WO2002021691A1 - Method and device for reducing the locking time in power inverters - Google Patents

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WO2002021691A1 PCT/DE2001/003422 DE0103422W WO0221691A1 WO 2002021691 A1 WO2002021691 A1 WO 2002021691A1 DE 0103422 W DE0103422 W DE 0103422W WO 0221691 A1 WO0221691 A1 WO 0221691A1
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Michael Peppel
Stefan HÄUSER
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Transmit Gmbh
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    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • H02M1/385Means for preventing simultaneous conduction of switches with means for correcting output voltage deviations introduced by the dead time

Definitions

  • the invention relates to an inverter control device and a method for operating this device.
  • the device and the method ensure a shortening of the locking times which have to be observed in order to protect inverter switching elements from short-circuit currents.
  • the invention relates to the technical field of voltage impressing inverters, which e.g. can be used to control an electrical machine.
  • Such an inverter converts a DC voltage, which is usually obtained from the three-phase network by a rectifier and is buffered in capacitors with large capacitance (intermediate circuit, (ZK)), into an AC voltage.
  • switches (1) e.g. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) used in the configuration of a three-phase bridge.
  • Fig. La shows schematically such a three-phase inverter in a bridge circuit with the DC voltage supply (20), which represents the output of the intermediate circuit (ZK), with the switches (1) and the electric machine (11).
  • Fig. Lb shows the usual design of one of the three bridge branches of the schematic structure from Fig. La.
  • Switching elements (3) such as, for example, IGBTs, MOSFETs or bipolar transistors, are typically used therein as switches. If, for example, the IGBT receives a positive voltage against the emitter (eg + 15V) at its gate, it is conductive. If the gate is brought to negative voltage (eg —IV), the IGBT is non-conductive after a component-dependent period of time and thus the switching state is locked.
  • the gate-emitter voltage is generated by the drivers (2) which are connected upstream of the IGBTs.
  • Drivers are also known in the prior art which do not generate the gate-emitter voltage themselves, but rather only convert corresponding control signals into those which can be used for IGBTs.
  • Control signals are connected to the input of the drivers of FIG. 1 a, which are provided by a corresponding regulation (e.g. microprocessor or by pulse width modulation).
  • the driver receives a logical 1 at the input in the example (with CMOS / TTL technology this usually corresponds to a voltage of 5V), the driver applies the positive voltage to the gate of the corresponding IGBT, which makes it conductive, with a logical one 0 (0V), the IGBT blocks.
  • the drivers are usually designed so that, in contrast to pure logic circuits, they can provide the necessary currents to control the IGBT.
  • IGBT are components that can only carry current in one direction
  • a diode (4) is placed antiparallel to each IGBT so that current can flow in both directions at both output polarities.
  • the control of the IGBTs after the switch-off signal has been sent to the one IGBT of a bridge arm is provided with a period of time called “locking time” ( ⁇ t_off) in which the second IGBT of the bridge arm is not yet switched on.
  • This locking time is in the commonly used drivers, fixed or not selectable during operation, set and, depending on the IGBT, is about 3 ... 10 ⁇ s.
  • DE 198 43 692 proposes, in order to circumvent the short-circuit problem with inverters for feeding into an AC network, to provide a separate circuit unit for generating each half-oscillation of the desired sinusoidal output current.
  • DE 198 08 104 proposes as a solution to carry out a locking time compensation by means of several special auxiliary devices.
  • Other proposals to solve or reduce the problem also suggest the introduction of sometimes very expensive auxiliary devices. Examples of this are DE 198 49 097 or EP 01 76 800, which propose methods and devices for monitoring the switching status of IGBTs or turn-off thyristors. Disadvantages of the prior art
  • the transmission characteristic of the converter becomes non-linear due to the compliance with the locking times, which makes it difficult to control the connected machines. By shortening the locking times, among other things the non-linearity can be reduced.
  • the missing or additional voltage time areas ensure further harmonics of low frequency, which in a connected machine cause oscillations, i.e. mechanical vibrations of the machine itself (vibrating moments).
  • the switching frequency must remain in a lower range (here e.g. 8 kHz). If the switching frequency is increased with the same locking time, the relative duty cycle becomes smaller and smaller. However, it would be advantageous to increase the switching frequency, since this would bring the inverter's output current closer to the sinusoidal shape, which in turn reduces the harmonics in the current and thus the pendulum moments.
  • the disadvantages described above naturally also arise with other control methods in which locking times are provided for switching elements, such as when controlled by a microcontroller.
  • the object of the invention is to provide a method so that switching elements in inverters with switching elements in a bridge circuit, in particular IGBTs, can be switched with the shortest possible locking time.
  • Another object of the invention is to provide a device for carrying out the method that is as simple and therefore inexpensive as possible.
  • the solution of the task is based on the fact that it is only necessary to adhere to a locking time that has been usual up to now only in those cases in which current has actually flowed through one of the switching elements (3). If the switching element was de-energized because the current flowed through the diode connected antiparallel to the switching element, it is sufficient to observe a locking time of significantly shorter duration than was previously provided for in the current controls for the current-carrying case.
  • a total of four cases can be distinguished, two of which are considered here with IGBTs as switching elements (3) (Fig. 3.1, 3.2). The other two can easily be derived from the cases considered.
  • the invention has the advantage over the prior art that, depending on the switching state of the switching elements in bridge circuit, only the component-dependent, shortest possible locking time between switching off a switching element and switching on the second switching element is waited for in a bridge branch.
  • a locking time can be applied which is less than the component-related duration of the switching elements, which elapses between the time when the switch-off signal for the switching element is emitted and when a current from this element falls below a level that is still compatible with this element in the event of a short circuit.
  • Fig. La the basic structure of a one-stage, three-phase inverter in bridge circuit
  • Fig. Lb the conventional design of one of the three bridge branches of the schematic structure of Fig. La in the prior art.
  • FIG. 2 shows the emergence of non-linearities in conventional inverters with conventional PWM control of IGBTs as switching elements when considering a bridge branch.
  • Fig. 3.1 one of the two possible out of four cases of switching states within a bridge branch, in which a long locking time between switching off the one and switching on the other switching element must be observed.
  • Fig. 3.2 one of the two possible out of four cases of switching states within a bridge branch in which only a short locking time between switching off the one and switching on the other switching element must be observed.
  • FIG. 4 shows an advantageous embodiment of the device according to the invention for a bridge branch as a block diagram.
  • Fig. 5 shows an exemplary assembly of the advantageous embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 6 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention as a block diagram for the case in which the drivers (2) are not immediately upstream of short locking timing pulse generating devices.
  • FIG. 7 shows an example of the configuration according to FIG. 6.
  • the comparator output signal is applied in the current direction signal storage device (7) to the file input of a D flip-flop CD4013 (D-FF).
  • D-FF D flip-flop CD4013
  • the D-FF is switched so that it switches the state (1 or 0) of the signal at data input 0 through to output Q when it receives a positive trigger edge at the CLK input.
  • This circuit ensures that a change in the current direction during the generation of the locking time pulse does not lead to the termination of the generation or the application of this locking time pulse to the inputs of the drivers (2), but that this pulse remains switched through to the driver inputs.
  • Trigger signals are generated in the control signal detection device (8) in order to store the current direction again each time the device is switched off.
  • the control signals for TOP and BOT IGBTs are routed to a series of NOR gates CD4001 in the control signal detection device (8). These form a so-called “beeper”. When a falling edge arrives at the input of a "beeper", a short pulse appears at the output for a few 100 ns.
  • the signals of the two beers are linked with an OR gate CD4071 as part of the control signal detection device (8), a pulse of less than 100 ns is always produced at the output of the device (8) when one of the two IGBTs has been switched off .
  • the output of (8) is connected to the current direction signal storage device (7).
  • the output signal of the control signal detection device (8) is also connected to the trigger input of a monostable multivibrator CD4047 within the long locking time generation device (9.2). This so-called monovibrator produces positive signals for everyone
  • Edge at + T has an approximately 10 ⁇ s long pulse at its output Q. This pulse corresponds to the long locking time pulse.
  • a logical evaluation unit (10) decides whether the long locking time pulse from the device (9.2) is passed on to the inputs of the drivers (2).
  • the stored signal of the current direction is linked with the control signal of the TOP-IGBT within the first evaluation subunit (10.1) by an exclusive OR CD4030 (X-OR).
  • X-OR assumes high potential at the output when one of the inputs is at high potential and the other at low potential. In this case, the long locking time pulse must be switched through to the drivers.
  • the output of the X-OR is 1 if and only if a long locking time pulse is required.
  • the output signal of the X-OR is now linked within the second logic subunit (10.2) by a NAND gate CD4081 with the output signal of the monovibrator, ie the long-lock time pulse generator (9.2).
  • the NAND gate outputs a 0 at the output if and only if both inputs are at 1. Then the long locking time pulse is also switched through.
  • This is then linked to the control signals for both IGBTs by an AND gate CD4081 each within the third logical subunit (10.3).
  • the control signals are directly connected to the driver inputs. With a 0 at the output of the NAND gate, both control signals for the drivers are blocked. Both IGBTs are non-conductive.
  • FIGS. 6 and 7 Another embodiment example is shown in FIGS. 6 and 7. Compared to the example in FIGS. 4 and 5, it is assumed here that the drivers (2) are not directly connected with short locking time pulse generation devices (9.1).
  • a central short locking time pulse generating device (9.1) is provided in the form of a second monovibrator and the third sub-unit (10.3) of the logical evaluation unit (10) has been supplemented by a logical "and" block.
  • both locking time pulse generation devices (9.1, 9.2) are started by the control signal detection device (8) in the form of the beepers and in the logic evaluation device (10) it is then decided which of the two locking time pulses is applied to the inputs of the drivers (2) be switched through.
  • the device according to the invention and the method could also be integrated in an application-specific component (eg ASIC) in the form of a new ASICS as well as by changing the control of ASICs already used to control inverters.
  • ASIC application-specific component

Abstract

The invention relates to a method and device for reducing the locking time to be maintained between two switching processes in switching elements in power inverters, which is provided to avoid short-circuits in the bridge arms of power inverters. The basis of the invention is that a maintenance of a locking time of conventional duration is only necessary in those cases where current has actually flowed through one of the switching elements. If no current has flowed through the switching element, because the current has flowed through the diode wired in an anti-parallel arrangement to the relevant switching element, then the maintenance of a locking time of significantly reduced duration, in relation to the conventional controllers for the current-carrying case, is sufficient.

Description

Bezeichnung description
Verfahren und Vorrichtung zur Verkürzung der Verriegelungszeiten bei Wechselrichtern Method and device for reducing the locking times for inverters
Be s ehr eibungMore information
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichter-Steuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung. Die Vorrichtung und das Verfahren sorgen für eine Verkürzung der Verriegelungszeiten, welche zum Schutz von Wechselrichter-Schaltelementen vor Kurzschlußströmen eingehalten werden müssen.The invention relates to an inverter control device and a method for operating this device. The device and the method ensure a shortening of the locking times which have to be observed in order to protect inverter switching elements from short-circuit currents.
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der spannungseinprägenden Wechselrichter, welche z.B. zur Steuerung einer elektrischen Maschine eingesetzt werden. Ein solcher Wechselrichter formt eine Gleichspannung, die üb- licherweise aus dem Drehstromnetz durch einen Gleichrichter gewonnen wird und in Kondensatoren mit großer Kapazität gepuffert wird (Zwischenkreis, (ZK)), in eine Wechselspannung um. Gewöhnlich werden in den weit verbreiteten dreiphasigen Wechselrichtern Schalter (1), z.B. IGBTs (Insulated Gate Bi- polar Transistors) in der Konfiguration einer Drehstrombrücke eingesetzt. Fig. la zeigt schematisch einen solchen dreiphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung mit der Gleichspannungsversorgung (20) , welche den Ausgang des Zwischenkreis (ZK) repräsentiert, mit den Schaltern (1) und der elektri- sehen Maschine (11) .The invention relates to the technical field of voltage impressing inverters, which e.g. can be used to control an electrical machine. Such an inverter converts a DC voltage, which is usually obtained from the three-phase network by a rectifier and is buffered in capacitors with large capacitance (intermediate circuit, (ZK)), into an AC voltage. Usually, switches (1), e.g. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) used in the configuration of a three-phase bridge. Fig. La shows schematically such a three-phase inverter in a bridge circuit with the DC voltage supply (20), which represents the output of the intermediate circuit (ZK), with the switches (1) and the electric machine (11).
Die Ausgangsphase jedes Brückenzweiges wird im Gegentakt einmal auf positives oder negatives Potential geschaltet. So entsteht an jeder Phase eine Wechsel-Spannung. Durch entsprechende Induktivitäten in den Phasen fließt ein nahezu sinus- förmiger Strom. Als Induktivitäten reichen zum Teil die Wicklungen eines Motors in der Maschine (21) aus. Anderenfalls werden gewöhnlich zusätzliche Drosseln eingebaut. Fig. lb zeigt die übliche Ausgestaltung eines der drei Brückenzweige des schematischen Aufbaus aus Fig. la. Darin werden als Schalter üblicherweise Schaltelemente (3) , wie z.B. IGBTs, MOSFETs oder Bipolartransistoren verwendet. Erhält z.B. der IGBT an seinem Gate eine positive Spannung gegen den Emitter (z.B. +15V) , so ist er leitend. Wird das Gate auf negative Spannung gebracht (z.B. —IV) , ist der IGBT nach einer bauteilabhängigen Zeitdauer nichtleitend und damit verriegelten Schaltzustand.The output phase of each bridge branch is switched to positive or negative potential once in push-pull. This creates an alternating voltage at every phase. An almost sinusoidal current flows through appropriate inductances in the phases. The windings of a motor in the machine (21) are sufficient as inductors. Otherwise, additional chokes are usually installed. Fig. Lb shows the usual design of one of the three bridge branches of the schematic structure from Fig. La. Switching elements (3), such as, for example, IGBTs, MOSFETs or bipolar transistors, are typically used therein as switches. If, for example, the IGBT receives a positive voltage against the emitter (eg + 15V) at its gate, it is conductive. If the gate is brought to negative voltage (eg —IV), the IGBT is non-conductive after a component-dependent period of time and thus the switching state is locked.
Die Gate-Emitter-Spannung wird im Beispiel der Fig. la durch die Treiber (2) erzeugt, welche den IGBTs direkt vorgeschal- tet sind. Im Stand der Technik sind auch Treiber bekannt, welche die Gate-Emitterspannung nicht selber erzeugen, sondern nur entsprechende Steuersignale in die für IGBTs brauchbare umsetzen. An den Eingang der Treiber der Fig. la werden Steuersignale angeschlossen, die von einer entsprechenden Regelung (z.B. Mikroprozessor oder durch Pulsweitenmodulation) bereitgestellt werden. Erhält der Treiber im Beispiel am Eingang eine logische 1 (bei CMOS/TTL-Technologie entspricht dies zumeist einer Spannung von 5V) , so legt der Treiber am Gate des ent- sprechenden IGBT die positive Spannung an, wodurch dieser leitend wird, bei einer logischen 0 (0V) , sperrt der IGBT. Die Treiber sind dabei in der Regel so aufgebaut, daß sie, im Gegensatz zu reinen Logikschaltungen die notwendigen Ströme zur Ansteuerung des IGBT zur Verfügung stellen können.In the example in FIG. 1 a, the gate-emitter voltage is generated by the drivers (2) which are connected upstream of the IGBTs. Drivers are also known in the prior art which do not generate the gate-emitter voltage themselves, but rather only convert corresponding control signals into those which can be used for IGBTs. Control signals are connected to the input of the drivers of FIG. 1 a, which are provided by a corresponding regulation (e.g. microprocessor or by pulse width modulation). If the driver receives a logical 1 at the input in the example (with CMOS / TTL technology this usually corresponds to a voltage of 5V), the driver applies the positive voltage to the gate of the corresponding IGBT, which makes it conductive, with a logical one 0 (0V), the IGBT blocks. The drivers are usually designed so that, in contrast to pure logic circuits, they can provide the necessary currents to control the IGBT.
Da es sich bei IGBT um Bauteile handelt, die Strom nur in eine Richtung führen können, wird zu jedem IGBT antiparallel eine Diode (4) gesetzt, damit der Stromfluß in beide Richtungen bei beiden Ausgangspolaritäten möglich ist.Since IGBT are components that can only carry current in one direction, a diode (4) is placed antiparallel to each IGBT so that current can flow in both directions at both output polarities.
Ein Problem erscheint beim Abschalten des Bauelements. Die im IGBT verbliebenen Ladungsträger müssen aus dem IGBT abgeführt werden oder innerhalb der Bauteils abgebaut werden. Dies führt zu größeren Schaltverzugszeiten zwischen zwei Schaltvorgängen und einem sog. Kollektorstromschweif (Tailstrom) während des Ausschaltens. Dies bedeutet, daß Unsicherheit darüber besteht, ob der IGBT wirklich ausgeschaltet oder ver- riegelt ist.A problem appears when switching off the component. The charge carriers remaining in the IGBT must be removed from the IGBT or dismantled within the component. This leads to longer switching delay times between two switching processes and a so-called collector current tail (tail current) during switching off. This means that there is uncertainty as to whether the IGBT is really switched off or locked.
Wird nun der eine IGBT eines Brückenzweiges eingeschaltet, obwohl der andere IGBT des gleichen Zweiges noch nicht komplett stromlos ist, besteht die Gefahr einen Kurzschluß über den Zwischenkreis (ZK) zu erzeugen. Zur Vermeidung dieses Schadens ist in der Ansteuerung der IGBTs nach der Abgabe des Abschaltsignals an den einen IGBT eines Brückenzweigs eine „Verriegelungszeit" (Δt_off) genannte Zeitdauer vorgesehen, in welcher der zweite IGBT des Brückenzweiges noch nicht eingeschaltet wird. Diese Verriege- lungszeit ist in den gewöhnlich genutzten Treibern fest oder nicht im laufenden Betrieb wählbar, eingestellt und beträgt je nach IGBT etwa 3 .. 10 μs.If one of the IGBTs of a bridge branch is now switched on, although the other IGBT of the same branch is not yet completely de-energized, there is a risk of generating a short circuit via the DC link. To avoid this damage, the control of the IGBTs after the switch-off signal has been sent to the one IGBT of a bridge arm is provided with a period of time called “locking time” (Δt_off) in which the second IGBT of the bridge arm is not yet switched on. This locking time is in the commonly used drivers, fixed or not selectable during operation, set and, depending on the IGBT, is about 3 ... 10 μs.
In der Literatur sind einige Schriften zur Lösung dieser Pro- blematik bei derartigen Wechselrichter bekannt. So schlägt die DE 198 43 692 zur Umgehung der Kurzschlußproblematik bei Wechselrichtern für die Einspeisung in ein Wechselstromnetz vor, für die Erzeugung jeder Halbschwingung des gewünschten sinusförmigen Ausgangstromes eine eigene Schaltungseinheit vorzusehen.Some writings for solving this problem in such inverters are known in the literature. DE 198 43 692 proposes, in order to circumvent the short-circuit problem with inverters for feeding into an AC network, to provide a separate circuit unit for generating each half-oscillation of the desired sinusoidal output current.
Die DE 198 08 104 schlägt als Lösung vor, mittels mehrerer besonderer Hilfsvorrichtungen, eine VerriegelungsZeitenkompensation durchzuführen. Andere Vorschläge zur Lösung oder Verringerung der Problema- tik schlagen ebenfalls die Einführung von z.T. sehr teuren Hilfs orrichtungen vor. Beispiele dafür sind die DE 198 49 097 oder die EP 01 76 800, welche Verfahren und Vorrichtungen zur Schaltzustandsüberwachung von IGBTs bzw. von Abschaltthyristoren vorschlagen. Nachteile des Standes der TechnikDE 198 08 104 proposes as a solution to carry out a locking time compensation by means of several special auxiliary devices. Other proposals to solve or reduce the problem also suggest the introduction of sometimes very expensive auxiliary devices. Examples of this are DE 198 49 097 or EP 01 76 800, which propose methods and devices for monitoring the switching status of IGBTs or turn-off thyristors. Disadvantages of the prior art
Die Übertragungskennlinie des Umrichters wird durch die Einhaltung der Verriegelungszeiten nichtlinear, was die Regelung der angeschlossenen Maschinen erschwert. Durch eine Verkür- zung der Verriegelungszeiten könnte u.a. die Nichtlinearität reduziert werden.The transmission characteristic of the converter becomes non-linear due to the compliance with the locking times, which makes it difficult to control the connected machines. By shortening the locking times, among other things the non-linearity can be reduced.
In den gewöhnlich erhältlichen Wechselrichtern sind nur solche Ansteuerungsverfahren realisiert, die unabhängig von den möglichen Schaltzuständen der Schaltelemente (3) in den Brü- ckenzweigen immer die gleiche, im laufenden Betrieb nicht veränderbare Verriegelungszeit (Δt_off) zwischen zwei Schaltvorgängen von Schaltelementen in einer Brückenschaltung einhalten. Dadurch muß als einheitliche Verriegelungszeit die längste Verriegelungszeit, in Abhängkeit von den Schaltele- menten (3) eingehalten werden.In the commonly available inverters, only those control methods are implemented that, regardless of the possible switching states of the switching elements (3) in the bridge branches, always adhere to the same locking time (Δt_off) that cannot be changed during operation between two switching operations of switching elements in a bridge circuit. As a result, the longest locking time, depending on the switching elements (3), must be observed as a uniform locking time.
Zur Verdeutlichung wird die Entstehung der Nichtlinearität im folgenden für den häufig vorzufindenden Fall der Ansteuerung eines Wechselrichters mit IGBTs als Schaltelementen (3) in Brückenschaltung gemäß Fig. lb durch Pulsweitenmodulation (PWM) dargestellt: Eine sinusförmige Steuerspannung der gewünschten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters wird verglichen mit einer Dreieckspannung (z.B. 8 kHz, Fig. 2a)). Ist die Sinusspannung größer als die Dreiecksspannung, wird der obere IGBT (3a) auf die Phase geschaltet, ist die Sinusspan- nung kleiner, der untere IGBT (3b) . Da die Frequenz der Dreieckspannung gewöhnlich wesentlich größer ist als die der Sinusspannung, kann man die Sinusspannung als Gerade annähern, wenn nur zwei Schaltperioden betrachtet werden (Fig. 2b)) . Die aus der PWM entstehenden Eingangssignale für die Treiber (2a,b aus Fig. lb) sind in Fig. 2 c) dargestellt, sowie in Fig. 2d) die daraus resultierenden Gate-Emitter-Spannungszeitverläufe mit der in den Treibern fest eingestellten Verriegelungszeiten (Δt_off) . Die Auswirkungen der Verriegelungszeit auf das Potential der Phase sind von der Richtung des Stromflusses abhängig und schlagen sich in den Spannungszeitflächen nieder (Fig. 2 e,f). Bei der Stromrichtung aus der Phase heraus (Fig. 2e) , geht eine gewisse Spannungszeitfläche verloren (ΔV-) , bei Stromfluß in die Phase hinein (Fig. 2f) , wird eine Spannungszeitfläche hinzugewonnen (ΔV+) . Diese Veränderungen in der von der Regelung bestimmten Ausgangsspannung bewirken die Nichtlinearität in der Kennlinie, so daß zwischen Änderungen der Stromrichtung die durch Mittelung entstehende Ausgangsspannung des Wechselrichters entweder kleiner oder größer als die ideale, sinusförmige Aus- gangsspannung ist.For the sake of clarity, the emergence of the non-linearity is shown in the following for the frequently found case of controlling an inverter with IGBTs as switching elements (3) in a bridge circuit according to FIG Delta voltage (e.g. 8 kHz, Fig. 2a)). If the sinusoidal voltage is greater than the triangular voltage, the upper IGBT (3a) is switched to the phase, the sinusoidal voltage is lower, the lower IGBT (3b). Since the frequency of the delta voltage is usually much higher than that of the sinusoidal voltage, the sinusoidal voltage can be approximated as a straight line if only two switching periods are considered (FIG. 2b)). The input signals for the drivers (2a, b from FIG. 1b) resulting from the PWM are shown in FIG. 2c), and in FIG. 2d) the resulting gate-emitter voltage time profiles with the locking times fixed in the drivers ( Δt_off). The effects of the locking time on the potential of the phase depend on the direction of the current flow and are reflected in the voltage time areas (Fig. 2 e, f). With the current direction out of the phase (Fig. 2e), a certain voltage time area is lost (ΔV-), with current flow into the phase (Fig. 2f), a voltage time area is gained (ΔV +). These changes in the output voltage determined by the control result in the non-linearity in the characteristic curve, so that between changes in the current direction, the output voltage of the inverter, which is averaged, is either smaller or larger than the ideal, sinusoidal output voltage.
Weiterhin sorgen die fehlenden bzw. zusätzlichen Spannungszeitflächen für weitere Oberschwingungen niedriger Frequenz, die in einer angeschlossenen Maschine für Pendelungen, d.h. mechanische Schwingungen der Maschine selbst (Rüttelmomente) , sorgen können.Furthermore, the missing or additional voltage time areas ensure further harmonics of low frequency, which in a connected machine cause oscillations, i.e. mechanical vibrations of the machine itself (vibrating moments).
Des weiteren muß die Schaltfrequenz in einem niedrigeren Bereich (hier z.B. 8 kHz) bleiben. Wird die Schaltfrequenz bei gleich großer Verriegelungszeit vergrößert, so wird die relative Einschaltdauer immer kleiner. Es wäre aber von Vorteil die Schaltfrequenz zu erhöhen,, da so der Ausgangs-Strom des Wechselrichters noch näher an die Sinus-Form angenähert werden könnte, was wiederum die Oberschwingungen im Strom und damit die Pendelmomente verringert. Die oben beschriebenen Nachteile ergeben sich natürlich auch bei anderen Ansteuerungsverfahren bei denen Verriegelungszeiten für Schaltelemente vorgesehen sind, wie z.B. bei der Ansteuerung durch Microcontroller.Furthermore, the switching frequency must remain in a lower range (here e.g. 8 kHz). If the switching frequency is increased with the same locking time, the relative duty cycle becomes smaller and smaller. However, it would be advantageous to increase the switching frequency, since this would bring the inverter's output current closer to the sinusoidal shape, which in turn reduces the harmonics in the current and thus the pendulum moments. The disadvantages described above naturally also arise with other control methods in which locking times are provided for switching elements, such as when controlled by a microcontroller.
Aufgabe der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren vorzusehen, so daß Schaltelemente in Wechselrichtern mit Schaltelementen in Brückenschaltung, insbesondere IGBTs, mit möglichst geringer Verriegelungszeit geschaltet werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin eine möglichst einfache und damit kostengünstige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzusehen.The object of the invention The object of the invention is to provide a method so that switching elements in inverters with switching elements in a bridge circuit, in particular IGBTs, can be switched with the shortest possible locking time. Another object of the invention is to provide a device for carrying out the method that is as simple and therefore inexpensive as possible.
Lösung der Aufgabe Die Lösung der Aufgabe basiert darauf, daß eine Einhaltung einer Verriegelungszeit bisher üblicher Dauer nur in den Fällen nötig ist, in welchen wirklich Strom über eines der Schaltelemente (3) geflossen ist. War das Schaltelement stromlos, weil der Strom über die jeweils zum Schaltelement antiparallel geschaltete Diode geflossen ist, so reicht die Einhaltung einer Verriegelungszeit deutlich geringerer Dauer aus, als bisher in den üblichen Steuerungen für den stromführenden Fall vorgesehen ist. Insgesamt sind dazu vier Fälle zu unterscheiden, von denen hier zwei mit IGBTs als Schaltelementen (3) betrachtet werden (Fig. 3.1, 3.2). Die anderen beiden lassen sich einfach aus den betrachteten Fällen ableiten.Solution of the task The solution of the task is based on the fact that it is only necessary to adhere to a locking time that has been usual up to now only in those cases in which current has actually flowed through one of the switching elements (3). If the switching element was de-energized because the current flowed through the diode connected antiparallel to the switching element, it is sufficient to observe a locking time of significantly shorter duration than was previously provided for in the current controls for the current-carrying case. A total of four cases can be distinguished, two of which are considered here with IGBTs as switching elements (3) (Fig. 3.1, 3.2). The other two can easily be derived from the cases considered.
Fall 1: (Lange Verriegelungszeit Δt_off, Fig. 3.1) Die Betrachtung geht davon aus, daß Strom über das obere Schaltelement (3a) aus der Phase heraus fließt. Der Treiber (2a) des oberen Schaltelementes (3a) schaltet das Element (3a) durch Spannungswechsel aus. Die Spannung über das obere Schaltelement (3a) im Hauptstrompfad (UCκ,3a) steigt an, während der entsprechende Strom (Ic,3a (t) ) mit dem charakteristischen Stromschweif abfällt. Da die meist im Lastkreis vorhandenen Induktivitäten ein Abreißen des Stromes verhindern, wechselt dieser auf die untere Diode (4b), ohne daß das untere Schaltelement (3b) eingeschaltet werden mußte. Damit wechselt auch das Potential an der Ausgangsklemme von ZK+ auf ZK-. In diesem Fall würde ein Einschalten des unteren Schaltelements (3b) vor dem Abklingen des Stromes (Ic,3a (t) ) aus dem Schaltelement (3a) zu einem Kurzschluß führen. In diesem Fall muß also eine lange Verriegelungszeit (Δt__off) eingehalten werden, welche näher bestimmt ist durch die Zeit- dauer zwischen dem Zeitpunkt der Abgabe des Abschaltsignals für das Schaltelement bis zum Zeitpunkt an dem der Strom aus diesem Element eine Höhe unterschritten hat, die im Kurzschlußfall noch verträglich für dieses Element ist.Case 1: (Long locking time Δt_off, Fig. 3.1) The observation assumes that current flows out of the phase via the upper switching element (3a). The driver (2a) of the upper switching element (3a) switches the element (3a) off by changing the voltage. The voltage across the upper switching element (3a) in the main current path (U C κ, 3a) increases, while the corresponding current (I c , 3a (t)) drops with the characteristic current tail. Since the inductances usually present in the load circuit prevent the current from being cut off, it switches to the lower diode (4b) without the lower switching element (3b) having to be switched on. This also changes the potential at the output terminal from ZK + to ZK-. In this case, switching on the lower switching element (3b) before the current (I c , 3a (t)) from the switching element (3a) decays would lead to a short circuit. In this case, a long locking time (Δt__off) must be observed, which is determined in more detail by the time Duration between the time the switch-off signal for the switching element is issued until the time at which the current from this element has fallen below a level which is still compatible with this element in the event of a short circuit.
Das Einschalten des Elementes (3b) ist notwendig, da bis zum nächsten von der Steuerung vorgegebenen Schaltsignal der Strom einen Nulldurchgang haben könnte und dann der Stromfluß von der unteren Diode (4b) auf das untere Schaltelement (3b) wechseln können muß, ohne daß ein gesonderter Schaltvorgang stattfinden muß.Switching on the element (3b) is necessary because the current could have a zero crossing until the next switching signal specified by the control and then the current flow from the lower diode (4b) to the lower switching element (3b) must be able to change without one separate switching operation must take place.
Fall 2: (Kurze Verriegelungszeit Δt_off, Fig. 3.2)Case 2: (Short locking time Δt_off, Fig.3.2)
Die Betrachtung geht davon aus, daß Strom über die obere Dio- de (4a), also in die Phase hinein fließt und das obere Schaltelement (3a) leitend geschaltet ist.The consideration assumes that current flows via the upper diode (4a), ie into the phase, and that the upper switching element (3a) is switched on.
Wird nun das obere Schaltelement (3a) durch den Treiber (2a) gesperrt, tritt zunächst noch keine Änderung ein. Weder kom- mutiert der Strom auf ein anderes Bauelement im Brückenzweig, noch ändert sich das Potential der Phase. Beides ändert sich erst, wenn das untere Schaltelement (3b) durch den zugehörigen Treiber (2b) leitend geschaltet wird.If the upper switching element (3a) is now blocked by the driver (2a), no change occurs initially. The current neither commutes to another component in the bridge branch, nor does the potential of the phase change. Both only change when the lower switching element (3b) is switched to conductive by the associated driver (2b).
Zwischen der Sperrung des oberen Schaltelementes (3a) und der Öffnung des unteren Schaltelementes (3b) muß in diesem Fall eine wesentlich kürzere Verriegelungszeit eingehalten werden, als im ersten Fall, wo das obere Schaltelement vor der Schaltung des unteren Elementes stromführend war.Between the blocking of the upper switching element (3a) and the opening of the lower switching element (3b), a much shorter locking time must be observed in this case than in the first case, where the upper switching element was live before switching the lower element.
Die beiden anderen Fälle ergeben sich aus den Fällen 1 und 2, indem jeweils die Richtung des Potentialwechsels der Aus- gangsphase und die Stromrichtung umgekehrt wird.The other two cases result from cases 1 and 2 by reversing the direction of the potential change in the starting phase and the direction of the current.
Im Falle von IGBTs als Schaltelementen würde in dem beschriebenen Fall 2 als kurze Verriegelungszeit eine Verriegelungszeit von max. lμs völlig ausreichen, so daß eine erhebliche Verringerung der Verriegelungszeit - im Vergleich zu den üb- liehen, fest eingestellten langen Verriegelungszeiten zwi- sehen 3 - 10 μs bei konventionellen, nicht fallspezifischen Wechselrichter-Steuerungen - realisiert werden kann.In the case of IGBTs as switching elements, a locking time of max. lμs are completely sufficient so that a considerable reduction in the locking time - compared to the usual, fixed long locking times between see 3 - 10 μs with conventional, not case-specific inverter controls.
Vorteile der Erfindung Die Erfindung besitzt den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, daß in Abhängigkeit des Schaltzustandes der Schaltelemente in Brückenschaltung nur die bauteilbedingt, kürzest mögliche Verriegelungszeit zwischen dem Ausschalten eines Schaltelementes und dem Einschalten des zweiten Schaltelemen- tes in einem Brückenzweig abgewartet wird.ADVANTAGES OF THE INVENTION The invention has the advantage over the prior art that, depending on the switching state of the switching elements in bridge circuit, only the component-dependent, shortest possible locking time between switching off a switching element and switching on the second switching element is waited for in a bridge branch.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in zwei der vier möglichen Schaltzustände sogar eine Verriegelungszeit angewendet werden die unterhalb der bauteilbedingten Zeitdauer der Schaltelemente liegt, welche verstreicht zwischen dem Zeitpunkt der Abgabe des Abschaltsignals für das Schaltelement bis zum Zeitpunkt an dem ein Strom aus diesem Element eine Höhe unterschritten hat, die im Kurzschlußfall noch verträglich für dieses Element ist. With the method according to the invention, in two of the four possible switching states, even a locking time can be applied which is less than the component-related duration of the switching elements, which elapses between the time when the switch-off signal for the switching element is emitted and when a current from this element falls below a level that is still compatible with this element in the event of a short circuit.
BeispieleExamples
Unter Verwendung der beiden Informationen Schaltzustand der Schaltelemente in einem Brückenzweig und Stromrichtung über den Abzweig zwischen den beiden Dioden des Brückkenzweiges kann erfindungsgemäß entschieden werden, ob eine kurze oder lange Verriegelungszeit zwischen zwei Schaltvorgängen innerhalb eines Brückenzweiges einzuhalten ist. Die folgende Tabelle verdeutlicht die vier möglichen Fälle:Using the two pieces of information, the switching state of the switching elements in a bridge branch and the direction of current via the branch between the two diodes of the bridge branch, it can be decided according to the invention whether a short or long locking time between two switching operations within a bridge branch is to be observed. The following table shows the four possible cases:
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Die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden detaillierter durch die folgenden Figuren und Beispiele beschrieben. Es zeigen:The invention and its advantageous embodiments are described in more detail by the following figures and examples. Show it:
Fig. la den prinzipiellen Aufbau eines einstufigen, dreiphasigen Wecheslrichters in BrückenschaltungFig. La the basic structure of a one-stage, three-phase inverter in bridge circuit
Fig. lb die im Stand der Technik übliche Ausgestaltung eines der drei Brückenzweige des schematischen Aufbaus aus Fig. la.Fig. Lb the conventional design of one of the three bridge branches of the schematic structure of Fig. La in the prior art.
Fig. 2 die Entstehung von Nichtlinearitäten bei konventionellen Wechselrichtern mit konventioneller PWM-Ansteuerung von IGBTs als Schaltelementen bei Betrachtung eines Brücken- zweiges. Fig. 3.1 den einen der beiden möglichen von vier Fällen der Schaltzustände innerhalb eines Brückenzweiges, in welchem eine lange Verriegelungszei t zwischen Abschalten des einen und Einschalten des anderen Schaltelementes eingehalten werden muß .2 shows the emergence of non-linearities in conventional inverters with conventional PWM control of IGBTs as switching elements when considering a bridge branch. Fig. 3.1 one of the two possible out of four cases of switching states within a bridge branch, in which a long locking time between switching off the one and switching on the other switching element must be observed.
Fig. 3.2 den einen der beiden möglichen von vier Fällen der Schaltzustände innerhalb eines Brückenzweiges in welchem nur eine kurze Verriegel ungszei t zwischen Abschalten des einen und Einschalten des anderen Schaltelementes eingehalten werden muß .Fig. 3.2 one of the two possible out of four cases of switching states within a bridge branch in which only a short locking time between switching off the one and switching on the other switching element must be observed.
Fig. 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Brückenzweig als Blockschalt- bild.4 shows an advantageous embodiment of the device according to the invention for a bridge branch as a block diagram.
Fig. 5 eine beispielhafte Bestückung der vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 5 shows an exemplary assembly of the advantageous embodiment of the device according to the invention.
Fig. 6 eine weitere vorteilhaft Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockbild für den Fall, daß den Treibern (2) keine Kurze-Verriegelungszeitimpuls- Erzeugungseinrichtungen unmittelbar vorgelagert sind.Fig. 6 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention as a block diagram for the case in which the drivers (2) are not immediately upstream of short locking timing pulse generating devices.
Fig. 7 eine beispielhafte Bestückung der Ausgestaltung nach Fig. 6.FIG. 7 shows an example of the configuration according to FIG. 6.
Die Fig. 4 und 5 beschreiben als Blockbild und in einem konkreten Bestückungsbeispiel eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer beispielhaften Vorrichtung bei der die Erzeugung der kurzen Verriegelungszeitimpulse in den den Treibern (2a, b) vorgeschalteten Kurze- Verriegelungzeitimpuls-Erzeugungseinrichtungen (9.1) vorgesehen ist und die Erzeugung des langen Verriegelungs- zeitimpulses in der Vorrichtung (9.2) vorgesehen ist. Das Signal eines üblicherweise in Wechselstromrichtern vorgesehenen Stromwandlers wird in der Stromrichtungssignal- Erfassungseinheit (6) auf einen schnellen Komparator vom Typ LM311 N geführt. Dieser vergleicht das Signal mit Massepoten- tial. Ist das Stromwandlersignal positiv (Strom fließt aus der Phase heraus) , liegt am Komparator-Ausgang eine logische Eins (5 V) . Umgekehrt dazu liefert der Komparator eine Null, wenn der Strom in die Phase hineinfließt. Das Komparator-Ausgangssignal wird in der Stromrichtungssig- nal-Speichereinrichtung (7) an den Dateineingang eines D- Flip-Flops CD4013 (D-FF) angelegt. Das D-FF ist so geschaltet, daß es den Zustand (1 oder 0) des Signals am Dateneingang 0 auf den Ausgang Q durchschaltet, wenn es eine positive Triggerflanke am CLK-Eingang erhält. Diese Schaltung sorgt dafür, daß eine Änderung der Stromrichtung während der Generierung des Verriegelungszeitimpulses nicht zum Abbruch der Generierung bzw. des Anlegens dieses Verriegelungszeitimpuls an die Eingänge der Treiber (2) führt, sondern daß dieser Impuls weiterhin auf die Treibereingänge durchgeschaltet bleibt.4 and 5 describe, as a block diagram and in a specific assembly example, an advantageous embodiment of the method according to the invention and an exemplary device in which the generation of the short locking time pulses is provided in the short locking time pulse generation devices (9.1) connected upstream of the drivers (2a, b) and the generation of the long locking time pulse is provided in the device (9.2). The signal from a current transformer normally provided in alternating current converters is passed in the current direction signal detection unit (6) to a fast comparator of the LM311 N type. This compares the signal with ground potential. If the current transformer signal is positive (current flows out of the phase), there is a logic one (5 V) at the comparator output. Conversely, the comparator supplies a zero when the current flows into the phase. The comparator output signal is applied in the current direction signal storage device (7) to the file input of a D flip-flop CD4013 (D-FF). The D-FF is switched so that it switches the state (1 or 0) of the signal at data input 0 through to output Q when it receives a positive trigger edge at the CLK input. This circuit ensures that a change in the current direction during the generation of the locking time pulse does not lead to the termination of the generation or the application of this locking time pulse to the inputs of the drivers (2), but that this pulse remains switched through to the driver inputs.
In der Steuersignalerfassungseinrichtung (8) werden Trigger- Signale erzeugt um bei jedem Ausschaltvorgang, die Stromrichtung neu zu speichern. Dazu werden die Steuersignale für TOP- und BOT-IGBT in der Steuersignal-Erfassungeinrichtung (8) auf eine Reihe von NOR-Gattern CD4001 geführt. Diese bilden einen sogenannten "Beeper". Wenn eine fallende Flanke am Eingang eines "Beepers" ankommt, erscheint am Ausgang für wenige 100 ns ein kurzer Impuls. Werden die Signale der beiden Bee- per mit einem Oder-Gatter CD4071 als Teil der Steuersignal- Erfassungseinrichtung (8) verknüpft, so entsteht am Ausgang der Einrichung (8) immer dann ein weniger 100 ns kurzer Impuls, wenn einer der beiden IGBTs abgeschaltet wurde. Um bei jedem Ausschaltvorgang eines IGBTs die Stromrichtung neu zu speichern wird der Ausgang von (8) mit der Stromrichtungssignal-Speichereinrichtung (7) verbunden. Weiterhin wird das Ausgangssignal der Steuersignal- Erfassungseinrichtung (8) auch innerhalb der Lange- Verriegelungszeit-Erzeugungseinrichtung ( 9. 2 ) an den Triggereingang eines monostabilen Multivibrators CD4047 angeschlos- sen. Dieser sog. Monovibrator erzeugt bei jeder positivenTrigger signals are generated in the control signal detection device (8) in order to store the current direction again each time the device is switched off. For this purpose, the control signals for TOP and BOT IGBTs are routed to a series of NOR gates CD4001 in the control signal detection device (8). These form a so-called "beeper". When a falling edge arrives at the input of a "beeper", a short pulse appears at the output for a few 100 ns. If the signals of the two beers are linked with an OR gate CD4071 as part of the control signal detection device (8), a pulse of less than 100 ns is always produced at the output of the device (8) when one of the two IGBTs has been switched off , In order to store the current direction again each time an IGBT is switched off, the output of (8) is connected to the current direction signal storage device (7). Furthermore, the output signal of the control signal detection device (8) is also connected to the trigger input of a monostable multivibrator CD4047 within the long locking time generation device (9.2). This so-called monovibrator produces positive signals for everyone
Flanke an +T einen etwa 10 μs langen Impuls an seinem Ausgang Q. Dieser Impuls entspricht dem langen Verriegelungszeitimpuls . Abschließend wird mit einer logischen Auswerteeinheit (10) entschieden, ob der lange Verriegelungszeitimpuls der Einrichtung (9.2) an die Eingänge der Treiber (2) weitergegeben wird. Das gespeicherte Signal der Stromrichtung wird innerhalb der ersten Auswerte-Untereinheit (10.1) durch ein Exklu- siv-Oder CD4030 (X-OR) mit dem Steuersignal des TOP-IGBT ver- knüpft. Das X-OR nimmt am Ausgang dann High-Potential an, wenn einer der Eingänge auf High- und der andere auf Low- Potential liegt. In diesem Fall ist der lange Verriegelungszeitimpuls auf die Treiber durchzuschalten. Der Ausgang des X-OR liegt genau dann auf 1, wenn eine langer Verriegelungs- zeitimpuls erforderlich ist.Edge at + T has an approximately 10 μs long pulse at its output Q. This pulse corresponds to the long locking time pulse. Finally, a logical evaluation unit (10) decides whether the long locking time pulse from the device (9.2) is passed on to the inputs of the drivers (2). The stored signal of the current direction is linked with the control signal of the TOP-IGBT within the first evaluation subunit (10.1) by an exclusive OR CD4030 (X-OR). The X-OR assumes high potential at the output when one of the inputs is at high potential and the other at low potential. In this case, the long locking time pulse must be switched through to the drivers. The output of the X-OR is 1 if and only if a long locking time pulse is required.
Das Ausgangssignal des X-OR wird jetzt noch innerhalb der zweiten logischen Untereinheit (10.2) durch ein NAND-Gatter CD4081 mit dem Ausgangssignal des Monovibrators d.h. der Lan- ge-Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtung (9.2) ver- knüpft. Das NAND-Gatter gibt am Ausgang genau dann eine 0 aus, wenn beide Eingänge auf 1 liegen. Dann wird auch der lange Verriegelungszeitimpuls durchgeschaltet. Dieser wird dann mit den Steuersignalen für beide IGBTs durch je ein UND- Gatter CD4081 innerhalb der dritten logischen Untereinheit (10.3) verknüpft. Solange das NAND-Gatter eine 1 ausgibt, sind die Steuersignale direkt auf die Treiber-Eingänge durchgeschaltet. Bei einer 0 am Ausgang des NAND-Gatters werden beide Steuersignal für die Treiber gesperrt. Beide IGBTs sind nichtleitend geschaltet. Erst nach Ablauf des lange Verriege- lungszeitimpulses, kann einer der beiden IGBTs eingeschaltet werden. Eine weiteres Ausgestaltungsbeispiel zeigen die Fig. 6 und 7. Gegenüber dem Beispiel in Fig. 4 und 5 wird hier davon ausgegangen, daß den Treibern (2) keine Kurze- Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtungen (9.1) unmittelbar vorgeschaltet sind.The output signal of the X-OR is now linked within the second logic subunit (10.2) by a NAND gate CD4081 with the output signal of the monovibrator, ie the long-lock time pulse generator (9.2). The NAND gate outputs a 0 at the output if and only if both inputs are at 1. Then the long locking time pulse is also switched through. This is then linked to the control signals for both IGBTs by an AND gate CD4081 each within the third logical subunit (10.3). As long as the NAND gate outputs a 1, the control signals are directly connected to the driver inputs. With a 0 at the output of the NAND gate, both control signals for the drivers are blocked. Both IGBTs are non-conductive. Only after the long locking time pulse has elapsed can one of the two IGBTs be switched on. Another embodiment example is shown in FIGS. 6 and 7. Compared to the example in FIGS. 4 and 5, it is assumed here that the drivers (2) are not directly connected with short locking time pulse generation devices (9.1).
Gegenüber Fig. 4 und 5 wird eine zentrale Kurze-Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtungen (9.1) in Form eines zweiten Monovibrators vorgesehen und die dritte Untereinheit (10.3) der logischen Auswertungseinheit (10) wurde um einen logischen ,,Und"~Baustein ergänzt.Compared to FIGS. 4 and 5, a central short locking time pulse generating device (9.1) is provided in the form of a second monovibrator and the third sub-unit (10.3) of the logical evaluation unit (10) has been supplemented by a logical "and" block.
In diesem Ausführungsbeispiel werden beide Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtungen (9.1, 9.2) durch die Steuersignal-Erfassungseinrichtung (8) in Form der Beeper gestartet und in der logischen Auswerteeinrichtung (10) wird dann entschieden, welche der beiden Verriegelungszeitimpulse auf die Eingänge der Treiber (2) durchgeschaltet werden.In this exemplary embodiment, both locking time pulse generation devices (9.1, 9.2) are started by the control signal detection device (8) in the form of the beepers and in the logic evaluation device (10) it is then decided which of the two locking time pulses is applied to the inputs of the drivers (2) be switched through.
Weitere Ausgestaltungsbeispiele ergeben sich durch den Ein- satz von Software, in dem z.B. ein Mikroprozessor die Einschaltsignale für die Schaltelemente (3) berechnet und durch Zuführung des Stromrichtungssignales der Mikroprozessor die Einschaltsignale entsprechend der benötigten Verriegelungszeit erfindungsgemäß verzögert. Dadurch würde der Schaltungs- aufwand weiter reduziert.Further design examples result from the use of software, in which e.g. a microprocessor calculates the switch-on signals for the switching elements (3) and, by supplying the current direction signal, the microprocessor delays the switch-on signals according to the required locking time. This would further reduce the circuitry.
Weiterhin könnte die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren auch in einem anwendungsspezifischen Baustein (z.B. ASIC) integriert werden in Form eines neuen ASICS als auch durch Veränderung der Steuerung bereits zur Steuerung von Wechselrichtern verwendeter ASICs. BezugszeichenlisteFurthermore, the device according to the invention and the method could also be integrated in an application-specific component (eg ASIC) in the form of a new ASICS as well as by changing the control of ASICs already used to control inverters. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schalter1 switch
2 Treiber 3 Schaltelement2 drivers 3 switching element
4 Diode4 diode
5 Abgriff für Stromrichtungsbestimmung5 Tap for determining the current direction
6 Stromrichtungssignal-Erfassungseinrichtung6 current direction signal detection device
7 Stro richtungssignal-Speichereinrichtung 8 Steuersignal-Erfassungseinrichtung7 Stro directional signal storage device 8 control signal detection device
9.1 Kurze-Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtung9.1 Short lock time pulse generator
9.2 Lange-Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungseinrichtung9.2 Long lock timing pulse generator
10 Logische Auswertungseinheit 10.1 Erste Untereinheit 10.2 Zweite Untereinheit 10.3 Dritte Untereinheit10 Logical evaluation unit 10.1 First subunit 10.2 Second subunit 10.3 Third subunit
11 Steuersignal-Leitungen für die Treiber der Schaltelemente (3)11 control signal lines for the drivers of the switching elements (3)
20 Gleichspannung des Zwischenkreises 21 Elektrische Maschine20 DC voltage of the intermediate circuit 21 Electrical machine
AS AbschaltsignalAS shutdown signal
ZK ZwischenkreisDC link intermediate circuit
(ΔV-) Negative Spannungszeitfläche(ΔV-) Negative voltage time area
(ΔV+) Positive Spannungszeitfläche Δt off Verriegelungszeit (impuls) (ΔV +) Positive voltage time area Δt off locking time (impulse)

Claims

Schutzansprüche protection claims
1. Verfahren zur Ansteuerung von Schaltelementen (3) in einstufigen Wechselrichtern mit je einem Schaltelement in der einen von zwei Brückenhälften je Brückenzweig und mit jeweils einer antiparallel zu einem Schaltelement geschalteten Diode (4), wobei jedes Schaltelement über einen eigenen Treiber (2) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, - daß die Richtung des Stromes über den Abzweig zwischen den beiden Dioden eines Brückenzweiges erfaßt und als Stromrichtungssignal gespeichert wird,1. A method for controlling switching elements (3) in single-stage inverters, each with a switching element in one of two bridge halves per bridge branch and with one diode (4) connected antiparallel to a switching element, each switching element being controlled by its own driver (2) is characterized in that the direction of the current is detected via the branch between the two diodes of a bridge branch and is stored as a current direction signal,
- daß die Steuersignale des oberen oder/und unteren Treibers erfaßt werden und, - daß in Abhängigkeit des Stromrichtungssignals und der- That the control signals of the upper and / or lower driver are detected and, - That depending on the current direction signal and
Steuersignale des oberen oder/und unteren Treibers entweder ein kurzer oder langer Verriegelungszeitimpuls an das obere oder/und untere Schaltelement (3) angelegt wird, wobei der kurze Verriegelungszeitimpuls kürzerer Dauer ist, als die bauteilspezifische Dauer, welche zum Kurzschlußstromschutz der Schaltelemente (3) eingehalten werden muß .Control signals of the upper or / and lower driver either a short or long locking time pulse is applied to the upper or / and lower switching element (3), the short locking time pulse being shorter in duration than the component-specific duration which is observed for short-circuit current protection of the switching elements (3) must become .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromrichtung aus der Phase, bei gesperrtem unterem2. The method according to claim 1, characterized in that with current direction out of phase, with locked lower
Schaltelement (3b) und leitendem oberen Schaltelement (3a) nach der Abgabe des Sperrsignals an das obere Schaltelement ein langer Verriegelungszeitimpuls bis zum erneuten Einschalten eines der beiden oder beider Schalt- elemente abgewartet wird und daß bei Stromrichtung in die Phase, bei gesperrtem unterem Schaltelement (3b) und leitendem oberen Schaltelement (3a) nach der Abgabe des Sperrsignals an das obere Schaltelement (3a) ein kurzer Verriegelungszeitimpuls bis zum erneuten Einschalten ei- nes der beiden oder beider Schaltelemente abgewartet wird, wobei sich die beiden noch verbleibenden Schaltsi- tuationen für das Abwarten eines weiteren langen und kurzen Verriegelungszeitimpulses dadurch ergeben, daß in den genannten Situationen die jeweils andere Stromrichtung angenommen wird. Switching element (3b) and conductive upper switching element (3a) after the blocking signal has been sent to the upper switching element, a long locking time pulse is waited until one of the two or both switching elements is switched on again and that the current flows into phase, with the lower switching element locked ( 3b) and the conductive upper switching element (3a) after the blocking signal has been given to the upper switching element (3a), a short locking time pulse is waited until one of the two or both switching elements is switched on again, the two remaining switching elements tuations for waiting for another long and short locking time pulse result from the fact that in the situations mentioned the other direction of current is assumed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Treibern (2) oder ein in der Schaltung generierter Kurzer-Verriegelungzeitsimpuls kürzerer Dauer als der bauteilspezifisch zum Kurzschlußstromschutz einzuhaltender Dauer durch die Erzeugung eines zweiten Ver- riegelungzeitimpulses auf die Dauer des zum3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the drivers (2) or a generated in the circuit short lock time pulse shorter duration than the component-specific duration to be protected for short-circuit current protection by generating a second locking time pulse to the duration of to the
Kurzschlußstromschutz einzuhaltenden Verriegelungszeitimpulses verlängert wird. Short-circuit current protection to be observed locking time pulse is extended.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - daß die Steuersignale der Treiber erfaßt und im Falle des Auftretens einer negativen Flanke in einem der Steuersignale ein Abschaltsignal (AS) erzeugt wird,4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that - the control signals of the drivers are detected and in the event of the occurrence of a negative edge in one of the control signals a shutdown signal (AS) is generated,
- daß die aktuelle Stromrichtung bei jedem Abschaltsignal neu abgespeichert wird, - daß bei jedem Abschaltsignal ein Lange-- that the current direction of current is saved again with each switch-off signal,
Verriegelungszeitimpuls einstellbarer Dauer, bevorzugt längerer Dauer als in der in den Treibern eingestellter Dauer, maximal jedoch der Dauer der bauteilspezifisch zum Kurzschlußschutz einzuhaltenden Verriegelungszeit der Schaltelemente, erzeugt wird,Locking time pulse of adjustable duration, preferably a longer duration than the duration set in the drivers, but at most the duration of the locking time of the switching elements to be observed for the component for short-circuit protection, is generated,
- daß das Stromrichtungssignal mit dem Steuersignal aus den Leitungen (11) des oberen Schaltelementes logisch „exklusiv-oder" verknüpft wird zur Bildung eines Lange- Verriegelungszeit-Signals (LTZ-Signal) , - daß das LTZ-Signal mit dem Lange-- That the current direction signal with the control signal from the lines (11) of the upper switching element is logically "exclusive or" linked to form a long locking time signal (LTZ signal), - that the LTZ signal with the long
Verriegelungszeitimpuls logisch „nicht und" verknüpft wird zur Ausbildung eines Treiber-Sperrsignales während das LTZ-Signal gesetzt ist, undLocking time pulse is logically "not and" linked to form a driver disable signal while the LTZ signal is set, and
- daß das Treiber-Sperrsignal logisch „und" verknüpft wird mit den Steuersignalen für jeden der beiden Treiber in einem Brückenzweig. - That the driver disable signal is logically "and" linked to the control signals for each of the two drivers in a bridge branch.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Treiber ein Mikroprozessor verwendet wird, so daß die Erfassung der Steuersignale für die Treiber innerhalb des Prozessors ablaufen und daß dem5. The method according to claim 1, characterized in that a microprocessor is used to control the drivers so that the detection of the control signals for the drivers within the processor and that
Prozessor das Stromrichtungssignal einer Stromrichtungs- Erfassungseinrichtung (6) zugeführt wird.Processor the current direction signal of a current direction detection device (6) is supplied.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 umfassend jeweils einen Treiber (2), mit einer vorgeschalteten Kurze-Verriegelungszeitimpuls- Erzeugungseinrichtung (9.1) zur Erzeugung von Verriegelungsimpulsen mit einer Dauer, die unterhalb der bauteilspezifisch erforderlichen Verriegelungszeit des ange- schlossenen Schaltelements liegt für jedes der beiden Schaltelemente (3) , weiter umfassend eine Ansteuerung, insbesondere basierend auf Pulsweitenmodulation oder auf Raumzeigermodulation für die Treiber (2) und einen Stromwandler mit jeweils einem Abgriff (5) zwischen den beiden Dioden (4) eines Brückenzweiges, gekennzeichnet durch,6. Device for carrying out the method according to claim 1, each comprising a driver (2), with an upstream short locking time pulse generating device (9.1) for generating locking pulses with a duration that is below the component-specific required locking time of the connected switching element for each of the two switching elements (3), further comprising a control, in particular based on pulse width modulation or space vector modulation for the drivers (2) and a current transformer, each with a tap (5) between the two diodes (4) of a bridge arm, characterized by
- eine Stromrichtungssignal-Erfassungseinrichtung (6) zum Erfassen der Stromrichtung über den Abzweig zwischen den Dioden eines Brückenzweiges und zur Ausbildung eines entsprechenden Stromrichtungssignales; - eine Stromrichtungssignal-Speichereinrichtung (7) zur Speicherung des Stromrichtungssignals aus (6);- A current direction signal detection device (6) for detecting the current direction via the branch between the diodes of a bridge arm and for forming a corresponding current direction signal; - A current direction signal storage device (7) for storing the current direction signal from (6);
- eine Steuersignal-Erfassungseinrichtung (8) zur Erfassung der Steuersignale der Leitungen (11) für die beiden Treiber (2) und zur Erzeugung eines Abschaltsignals (AS) aus den Steuersignalen, wenn eines der Steuersignale eine negative Flanke aufweist;- A control signal detection device (8) for detecting the control signals of the lines (11) for the two drivers (2) and for generating a switch-off signal (AS) from the control signals if one of the control signals has a negative edge;
- eine Lange-Verriegelungszeitimpuls-- a long lock time pulse
Erzeugungseinrichtung (9.2) zur Erzeugung von langen Verriegelungszeitimpulsen einstellbarer Dauer für die Trei- ber (2) , wobei die Dauer vorzugsweise gleich oder größer der minimal bauteilspezifisch einzuhaltenden Verriege- lungszeit der verwendeten Schaltelemente ist; - eine logische Auswertungseinheit (10), welche eine erste logische Untereinheit (10.1) umfaßt, die das gespeicherte Stromrichtungssignal aus (7) logisch mit dem Steuersignal des oberen oder unteren Schaltelementes (3) des Brückenzweiges derart verknüpft das ein Lange-Verriegelungszeit-Signal nur in den beiden Fällen erzeugt wird, wo a) der Strom aus der Phase heraus fließt und der Strom zeitlich nacheinander zunächst über das obere Schaltelement (3) und dann über die untere Diode fließt oder b) der Strom in die Phase hinein fließt und der Strom zeitlich nacheinander zunächst über das untere Schaltelement (3) und dann über die obere Diode fließt; eine zweite logische Untereinheit (10.2) umfaßt, die das Ausgangssignal der ersten Untereinheit (10.1) logisch mit den langen Verriegelungszeit-Impulsen der entsprechenden Einrichtung (8) verknüpft und eine dritte logische Untereinheit (10.3) umfaßt, die das Ausgangssignal der zweiten logischen Untereinheit (10.2) so mit den beiden Steuersignalen der Treiber (2) der Steuersignalleitungen (11) verknüpft, daß in den oben genannten Fällen a) und b) beide Steuersignale der konventionellen Ansteuerung für die Treiber (2) gesperrt sind und die von der logischen Untereinheit (10.3) das denGeneration device (9.2) for generating long locking time pulses of adjustable duration for the drivers (2), the duration preferably being equal to or greater than the minimum component-specific locking requirements is the switching elements used; - A logical evaluation unit (10), which comprises a first logical sub-unit (10.1), which logically links the stored current direction signal from (7) with the control signal of the upper or lower switching element (3) of the bridge arm in such a way that a long locking time signal only is generated in the two cases where a) the current flows out of the phase and the current flows successively first over the upper switching element (3) and then over the lower diode or b) the current flows into the phase and the current sequentially flows first over the lower switching element (3) and then over the upper diode; comprises a second logical subunit (10.2), which logically combines the output signal of the first subunit (10.1) with the long locking time pulses of the corresponding device (8) and comprises a third logical subunit (10.3) which contains the output signal of the second logical subunit ( 10.2) linked to the two control signals of the drivers (2) of the control signal lines (11) in such a way that in the above-mentioned cases a) and b) both control signals of the conventional control are blocked for the drivers (2) and that are generated by the logical subunit ( 10.3) that the
Schaltelementen (2) entsprechende Sperr-Signal abgegeben wird.Switching elements (2) corresponding lock signal is emitted.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet daß, die Stromrichtungs-Erfassungseinrichtung (6) einen Kompa- rator umfaßt welcher das Stromsignal vom Stromwandler am Abgriff (5) mit dem Massepotenzial vergleicht und verbunden ist mit der Stromrichtungssignal-Speichereinrichtung (7).7. The device according to claim 6, characterized in that the current direction detection device (6) comprises a comparator which compares the current signal from the current transformer at the tap (5) with the ground potential and is connected to the current direction signal storage device (7).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7 dadurch ge- kennzeichnet daß, die Stromrichtungssignal- Speichereinrichtung (7) ein D-Flip-Flop, umfaßt, welches bei Anlegen einer Triggerflanke an einem Eingang den Zustand des Dateneingangs auf den Ausgang schaltet und verbunden ist mit der Steuersignal-Erfassungseinrichtung (8) , der Lange-Verriegelungszeitimpuls- Erzeugungseinrichtung (9) und der logischen Auswertungseinheit (10) .8. Device according to one of claims 6 to 7, character- ized in that the current direction signal storage device (7) comprises a D flip-flop, which when a trigger edge is applied to an input, the state of the data input switches to the output and is connected to the control signal detection device (8), the long locking time pulse generation device (9) and the logical evaluation unit (10).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet daß, die Steuersignal-Erfassungseinrichtung (8) zwei Reihen von mindestens 4 NOR-Gattern (sogenannte Beeper) umfassen, welche in Parallelschaltung verschaltet mit einem Oder-Gatter verbunden sind, wobei die eine Reihe verbunden ist mit der Signalleitung (11) des oberen Treibers und die andere mit der des unteren Treibers und wobei das Oder-Gatter des Ausgangs von (8) verbunden ist mit der Stromrichtungssignal-Speichereinrichtung (7) und mit der Lange-Verriegelungszeitimpuls-Erzeugungs- einrichtung (9) .9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the control signal detection device (8) comprise two rows of at least 4 NOR gates (so-called beeper), which are connected in parallel with an OR gate, the one Series is connected to the signal line (11) of the upper driver and the other to that of the lower driver and the OR gate of the output of (8) is connected to the current direction signal storage means (7) and to the long lock timing pulse generator - device (9).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet daß, die Lange-Verriegelungszeitimpuls- Erzeugungseinrichtung (9) einen monostabilen Multivibra- tor, vorzugsweise einen Monovibrator mit einstellbarer Pulsdauer umfaßt, welche mit der Stromrichtungssignal- Speichereinrichtung (7), der Steuersignal- Erfassungseinrichtung (8) und der Logische Auswertungs- einheit (10) verbunden ist.10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the long locking time pulse generating device (9) comprises a monostable multivibrator, preferably a monovibrator with an adjustable pulse duration, which with the current direction signal memory device (7), the control signal Detection device (8) and the logical evaluation unit (10) is connected.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet daß, die Logische Auswerteinheit (10)11. The device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the logical evaluation unit (10)
- eine erste Untereinheit (10.1) mit einem „exklusiv- oder"-Bauteil umfaßt, welches mit der Stromrichtungssig- nal-Speichereinrichtung (7) und der Steuerleitung (11) des oberen Treibers (2a) verbunden ist;- A first sub-unit (10.1) with an "exclusive or" component, which is connected to the current direction signal storage device (7) and the control line (11) of the upper driver (2a);
- eine zweite Untereinheit (10.2) mit einem „Nicht und"- Bauteil umfaßt, welches mit dem Ausgang von (10.1) und dem Ausgang der Lange-Verriegelungszeitimpuls- Erzeugungseinrichtung (9) verbunden ist;- A second sub-unit (10.2) with a "not and" - component, which is connected to the output of (10.1) and the output of the long-locking time pulse generating device (9);
- eine dritte Untereinheit (10.3) mit jeweils einem „Und"-Bauteil für jeden der Treiber (2a, b), wobei die beiden Und-Bauteile am einen Eingang parallel vom Ausgang der Untereinheit (10.2) angesteuert werden und das eine Und-Bauteil am anderen Eingang vom Steuersignal des obe- ren Treibers und das zweite Bauteil am anderen Eingang vom Steuersignal des unteren Treibers angesteuert wird und wobei die Ausgänge der Und-Bauteile entsprechend der Ansteuerung der Steuersignale mit dem oberen oder unteren Schaltelement (3) verbunden sind.- a third subunit (10.3) with one each "And" component for each of the drivers (2a, b), the two AND components at one input being controlled in parallel by the output of the subunit (10.2) and the one AND component at the other input by the control signal from the upper driver and the second component at the other input is controlled by the control signal of the lower driver and the outputs of the AND components are connected to the upper or lower switching element (3) in accordance with the control of the control signals.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 umfassend jeweils einen Treiber (2) , umfassend eine Ansteuerung, insbesondere basierend auf Pulsweitenmodulation oder auf Raumzeigermodulation für die Treiber (2) und einen Stromwandler mit jeweils einem Abgriff (5) zwischen den beiden Dioden (4) eines Brückenzweiges, dadurch gekennzeichnet daß, zur Erzeugung des Kurze-/Lange- Verriegelungszeitimpulses jeweils nur eine einzige Einrichtung (9.1/9.2) vorgesehen ist.12. The device for performing the method according to claim 1, each comprising a driver (2), comprising a control, in particular based on pulse width modulation or space vector modulation for the drivers (2) and a current transformer, each with a tap (5) between the two diodes ( 4) a bridge branch, characterized in that only a single device (9.1 / 9.2) is provided for generating the short / long locking time pulse.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß, zur Durchführung des Verfahrens ein Mikroprozessor oder ASIC vorgesehen ist. 13. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that a microprocessor or ASIC is provided for performing the method.
Anhängende ZeichnungenAttached drawings
Anzahl Anhängende Zeichnungen:Number of attached drawings:
Insgesamt 7 Figuren auf 8 Blättern. A total of 7 figures on 8 sheets.
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