeitdauer beziehungsweise die tatsächliche Pulsbreite tist berücksichtigt wird. In diesem Fall wird in Abhängigkeit von der Pulsenergie für den Folgepuls die Zeitdauer ton bestimmt beziehungsweise vorgegeben und durch den Steller beziehungsweise das Steuergerät 9 und insbesondere den Halbleiterschalter 3 gestellt. Der fließende Iststrom der Halbleiterbrücke 2 st wird wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemessen. Zusätzlich wird außerdem die tatsächliche Pulsbreite beziehungsweise die tatsächliche Zeitdauer des Entladepulses tist berechnet. Insbesondere wird dazu die tatsächlich gestellte Pulsbreite mittels der oben beschriebenen Gleichung aus tatsächlich gesamten gestellten Pulsbreite ton und der Vorladedauer tfjX berechnet. In Abhängigkeit von dem Iststrom und der tatsächlichen Zeitdauer tist wird die zuletzt gestellte Pulsenergie Eist insbesondere in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung VDC durch das Steuergerät 9 berechnet und der Regelung zurückgeführt. In Abhängigkeit der erfassten beziehungsweise berechneten Pulsenergie Eist wird nun die Zeitdauer für den nächsten Entladepuls ton unter Berücksichtigung der Minimalenergie Emin und der Maximalenergie Emax bestimmt. Hier wird vorzugsweise die Pulsbreite auf ein Energieregelfenster eingestellt. Liegt der berechnete Energiewert nicht zwischen der Mindestenergie Emin und der Maximalenergie Emax, wird bevorzugt die Pulsdauer ton in- oder dekrementiert.
Figur 3C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die tatsächliche Pulsdauer tist nicht berechnet, sondern gemessen tmess wird. Dazu wird beispielsweise eine Sensoreinrichtung 11 eingesetzt, die die Pulsdauer tist_mess des gestellten Entladepulses überwacht beziehungsweise misst und der Berechnung der umgesetzten Pulsenergie Eist zugrunde liegt. Dadurch ist eine noch präzisere Einregelung auf die Pulsenergie möglich und auftretende unbekannte Einflüsse durch Halbleitereigenschaften beziehungsweise unbekannte Halbleiterparameter können ausgeglichen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik (1), insbesondere eines Wechselrichters oder Gleichrichters, die zumindest eine Halbbrücke (2) mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern (3,4) und zumindest einem zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter (3,4) parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (6) aufweist, wobei zur Durchführung eines Entladevorgangs zum elektrischen Entladen des zumindest einen Zwischenkreiskondensators (6) die beiden Halbleiterschalter (3,4) zur Erzeugung mehrerer Entladepulse derart angesteuert werden, dass sie für jeden Entladepuls für eine vorgegebene Zeitdauer (ton) gleichzeitig leitend geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (3,4) in Abhängigkeit von einer an dem Zwischenkreiskondensator (6) anliegenden elektrischen Zwischenkreisspannung der Leistungselektronik (1) derart angesteuert werden, dass die Pulsenergie (E) der Entladepulse des Entladevorgangs gleich oder nahezu gleich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (ton) des jeweiligen Entladepulses des Entladevorgangs in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung oder einem durch die Halbbrücke (2) bei jedem Entladepuls fließenden Sollstrom (lS0n) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer oder der Sollstrom (lS0n) durch eine vorab hinterlegte Kennlinie in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung (VDC) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie durch Versuche und/oder Berechnungen vorab ermittelt und insbesondere in einem nicht-flüchtigen Speicher der Leistungselektronik (1) hinterlegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollstrom (lS0n) in Abhängigkeit von einem tatsächlich durch die Halbbrücke (2) fließenden Iststrom (list) vorgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Zeitdauer (ton) in Abhängigkeit von einer Vorladedauer (tfjX) eines Gate- Treibers (7) des jeweiligen Halbleiterschalters (3) vorgegeben wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils umgesetzte Pulsenergie (Eist) eines Entladepulses insbesondere mittels eines Dreiecksignals approximiert wird, und dass die vorgegebene Zeitdauer (ton) eines auf diesen Entladepuls folgenden Entladepulses in Abhängigkeit von der umgesetzten Pulsenergie (Eist) vorgegeben wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tatsächlich erreichte Entladepulsbreite fet) erfasst, insbesondere gemessen, und zum Vorgeben der Zeitdauer (ton) berücksichtigt wird. Vorrichtung zum Betreiben einer Leistungselektronik (1), insbesondere Wechselrichter oder Gleichrichter, wobei die Leistungselektronik (1) zumindest eine Halbbrücke (2) mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern (3,4) und zumindest einem zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter (3,4) parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (6) aufweist, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (9), das speziell dazu hergerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen. Leistungselektronik (1), insbesondere Wechselrichter oder Gleichrichter, die zumindest eine Halbbrücke (2) mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern (3,4) und zumindest einem Zwischenkreiskondensator (6) aufweist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei Ausführung des Computerprogramms, insbesondere durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.
12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11 gespeichert ist. 13. Antriebsstrang, der eine Leistungselektronik nach Anspruch 10 und insbesondere eine elektrische Maschine und/oder einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie aufweist. 14. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Antriebsstrang nach
Anspruch 13.
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