WO2015007394A1 - Verfahren zur überwachung wenigstens eines igbts auf alterung innerhalb einer arbeitsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Alterung wenigstens eines IGBTs bzw. IGBT-Moduls der Leistungselektronik einer Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Erdbewegungs- bzw. Baumaschine oder Flurförderzeug, wobei während des Maschinenbetriebs über eine geeignete Messschaltung die Sättigungsspannung des IGBTs bzw. IGBT-Moduls gemessen und auf eine Spannungsänderung hin überprüft wird.

Description

Verfahren zur Überwachung wenigstens eines IGBTs auf Alterung innerhalb

Arbeitsmaschine

Die Erfindung betrifft allgemein Arbeitsmaschinen mit einer Leistungselektronik umfassend sogenannte IGBTs. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Alterung wenigstens eines IGBTs bzw. IGBT-Moduls der Leistungselektronik einer Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Erdbewegungsmaschine oder Flurförderzeug.

Innerhalb der Leistungselektronik von Arbeitsmaschinen werden regelmäßig Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor, kurz IGBT) verwendet. Bipolartransistoren zeichnen sich durch ein gutes Durchlassverhalten, eine hohe Sperrspannung sowie eine extreme Robustheit aus, deren An- steuerung nahezu leistungslos erfolgen kann.

In der Leistungselektronik wird oftmals von IGBT-Modulen gesprochen, die sich aus ein oder mehreren IGBTs sowie gegebenenfalls anderen Bauteilen zusammensetzen und bestimmte Funktionen der Leistungselektronik übernehmen. Je nach Anwendungsfall werden die Bipolartransistoren bewusst in Sättigung betrieben, um diese als Halbleiterschaltelement innerhalb der Leistungselektronik einzusetzen. Als Sättigungsbetrieb wird der vollständig leitende Zustand des Halbleiterelementes bezeichnet. Befindet sich der Transistor in Sättigung, stellt die Kollektor-Emitter- Spannung die Sättigungsspannung dar.

Oftmals kommen IGBT-Module bei elektrischen Antriebssystemen einer Arbeitsmaschine zum Einsatz, beispielsweise als Umrichter, Spannungssteiler, etc.. Diese Module unterliegen thermischem Stress durch Lastwechsel sowie äußeren thermischen Einflüssen, wodurch der Alterungsprozess des IGBTs bzw. IGBT-Moduls maßgeblich mitbestimmt wird. Ab einem bestimmten Grad der Alterung kommt es zu einem gehäuften Fehlverhalten des IGBTs und ein sicherer Betrieb des gesamten Moduls kann nicht mehr gewährleistet werden. Es kann zu lokalen Überlastungen im Inneren des Moduls mit weitreichenden Konsequenzen kommen.

Das Fehlverhalten der IGBT-Module innerhalb der Leistungselektronik einer Arbeitsmaschine kann nämlich zu hohen Folgeschäden der Leistungselektronik sowie weiterer verschalteter Komponenten wie Antriebe, Speichermittel, etc. führen. Aus diesem Grund werden IGBT-Module präventiv gewechselt, um das Risiko für auftretende Fehler zu minimieren. Das Wechselintervall bestimmt sich durch Erfahrungswerte, die den üblichen Alterungsprozess unter erwartbaren Voraussetzungen abschätzen. Bei einer frühzeitigen Alterung aufgrund unvorhergesehener Betriebsbedingungen ist ein vorbeugender Austausch wertlos und das Ereignis führt zu den oben beschriebenen Ausfällen mit hoher Schadensumme.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Überwachung der Alterung wenigstens eines IGBTs bzw. eines IGBT-Moduls der Leistungselektronik einer Arbeitsmaschine aufzuzeigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2-7. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt vorzugsweise zur Anwendung innerhalb der Leistungselektronik eines Krans, einer Baumaschine/Erdbewegungsmaschine oder eines Flurförderzeugs. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb der Leistungselektronik eines Muldenkippers bzw. eines Contai- nerkrans eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass sich die Sättigungsspannung eines IGBTs bzw. IGBT-Moduls in Abhängigkeit seiner Alterung verändert. Beispielsweise steigt die Sättigungsspannung mit einer zunehmenden Anzahl an erfolgten Schaltvorgängen des IGBTs bzw. IGBT-Moduls an. Die Zunahme der Sättigungsspannung wird weiter durch äußere thermische Einflüsse beschleunigt. Das erfindungsgemäße Verfahren nutz die Sättigungsspannung als Indikator für den Alterungsfortschritt eines IGBTs bzw. IGBT-Moduls während des Maschinenbetriebs. Konkret wird vorgeschlagen, während des Maschinenbetriebs über eine geeignete Messschaltung die Sättigungsspannung des IGBTs bzw. IGBT-Moduls zu messen. Der Messwert wird sodann auf eine mögliche Spannungsänderung hin überprüft, die ein Indiz für den Alterungsfortschritt des IGBTs bzw. IGBT-Moduls darstellt.

Im Folgenden wird nunmehr ausschließlich von einem IGBT-Modul gesprochen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens ohne Einschränkung auch auf einen einzelnen IGBT anwendbar sind.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Sättigungsspannung periodisch bzw. zu bestimmten festgelegten Zeitpunkten gemessen und auf Änderungen hin überwacht wird.

Die Ansteuerung derartiger IGBT-Module erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Gate- Treibers. Durch eine geeignete Messschaltung kann sodann die Sättigungsspannung des IGBT-Moduls auf dem Gate-Treiber ermittelt werden. ln einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die gemessene Sättigungsspannung gegen eine Referenzspannung verglichen. Die Abweichung gegenüber der Referenzspannung stellt die Änderung der Sättigungsspannung während des Maschinenbetriebs über ein bestimmtes Zeitintervall dar und ist ein Indikator für die Alterung des IGBT-Moduls.

Vorzugsweise wird ein Schwellwert für eine maximal zulässige Abweichung festgesetzt. In diesem Fall ist es möglich, dass bei einer vordefinierten minimalen Abweichung der gemessenen Sättigungsspannung von der Referenzspannung eine Warnung generiert und ausgegeben wird. Die Warnung soll den Nutzer bzw. eine übergeordnete Steuereinheit auf einen anstehenden notwendigen Wechsel des IGBT- Moduls hinweisen, um die Ausfallwahrscheinlichkeit der Leistungselektronik zu reduzieren. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Warnung von dem Gate- Treiber an eine übergeordnete Steuereinheit ausgegeben und zur nachfolgenden Bearbeitung übermittelt wird.

Die tatsächlich gemessene Sättigungsspannung kann von gewissen thermischen Effekten abhängig sein. Dazu zählt ebenfalls die vorliegende Betriebstemperatur innerhalb der Leistungselektronik. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, den Messvorgang für die Sättigungsspannung stets unter festgelegten Bedingungen auszuführen, um Messwertverfälschungen aufgrund geänderter Umgebungsbedingungen ausschließen zu können. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Sättigungsspannung bei einer vordefinierten anliegenden Last und/oder einer bestimmten äußeren thermischen Bedingung ausgeführt wird.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Referenzspannung bei der Erstinbetriebnahme des IGBT-Moduls innerhalb der Leistungselektronik bestimmt. Dabei wird bei bzw. kurz nach der Erstinbetriebnahme des IGBT-Moduls innerhalb der Leistungselektronik ein Initialwert der Sättigungsspannung mit Hilfe der geeigneten Messschaltung erfasst und in einem Speicher für die spätere Verwendung als Referenzwert abgelegt. Bevorzugt wird dieser Initialwert in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt. Ein angemessenes Restrisiko für den Ausfall des IGBT-Moduls ist dann gegeben, wenn die gemessene Sättigungsspannung des Moduls weniger als 5% von der Initialspannung/Referenzspannung abweicht. Vor diesem Hintergrund ist es zweckmäßig, wenn bei einer Abweichung der gemessenen Sättigungsspannung von der gespeicherten Initialspannung von mindestens 5% eine entsprechende Warnung generiert und ausgegeben wird. Bekanntermaßen führt eine Erhöhung der Sättigungsspannung um etwa 5% gegenüber dem initialen Wert der Sättigungsspannung zu einer Zunahme fehlerhafter Schaltvorgänge von mehr als 5%. Aus diesem Grund wird eine entsprechende minimale Abweichung von 5%, d.h. eine Erhöhung der gemessenen Sättigungsspannung gegenüber der initialen Referenzspannung um mehr als 5%, als auslösendes Ereignis für eine entsprechende Warnung als sinnvoll erachtet.

Die Warnung soll auf einen Austausch des gealterten IGBT-Moduls hinweisen, bevor dieses in einem unsicheren Betriebszustand betrieben wird.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine leistungselektronische Schaltung für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Bau- bzw. Erdbewegungsmaschine oder Flurförderzeug. Die leistungselektronische Schaltung umfasst wenigstens einen IGBT bzw. ein IGBT-Modul und ggf. einen Gate-Treiber zur Ansteuerung des IGBT-Moduls. Weiterhin sind Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, beispielsweise in Form einer entsprechenden hardware- oder softwarebasierten Steuereinheit, die vorzugsweise auf dem Gate-Treiber vorgesehen ist. Zudem ist die Hardware der Gate- Treiberschaltung idealerweise um eine geeignete Messvorrichtung zur Erfassung der Sättigungsspannung wenigstens eines IGBTs erweitert. Die leistungselektronische Schaltung weist folglich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Verfahren auf, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird. Neben der leistungselektronischen Schaltung betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, insbesondere für einen Kran, eine Baubzw. Erdbewegungsmaschine oder ein Flurförderzeug. Das elektrische Antriebssystem umfasst die erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung, weshalb auch an dieser Stelle auf die beschriebenen Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen wird. Die leistungselektronische Schaltung des elektrischen Antriebssystems kann insbesondere für die Einbindung eines elektrischen Energiespeichers innerhalb des elektrischen Antriebssystems zur Energierückgewinnung oder als Umrichter für die Ansteuerung eines Elektromotors bestimmt sein.

Zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung eine Arbeitsmaschine, insbesondere einen Kran, eine Bau- bzw. Erdbewegungsmaschine oder ein Flurförderzeug, mit einer leistungselektronischen Schaltung gemäß der Erfindung und/oder einem elektrischen Antriebssystem gemäß der Erfindung. Auch an dieser Stelle wird auf die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Muldenkipper bzw. einen Containerkran mit der leistungselektronischen Schaltung bzw. mit einem elektrischen Antriebssystem, das eine leistungselektronische Schaltung zur Ansteuerung entsprechender elektrischer Komponenten, insbesondere eines Speichermittels bzw. Elektromotors, aufweist.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems für einen Muldenkipper oder Containerkran, wobei die Leistungselektronik zwischen Netzquelle und Antriebsmotor mit Gleichrichter, Frequenzumrichter und IGBT-Modul gezeigt ist, und Fig. 2: ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zum Erkennen der Alterung des IGBT-Moduls.

Die Erfindung, soll anhand eines einzigen in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels vertieft werden, das ein elektrisches Antriebssystem 1 für einen Muldenkipper bzw. einen Containerkran darstellt. Das Antriebssystem 1 umfasst beispielsweise einen Elektromotor M, der über eine Leistungselektronik 2 von einer Stromquelle bzw. Spannungsquelle 5 her versorgt werden kann, wobei die genannte Stromquelle 5 ein Netzanschluss oder auch ein Generator sein kann, der beispielsweise von einem Dieselmotor angetrieben werden kann, wie dies häufig bei Baumaschinen der Fall ist.

Der genannte Elektromotor M kann verschiedene Stellaggregate des Muldenkippers bzw. des Containerkrans antreiben. Beispielsweise kann dies im Fall eines Containerkrans ein Hubwerk und/oder ein Verfahrantrieb einer Hubvorrichtung sein. Genauso gut kann der Elektromotor M auch ein Stellantrieb oder ein Antriebsaggregat einer beliebigen Baumaschine, wie beispielsweise eines Fahrmischers, sowie eines Flurförderzeugs antreiben.

Die Leistungselektronik 2 kann weiterhin einen Frequenzumrichter 3 umfassen, der den Elektromotor M entsprechend ansteuert. Die Leistungselektronik 2 kann weiterhin einen Gleichspannungskreis bzw. Gleichspannungszwischenkreis 4 umfassen, der an die Stromquelle 5 angebunden ist und als Gleichrichter arbeitet. Zudem kann eine Energiespeichervorrichtung aus Gründen der Energierückgewinnung in den Zwischenkreis eingebunden werden. Derartige Energiespeichervorrichtungen sind zudem über zusätzliche DC/DC-Steller gesteuert, um eine Transformation der Zwischenkreisspannung auf die notwendige Spannung der Speichervorrichtung zu erreichen.

Die Leistungselektronik 2 setzt sich aus Bipolartransistoren mit isolierter Gate- Elektrode (IGBTs) bzw. einzelne IGBT-Module zusammen, die häufig, aber nicht zwingend als Schaltelement innerhalb der Leistungselektronik eingesetzt werden. lm geschalteten Zustand befindet sich der Bipolartransistor im Sättigungsbereich, der durch Anlegen eines entsprechenden Steuerstroms erreicht wird und bei dem sich eine entsprechende Sättigungsspannung an der Kollektor-Emitter-Spannung einstellt.

Diese sich einstellende Sättigungsspannung im Sättigungsbetrieb der Bipolartransistoren verändert sich in Abhängigkeit des Alterungsfortschritt des Bauteils, der nicht nur von der Anzahl der ausgeführten Schaltvorgänge abhängt sondern zudem durch äußere thermische Einflüsse beschleunigt wird. Mit zunehmender Alterung steigt auch die Sättigungsspannung an.

Erfahrungswerte zeigen, dass bei einer bestimmten Alterung die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Schaltvorgang des Bauteils abnimmt. Aus diesem Grund wurde bisher ein Bipolartransistor innerhalb der Leistungselektronik vorbeugend ausgetauscht, um durch eine Fehlschaltung hohe Folgekosten zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht nun dazu über, durch Messung der Sättigungsspannung während des Betriebs und Vergleich mit einem zuvor gemessenen Initialwert den Grad der Alterung und somit die noch zu erwartende Lebensdauer zu bestimmen.

Wie Fig. 2 zeigt, kann die Ansteuerung des IGBT-Moduls 6 vorteilhafterweise mit Hilfe eines Gate-Treibers 7 erfolgen. Dabei können ein Kollektor 8 und Emitter 9 eines Gates des IGBT-Moduls 6 an einen Analog-/Digital-Wandler 10 des Gate- Treibers 7 angebunden sein. Dabei wird durch eine geeignete Messschaltung die Sättigungsspannung VcE(sat) ermittelt. Beim neuen IGBT-Modul wird der Initialwert der Sättigungsspannung VcE(sat mit) ermittelt und im Gate-Treiber 7 nicht flüchtig gespeichert, beispielsweise in einem geeigneten Initialwertspeicher 11 , vgl. Fig. 2..

Während des Betriebs des IGBT-Moduls 6 wird nun bei festgelegten Randbedingungen, d.h. bei einer vordefinierten anliegenden Last sowie einer vorliegenden Temperatur, die aktuelle Sättigungsspannung VcE(sat act) gemessen und mit der ge- speicherten Sättigungsspannung VcE(sat init) verglichen. Hierzu kann auf dem Gate- Treiber 7 eine Vergleicher 12 implementiert sein, vgl. Fig. 2. Weicht die aktuelle Sättigungsspannung VcE(sat act) um einen vorbestimmten Wert, bspw. mehr als 5% von der gespeicherten Sättigungsspannung VcE(sat init) nach oben ab, so gibt der Gate-Treiber 7 eine Warnung an die übergeordnete Steuereinheit 13 aus, die Teil der Arbeitsmaschinensteuerung, bspw. der Kran- oder Muldenkippersteurung, sein kann. Die übergeordnete Steuereinheit 13 kann ein Warnsignal anzeigen und/oder eine abrufbare Wartungsmitteilung bereitstellen.

Anhand dieser Warnung kann nun ein Austausch des gealterten IGBT-Moduls erfolgen, bevor dies in einem unsicheren Betriebszustand betrieben würde.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Überwachung der Alterung wenigstens eines IGBTs bzw. wenigstens eines IGBT-Moduls der Leistungselektronik einer Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Bau- bzw. Erdbewegungsmaschine oder Flurförderzeug, wobei während des Maschinenbetriebes über eine geeignete Messschaltung die Sättigungsspannung des IGBTs bzw. IGBT-Moduls gemessen und auf eine Spannungsänderung hin überprüft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der IGBT bzw. das IGBT-Modul über einen Gate-Treiber angesteuert wird und durch eine geeignete Messschaltung auf dem Gate-Treiber die Sättigungsspannung ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Sättigungsspannung gegen eine Referenz- Spannung verglichen wird, um eine Änderung der Sättigungsspannung festzustellen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vordefinierten minimalen Abweichung der gemessenen Sättigungsspannung von der Referenzspannung eine Warnung ausgegeben wird, wobei die Warnung insbesondere von dem Gate-Treiber an einer übergeordnete Steuereinheit ausgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungsspannung bei festgelegten Bedingungen gemessen wird, insbesondere bei einer vordefinierten anliegenden Last und/oder Temperatur.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstinbetriebnahme des IGBTs bzw. des IGBT-Moduls innerhalb der Leistungselektronik ein Initialwert der Sättigungsspannung er- fasst und in einem Speicher für die spätere Verwendung als Referenzwert gespeichert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der gemessenen Sättigungsspannung von der gespeicherten Initialspannung von mindestens 5% eine Warnung ausgegeben wird.

8. Leistungselektronische Schaltung für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Bau- bzw. Erdbewegungsmaschine oder Flurförderzeug, mit wenigstens einem IGBT bzw. IGBT-Modul sowie Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Leistungselektronische Schaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Kollektor (8) und Emitter (9) eines Gates des IGBT-Moduls (6) an einen Analog-/Digital-Wandler (10) eines Gate-Treibers (7) angebunden ist, der eine Messchaltung zum Messen der Sättigungsspannung des IGBT-Moduls (7), einen Initialwertspeicher (11) zum nicht-flüchtigen Speichern eines Initial- werts der Sättigungsspannung (V_CE(sat )) und einen Vergleicher (12) zum Vergleichen einer aktuell gemessenen Sättigungsspannung (VcE(_Sat act>) mit der im Initialwertspeicher (1 1 ) gespeicherten Sättigungsspannung VcE(sat init) und Abgeben eines Alterungssignals dann, wenn der Vergleich eine Abweichung der aktuellen Sättigungsspannung (VcE(sat act) ) um einen vorbestimmten Wert von der gespeicherten Sättigungsspannung VcE(sat init) nach oben ergibt, aufweist.

10. Elektrisches Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Bau- bzw. Erdbewegungsmaschine oder Flurförderzeug, mit einer leistungselektronischen Schaltung gemäß Anspruch 8 oder 9.

1 1. Arbeitsmaschine mit einer leistungselektronischen Schaltung gemäß Anspruch 8 oder 9 und/oder mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß Anspruch 10.

12. Arbeitsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sie als Kran, Muldenkipper oder Erdbewegungsmaschine ausgebildet ist.