WO2017063896A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben mindestens eines halbleiterschalters, verfahren und stromrichter zum betreiben einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben mindestens eines halbleiterschalters, verfahren und stromrichter zum betreiben einer elektrischen maschine Download PDF

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Willi Ehrensperger
Christoph Hornstein
Kai Kühnen
Matthias Duchrau
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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    • H04L25/4902—Pulse width modulation; Pulse position modulation

Definitions

  • the invention relates to a method and a circuit arrangement for operating at least one semiconductor switch with at least one pulse width modulated driver signal. Furthermore, the invention relates to a method and a power converter for operating an electrical machine with the said
  • the object of the present invention is to show a possibility with which the alternating current or the phase currents in a simple and cost-effective manner the state of a power converter with a semiconductor switch or an electric machine to be operated with this converter can be adjusted so that in particular the switching losses can be optimized and switching errors can be avoided.
  • a method for operating, in particular controlling or controlling, at least one semiconductor switch with at least one pulse-width-modulated driver signal.
  • digital data is modulated on the pulse-width-modulated driver signal before the driver signal is transmitted for operating the semiconductor switch (for example of a power converter).
  • the digital data, which are transmitted modulated on the driver signal contain information about measured values, command / control variable and / or manipulated variable for operating the semiconductor switch.
  • the pulse-width-modulated driver signal has a signal level, a signal period duration and thus a signal frequency, and a duty cycle, which depending on the operating state of the semiconductor switch, for example.
  • a power converter or to be operated with this semiconductor switch electrical machine can be adjusted.
  • the digital data is modulated in the form of a digital signal or in the form of bit sequences on the driver signal.
  • the digital signal has a signal frequency which is higher by a factor of at least 5, preferably at least 10, in particular at least 100, especially at least 1000, compared to the signal frequency of the driver signal.
  • the drive signal is used as a kind of carrier signal for Digi ⁇ mentals.
  • a comparatively "high frequency” digital signal is transmitted modulated on a driver signal "low frequency” compared to the digital signal.
  • the digital data may contain information about measuring size, for example. Readings for output currents (load path currents) of the semiconductor switch and phase currents or an intermediate circuit voltage of a power converter with this semiconducting ⁇ terschalter can be.
  • the digital data may further rungs- information on leadership / control quantity contain, guide and / or control values are the instantaneous values of the input variable for a Steue- rungs- / regulation actuator of the power converter with the semi-conductor switch ⁇ .
  • the digital data may also contain information about manipulated variable, output variable (the position) of the actuator used in the control ⁇ and in control engineering, with the aid of a targeted intervention in the control or regulating system can be done.
  • the positive-voltage-side and / or the negative-voltage-side semiconductor switch are operated by means of respectively one first and one second pulse-width-modulated driver signal, the aforementioned digital data being transmitted modulated on the first and / or the second driver signal.
  • a dead time for protecting the half-bridge circuit from an electrical short circuit is provided between the first and the second driver signal.
  • the digital data is transmitted during the dead time, for example.
  • the digital data is modulated in a signal portion of the drive signals which is in the dead time.
  • the digital data or the data signals are encoded such that each data bit of these data signals has 50% high level and 50% low level.
  • the data signals are high-frequency compared to the driver signals and can be separated by the filtering of the driver signals after receiving the modulated driver signals.
  • the data signals do not have a negative effect on switching behavior of the driver signals, even if they are transmitted during the dead time of the driver signals.
  • the first and the second driver signal are preferably generated as a function of (or off) a pulse-width-modulated control signal.
  • the first and the second driver signal relative to the control signal are shifted by a delay time generated.
  • the Digi ⁇ mentals are transmitted on the first and / or modulated on the second drive signal. That is, the digital data is modulated in a signal portion of the drive signals which is in the delay time. The digital data are thus modulated and transmitted during the delay ⁇ time on one of the driver signals or on the driver signals.
  • the driver signals are shifted relative to the control signal by the same time period, wherein the driver signals (or the adjacent signal portions with high levels of the driver signals) are in turn spaced from each other by the dead time.
  • the delay time is preferably substantially shorter than the signal period of the pulse width modulated control signal or the driver signals, esp. By a factor of at least 10, especially 20, 50 or 100. As a result, the delay time in comparison with the signal period of the driver signals hardly significant and acts also not negligibly or only negligibly slightly on the duty cycle of the driver signals.
  • the digital data on the first and / or the second driver signal are preferably modulated in such a way that the signal level, the signal level duration and / or the duty cycle of the first and the second driver signal can be changed independently of the modulated digital data.
  • the driver signals are generated offset from the control signal only by the predefined delay time, the signal edge steepness, the signal level, the signal level duration (the duration of the respective signal levels) and / or the duty cycle of the driver signals can preferably be independent of the signals to be up-modulated or Modulated digital data to be changed.
  • a method of operating an electric machine by means of the positive-voltage-side and negative-voltage-side semiconductor switches of the half-bridge circuit, wherein the positive voltage side and / or the negative voltage side semiconductor switches are operated according to the method described above.
  • the digital data according to the method described above, the first and / or the second
  • a circuit arrangement in particular a driver circuit, is provided for operating at least one semiconductor switch with at least one pulse-width-modulated driver signal.
  • Circuitry includes a modulator configured to modulate digital data on the pulse width modulated driver signal.
  • the digital data include information about measured variable and / or management / control variable and / or
  • the circuit arrangement is set up to operate a positive-voltage-side and a negative-voltage-side semiconductor switch of a half-bridge circuit, each having a first or a second pulse-width-modulated drive signal.
  • the modulator is further configured to modulate digital data on the first and / or the second driver signal.
  • Power converter in particular an inverter (inverter), provided for operating an electrical machine.
  • the power converter comprises at least one half-bridge circuit with a posi ⁇ tivschreibs bathen and a negative voltage side Semiconductor switch and at least one previously described circuit arrangement for operating the positive voltage side and / or the negative voltage side semiconductor switch.
  • the circuit arrangement is electrically connected via a respective control signal output to the control connection of the respective semiconductor switch.
  • the converter comprises three, six or nine half ⁇ bridge circuits, each with a positive voltage side and a negative voltage side semiconductor switch, as well as the previously described circuit arrangement for operating the positive voltage side and / or the negative voltage side semiconductor switch of the half-bridge circuits.
  • the circuit arrangement has a corresponding number of control signal outputs, via which the circuit arrangement is electrically connected to the control terminal of the respective semiconductor switch and controls the corresponding semiconductor switches.
  • the circuit arrangement of the power converter is preferably also set up, information about the switching speed, the intermediate circuit voltage, the phase currents, the
  • Circuit arrangement the method or the power converter to operate the electric machine.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a circuit topology of an inverter for operating an electrical machine according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 2A, 2B show in schematic signal diagrams a pulse-width-modulated control signal and pulse-width-modulated driver signals without or with modulated digital data.
  • FIGS. 2A, 2B show in schematic signal diagrams a pulse-width-modulated control signal and pulse-width-modulated driver signals without or with modulated digital data.
  • FIG. 1 shows an inverter IV (or a part thereof) for operating an electric machine EM.
  • the inverter IV comprises a power output stage with three to ⁇ each other largely identically designed half-bridge circuits HB, which are electrically connected in parallel and between a positive and a negative power supply line.
  • the half-bridge circuits HB each comprise a positive-voltage-side semiconductor switch HL1 and a negative-voltage-side semiconductor switch HL2.
  • the semiconductor switches HL1, HL2 are connected to one another in series in the respective half-bridge circuits HB and are each connected via one phase line PL, which is electrically connected to a connection point between the semiconductor switches HL1, HL2 of the respective half-bridge circuits HB, each with one of three stator windings of the electrical Machine EM directly electrically connected.
  • the inverter IV further comprises a circuit arrangement SA for driving the semiconductor switches HL1, HL2.
  • Order SA comprises six gate drivers GT1, GT2, which are designed essentially analogously to one another and are designed to drive the six semiconductor switches HL1, HL2.
  • the gate drivers GT1, GT2 are each electrically connected via a signal output to the gate terminal of the respective semiconductor switches HL1, HL2.
  • the gate drivers GT1, GT2 are located on a high-voltage side HV of the circuit arrangement SA, in which a voltage level of, for example, 48 volts is present.
  • the circuit arrangement SA furthermore comprises six potential separators PT1, PT2, which are designed essentially analogously to one another and each have two signal inputs and two signal outputs.
  • the potential separators PT1, PT2 are each electrically connected to a further signal output of the respective gate drivers GT1, GT2 via a respective signal input.
  • the potential separators PT1, PT2 are each electrically connected to a signal input of the respective gate drivers GT1, GT2 via a respective signal output.
  • the potential isolators PT1, PT2 are each electrically connected to a signal output of a signal modulator MO to be described below.
  • the potential separators PT1, PT2 are each electrically connected via a respective further signal output to a signal input of a microcontroller (electronic control unit) MK to be described below
  • a microcontroller electronic control unit
  • FIG. PT2 For illustration of the inverter IV, only two potential isolators PT1 are shown in FIG , PT2, each of which is electrically connected to a gate driver GTl for driving a positive-voltage-side semiconductor switch HL1 and to a gate driver GT2 for driving a negative voltage soapy semiconductor switch HL2 a half-bridge circuit HB.
  • the potential divider PT1, PT2 are arranged, electrically separate the elekt ⁇ step potentials between the aforementioned high-voltage side HV and a low voltage side NV of the formwork ⁇ processing arrangement SA, in which a voltage level of, for example, 12 volts is present, and hence the circuit arrangement SA or to protect their components from overvoltages.
  • the circuit arrangement SA further comprises the aforementioned signal modulator MO, which is electrically connected via a respective signal output to the signal input of the respective potential separators PT1, PT2.
  • the operation of the Signalmodu ⁇ lators MO will be described below.
  • the circuit arrangement SA further comprises a signal generator SG, the signal output side with a signal input of the
  • Signal modulator MO is electrically connected.
  • the signal ge ⁇ erator SG is arranged to generate a pulse width modulated control signal SS six pulse-width modulated drive signals TS1, TS, of which the six driven semiconductor terschalter HL1 HL2 be operated.
  • the circuit arrangement SA further comprises the aforementioned microcontroller MK, which is electrically connected via a signal output to a further signal input of the signal modulator MO.
  • the operation of the microcontroller MK will be described below.
  • the circuit arrangement SA further comprises an intermediate circuit voltage meter ZM, which is electrically connected via a signal output to a further signal input of the microcontroller MK.
  • the intermediate circuit voltage meter ZM is electrically connected on the input side to two power terminals of an intermediate circuit capacitor of the inverter IV, not shown in FIG. 1, and is configured to measure the intermediate circuit voltage on the intermediate circuit capacitor during operation of the electrical machine EM and to output the measured intermediate circuit voltage value via the signal output forward the micro ⁇ controller MK.
  • the circuit arrangement SA further comprises a phase current meter PM, which is electrically connected via a signal output to a further signal input of the microcontroller MK.
  • the phase current meter PM is electrically connected on the input side to the phase line PL and set up to measure the measured phase current value via the signal output to the microcontroller MK during operation of the electrical machine EM to measure the phase current flowing through the phase line PL.
  • the circuit SA may comprise further measuring units which are used to measure further operating parameters, such. As temperatures, and / or for detecting the operating state or the operating error on the electric machine EM or on the
  • Inverter IV are arranged and are electrically connected via their respective signal output to a respective further signal input of the microcontroller MK. These measuring units are set up to detect the corresponding operating parameters, the corresponding operating state or the operating errors during operation of the electrical machine EM and to forward the corresponding (measured) values to the microcontroller MK.
  • the circuit components such as.
  • the low-voltage side LV is galvanically isolated from the high-voltage side HV by the potential isolators PT1, PT2.
  • the mode of operation of the inverter IV will be described in detail below with reference to FIGS. 2A, 2B. So that the electric machine EM can be operated with low losses and without errors, the semiconductor switches HL1, HL2 of the power output stage must be driven depending on various parameters based on the information about required switching speed, DC link voltage, phase currents, operating status of the electric machine EM and / or Be ⁇ drive error in the inverter IV or in the electric machine EM are determined. For this purpose, the relevant information must be recorded in the form of measured values and the digital data
  • Gate drivers GT1, GT2 are routed so that the gate drivers GT1, GT2 depend on this information
  • Control of the semiconductor switches HLL, HL2 can regulate or optimize accordingly.
  • the microcontroller MK is set up, measured values which the microcontroller MK receives via the signal inputs from the intermediate circuit voltage meter ZM, the phase current meter PM and the other measuring units, as well as information about the operating status or operating error which the microcontroller MK receives via the further signal inputs from the gate drivers GT1, GT2 in the form of further measured values, in a manner known to the person skilled in the art and based on these measured values to generate digital data, on the basis of which the driver signals TS1, TS2 for driving the semiconductor switches HLl, HL2 are adapted.
  • the digital data is passed to the signal modulator MO by the microcontroller MK in the form of digital signals DS.
  • the signal generator SG generates pulse width modulated driver signals TS1, TS2 from a pulse width modulated control signal SS.
  • the signal generator SG generates the driver signals TS1, TS2 such that the driver signals TS1, TS2 for driving from the positive voltage side and the negative voltage side Semiconductor switch HLL, HL2 respective half-bridge circuits HB have a dead time TZ to each other.
  • the signal generator SG generates the driver signals TS1, TS2 such that all the driver signals TS1, TS2 are shifted relative to the control signal SS by a predetermined delay time VZ.
  • the dead time TZ and the delay time VZ are illustrated in FIG. 2A.
  • the signal generator SG then forwards the driver signals TS1, TS2 to the signal modulator MO.
  • the signal modulator MO modulates the digital signals DS to the driver signals TS1, TS2 by modulating the digital data contained in the digital signals DS in the form of high-frequency bit sequences BF into the respective signal sections, which lie in the delay times VZ of the comparatively low-frequency driver signals TS1, TS2.
  • the corresponding signal portions are simply "replaced" by the digital bit sequences BF of the digital signal DS, as it is in Figure 2B veran ⁇ illustrated.
  • the signal modulator MO then forwards the modulated with the Digi ⁇ talsignalen DS drive signals TS1 TS2 ⁇ via the potential divider PT1 , PT2 to the gate drivers GT1, GT2 on.
  • the gate drivers GT1, GT2 separate the digital signals DS and the digital data from the respective driver signals TS1 TS2 ⁇ by a demodulation method known to the person skilled in the art.
  • the gate drivers GT1, GT2 each comprise a first filter FT1 for filtering the driver signals TS1, TS2 from the receiving modulated driver signals TS1 TS2 ⁇ and in each case a second filter FT2 for filtering the data signals DS from the modulated driver signals TS1 TS2 ⁇ .
  • the filters FT1, FT2 are electrically connected on the input side to the input of the respective gate drivers GT1, GT2.
  • the gate drivers GT1, GT2 each include a data decoder DD for decoding the digital data from the respective digital signals DS obtained by the filtering.
  • the data- decoder DD are electrically connected on the signal input side to a signal output of the respective second filter FT2.
  • the gate drivers GT1, GT2 each include a driver signal controller TK for adjusting the respective filter signals TS1, TS2 obtained by the filtering depending on the decoded digital data.
  • the drive signal controller TC are connected via a signal input signal input side to a Sig ⁇ nalausgang of the respective first filter FT1 electrically comparable.
  • the driver signal controllers TK are electrically connected via a further signal input on the signal input side to a further signal output of the respective data decoder DD.
  • the respective first filters FT1 of the respective gate drivers GT1, GT2 filter out the respective driver signals TS1, TS2 from the received modulated driver signals TS1 TS2 ⁇ and forward them to the driver signal controller TK.
  • the respective second filters FT2 of the respective gate drivers GT1, GT2 filter out the respective data signals DS from the same modulated driver signals TS1 TS2 ⁇ and forward them to the corresponding data decoders DD.
  • the data decoders DD decode the data signals DS and obtain from the digital data contained in the data signals DS1, DS2 useful information on how the driver signals TS1, TS2 have to be adapted in order, for example, to operate the electric machine EM efficiently or to detect the operating errors in the electric machine EM to fix.
  • the data decoders DD carry out a parity check before they filter out the required information from the digital data.
  • the parity check is carried out in a manner known to the person skilled in the art, such as, for example, by multiple sampling of the digital signals DS or by means of parity check codes, which occur during the Not a word- dulation phase were inserted from the signal modulator MO in the data signals DS.
  • the data decoder DD pass the payload information to the respective driver signal controller TK.
  • the driver signal controllers TK then adapt the respective filtered driver signals TS1, TS2 based on the useful information and pass the adapted driver signals TS1, TS2 via the respective signal outputs to the gate terminals of the corresponding semiconductor switches HL1, HL2 and thus control the semiconductor switches HL1, HL2 accordingly.
  • the transmitted digital data may include, among others:
  • DC link information such as. B. DC link voltage, which is measured at the DC link capacitor;
  • Phase current information such as. B. phase current values measured on the phase lines PL;
  • the intermediate circuit information such as the intermediate circuit voltage measured at the intermediate circuit capacitor, it is possible to determine how high the overvoltage peaks will be during the past switching phases of the semiconductor switches HL1, HL2. This in turn provides information about how quickly the semiconductor switches HL1, HL2 can be switched on / off without dangerous overvoltage peaks occurring.
  • the signal edges of the driver signals TS1, TS2 (based on the useful information obtained from the digital data) can be set steeper and thus the switching operations of the semiconductor switches HL1, HL2 can be performed faster , In order to the switching losses are reduced and the overall efficiency of the inverter is increased.
  • the signal edges of the driver signals TS1, TS2 can be set flatter and thus the switching operations of the semiconductor switches HL1, HL2 slower be performed . This avoids the threat of overvoltage. This prolongs the life of the semiconductor switches HL1, HL2 and thus of the inverter IV.
  • the turn-on behavior of the semiconductor switches HL1, HL2 are optimized and the switching losses in the semiconductor switches HL1, HL2 and the EMC (electromagnetic compatibility) disturbances are reduced.
  • the microcontroller MK Based on error signals received by the microcontroller MK via the status line, the microcontroller MK generates corresponding digital signals DS, which sets the gate drivers GT1, GT2 and thus also the semiconductor switches HL1, HL2 in a predefined diagnostic mode, during which the exact type and the Location of the error can be determined in a manner known to those skilled in the art.
  • Switching losses can be significantly reduced by the operation described above. Furthermore, the EMC behavior of the semiconductor switches HL1, HL2 are improved. In addition, diagnostic options are being expanded, which contributes to an increased availability of the overall system.
  • the filter time of the filters FT1, FT2 and the duration of the data decoding in the data decoder DD are similar to each other tuned that no time delays and no signal distortion in the driver signals TS1, TS2 arise.
  • the filter times of the second filters FT2 for filtering the data signals DS are set shorter than those of the first filters FT1 for filtering the driver signals TS1, TS2.
  • the synchronization of the filtering, the data decoding and the adaptation of the driver signals TS1, TS2 can be performed by means of predefined start bits (such as, for example, an edge change or a certain sequence of edge changes in the driver signals TS1, TS2), the data decoder DD come, takes place, wherein in the presence of the start bits, the control paths and the signal outputs of the respective gate drivers GTL, GT2 can be locked first.
  • start bits such as, for example, an edge change or a certain sequence of edge changes in the driver signals TS1, TS2
  • the control behaves unchanged or only negligibly negligibly compared with a conventional control, so that no negative effects, such as, for example, occur.

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters (HL1, HL2) mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Treibersignal (TS1, TS2) wobei auf dem pulsweitenmodulierten Treibersignal (TS1, TS2) Digitaldaten (BF) aufmoduliert übertragen werden, die Informationen über Messgröße und/oder Führungs-/Steuergröße und/oder Stellgröße zum Betreiben des Halbleiterschalters (HL1, HL2) enthalten.

Description

Beschreibung
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters, Verfahren und Stromrichter zum Betreiben einer elektrischen Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungs- anordnung zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Treibersignal. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und einen Stromrichter zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit der genannten
Sehaltungsanordnung .
Stand der Technik
Stromrichter, insbesondere Inverter (Wechselrichter) , mit mehrfachen, insbesondere dreifachen, Halbbrückenschaltungen weisen positivspannungsseitige Halbleiterschalter und nega- tivspannungsseitige Halbleiterschalter auf, die von pulswei¬ tenmodulierten Treibersignalen abwechselnd bzw. zueinander gegensinnig ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch wird aus einem Versorgungsgleichstrom ein mehrphasiger, insbesondere drei- phasiger, Wechselstrom (Phasenströme) erzeugt, mit dem bei¬ spielsweise eine elektrische Maschine betrieben wird.
Zur besseren, insb. verlustoptimierten und fehlerfreien Regelung bzw. Steuerung der elektrischen Maschine ist es hilfreich, den Wechselstrom bzw. die Phasenströme abhängig von dem Zustand des Stromrichters bzw. der elektrischen Maschine anzupassen.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der der Wechselstrom bzw. die Phasenströme in einfacher und kostengünstiger Weise dem Zustand eines Stromrichters mit einem Halbleiterschalter bzw. einer mit diesem Stromrichter zu betreibenden elektrischen Maschine angepasst werden können, so dass insb. die Schaltverluste optimiert und Schaltfehler vermieden werden können.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un¬ teransprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben, insb. Regeln oder Steuern, mindestens eines Halbleiterschalters mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Treibersignal bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren werden auf dem pulsweitenmodulierten Treibersignal Digitaldaten aufmoduliert, bevor das Treibersignal zum Betreiben des Halbleiterschalters (bspw. eines Stromrichters) übertragen wird. Die Digitaldaten, die auf dem Treibersignal aufmoduliert übertragen werden, enthalten Informationen über Messwerte, Führungs-/Steuergröße und/oder Stellgröße zum Betreiben des Halbleiterschalters.
Das pulsweitenmodulierte Treibersignal weist einen Signalpegel, eine Signalperiodendauer und somit eine Signalfrequenz, sowie einen Tastgrad auf, welche/r abhängig von dem Betriebszustand des Halbleiterschalters bspw. eines Stromrichters bzw. einer mit diesem Halbleiterschalter zu betreibenden elektrischen Maschine eingestellt werden können.
Die Digitaldaten werden in Form von einem Digitalsignal bzw. in Form von Bit-Folgen, auf dem Treibersignal aufmoduliert . Das Digitalsignal weist eine Signalfrequenz auf, die im Vergleich zu der Signalfrequenz des Treibersignals um einen Faktor von mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, insb. mindestens 100, speziell mindestens 1000, höher ist. Durch die Modulation des Digitalsignals auf dem Treibersignal dient das Treibersignal quasi als Trägersignal für die Digi¬ taldaten . Anders als eine konventionelle Signalmodulation, bei der ein „niederfrequentes" Datensignal auf einem „hochfrequenten" Trägersignal aufmoduliert übertragen wird, wird bei dem obigen Verfahren ein vergleichsweise „hochfrequentes" Digitalsignal auf einem gegenüber dem Digitalsignal „niederfrequenten" Treibersignal aufmoduliert übertragen.
Die Digitaldaten können Informationen über Messgröße enthalten, die bspw. Messwerte für Ausgangsströme (Laststreckenströme) des Halbleiterschalters bzw. Phasenströme oder für eine Zwi- schenkreisspannung eines Stromrichters mit diesem Halblei¬ terschalter sein können.
Die Digitaldaten können ferner Informationen über Füh- rungs-/Steuergröße enthalten, Führungs- und/oder Steuerwerte sind die momentanen Werte der Eingangsgröße für einen Steue- rungs-/Regelungsstellglied des Stromrichters mit dem Halb¬ leiterschalter . Die Digitaldaten können außerdem Informationen über Stellgröße enthalten, Ausgangsgröße (die Stellung) des in der Steuerungs¬ und in der Regelungstechnik verwendeten Stellglieds, mit dessen Hilfe ein gezielter Eingriff in die Steuer- beziehungsweise Regelstrecke erfolgen kann.
Dadurch, dass die oben aufgelisteten Informationen als Digitalsignal auf dem Treibersignal aufmoduliert übertragen werden, entfallen Datenverbindungen, die sonst zur Übertragung dieser Informationen erforderlich wären, und damit auch mögliche Störungen durch Unterbrechungen in den Datenverbindungen. Durch weniger Datenverbindungen werden wiederum die Komplexität der Stromrichter und somit auch die Herstellungskosten der
Stromrichter reduziert. Damit ist eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der der Wechselstrom bzw. die Phasenströme eines Stromrichters mit einem Halblei¬ terschalter in einfacher und kostengünstiger Weise dem Zustand des Stromrichters angepasst werden können, so dass insb. die Schaltverluste optimiert und Schaltfehler vermieden werden können .
Vorzugsweise werden mit dem oben genannten Verfahren ein po- sitivspannungsseitiger und ein negativspannungsseitiger
Halbleiterschalter einer und derselben Halbbrückenschaltung betrieben. Dabei werden der positivspannungsseitige und/oder der negativspannungsseitige Halbleiterschalter mittels jeweils eines ersten bzw. eines zweiten pulsweitenmodulierten Trei- bersignals betrieben, wobei die zuvor genannten Digitaldaten auf dem ersten und/oder dem zweiten Treibersignal aufmoduliert übertragen werden.
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten und dem zweiten Trei- bersignal eine Totzeit zum Schutz der Halbbrückenschaltung vor einem elektrischen Kurzschluss vorgesehen. Die Digitaldaten werden beispielsweise während der Totzeit übertragen.
Das heißt, die Digitaldaten werden in einem Signalabschnitt der Treibersignale aufmoduliert, der sich in der Totzeit befindet. Dabei werden die Digitaldaten bzw. die Datensignale derart codiert, dass jedes Datenbit dieser Datensignale 50% High-Pegel und 50 % Low-Pegel aufweist. Damit sind die Datensignale im Vergleich zu den Treibersignalen hochfrequent und können nach dem Empfang der aufmodulierten Treibersignale durch Filterung von den Treibersignalen getrennt werden. Dadurch wirken die Datensignale nicht negativ auf Schaltverhalten der Treibersignale aus, selbst wenn diese währen der Totzeit der Treibersignale übertragen werden.
Vorzugsweise werden das erste und das zweite Treibersignal abhängig von (bzw. aus) einem pulsweitenmodulierten Steuersignal erzeugt. Dabei werden das erste und das zweite Treibersignal gegenüber dem Steuersignal um eine Verzögerungszeit verschoben generiert. Während dieser Verzögerungszeit werden die Digi¬ taldaten auf dem ersten und/oder dem zweiten Treibersignal aufmoduliert übertragen. Das heißt, die Digitaldaten werden in einem Signalabschnitt der Treibersignale aufmoduliert, der sich in der Verzögerungszeit befindet. Die Digitaldaten werden somit während der Verzöge¬ rungszeit auf einem der Treibersignale oder auf den Treiber- Signalen aufmoduliert und übertragen.
Durch die Verzögerungszeit sind die Treibersignale gegenüber dem Steuersignal um einen gleichen Zeitabschnitt verschoben, wobei die Treibersignale (bzw. die benachbarten Signalabschnitte mit High-Pegeln der Treibersignale) voneinander wiederum um die Totzeit beabstandet sind.
Die Verzögerungszeit ist dabei vorzugsweise wesentlich kürzer als die Signalperiode des pulsweitenmodulierten Steuersignals bzw. der Treibersignale, insb. um einen Faktor von mindestens 10, speziell 20, 50 oder 100. Dadurch fällt die Verzögerungszeit im Vergleich zu der Signalperiode der Treibersignale kaum ins Gewicht und wirkt auch nicht negativ bzw. nur vernachlässigbar geringfügig auf den Tastgrad der Treibersignale.
Dabei werden die Digitaldaten auf dem ersten und/oder dem zweiten Treibersignal vorzugsweise derart aufmoduliert, dass der Signalpegel, die Signalpegeldauer und/oder der Tastgrad des ersten bzw. des zweiten Treibersignals unabhängig von den aufmodulierten Digitaldaten verändert werden können.
Dadurch, dass die Treibersignale gegenüber dem Steuersignal nur um die vordefinierte Verzögerungszeit versetzt generiert werden, können die Signal-Flankensteilheit, der Signalpegel, die Signalpegeldauer (die Dauer der j eweiligen Signalpegel ) und/oder der Tastgrad der Treibersignale vorzugsweise unabhängig von den aufzumodulierenden bzw. aufmodulierten Digitaldaten verändert werden . Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mittels des positiv- spannungsseitigen und des negativspannungsseitigen Halbleiterschalters der Halbbrückenschaltung bereitgestellt, wobei der positivspannungsseitige und/oder der negativspannungsseitige Halbleiterschalter gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben werden. Vorzugsweise enthalten die Digitaldaten, die gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren dem ersten und/oder dem zweiten
Treibersignal aufmoduliert übertragen werden, Informationen über Schaltgeschwindigkeit, Zwischenkreisspannung, Phasenströme, Betriebsstatus und/oder Betriebsfehler eines Strom- richters zum Betreiben der elektrischen Maschine, welche zum optimalen Betreiben der elektrischen Maschine berücksichtigt werden müssen bzw. beim Betrieb der elektrischen Maschine auftreten und von geeigneten Sensoren erfasst bzw. gemessen werden können.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung, insb. eine Treiberschaltung, zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Treibersignal bereitgestellt. Die
Schaltungsanordnung umfasst einen Modulator, der eingerichtet ist, Digitaldaten auf dem pulsweitenmodulierten Treibersignal aufzumodulieren . Dabei umfassen die Digitaldaten Informationen über Messgröße und/oder Führungs-/Steuergröße und/oder
Stellgröße zum Betreiben des Halbleiterschalters.
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, einen positivspannungsseitigen und einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter einer Halbbrückenschaltung mit jeweils einem ersten bzw. einem zweiten pulsweitenmodulierten Treibersignal zu betreiben. Dabei ist der Modulator ferner eingerichtet, Digitaldaten auf dem ersten und/oder dem zweiten Treibersignal aufzumodulieren .
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein
Stromrichter, insb. ein Inverter (Wechselrichter), zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Der Stromrichter umfasst mindestens eine Halbbrückenschaltung mit einem posi¬ tivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalters sowie mindestens eine zuvor beschriebene Schaltungsanordnung zum Betreiben des positivspannungsseitigen und/oder des negativspannungsseitigen Halbleiterschalters. Dabei ist die Schaltungsanordnung über jeweils einen Steuer- signalausgang mit dem Steueranschluss der jeweiligen Halbleiterschalter elektrisch verbunden.
Insb. umfasst der Stromrichter drei, sechs oder neun Halb¬ brückenschaltungen mit jeweils einem positivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalters, sowie die von zuvor beschriebene Schaltungsanordnung zum Betreiben der positivspannungsseitigen und/oder der negativspannungsseitigen Halbleiterschalter der Halbbrückenschaltungen. Hierzu weist die Schaltungsanordnung eine entsprechende Anzahl von Steuersignalausgängen auf, über die die Schaltungsanordnung mit dem Steueranschluss der jeweiligen Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist und die entsprechenden Halbleiterschalter steuert.
Dabei ist die Schaltungsanordnung des Stromrichters vorzugsweise ferner eingerichtet, Informationen über die Schaltgeschwin- digkeit, die Zwischenkreisspannung, die Phasenströme, den
Betriebsstatus und/oder den Betriebsfehler des Stromrichters und/oder der elektrischen Maschine als Digitaldaten auf dem ersten und/oder dem zweiten Treibersignal aufmoduliert zu übertragen .
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben der Halbleiterschalter mit den pulsweitenmodu- lierten Treibersignalen sind, soweit im Übrigen auf die oben beschriebene Schaltungsanordnung zum Betreiben der Halblei- terschalter oder auf das oben genannte Verfahren bzw. auf den oben genannten Stromrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der
Schaltungsanordnung, des Verfahrens bzw. des Stromrichters zum Betreiben der elektrischen Maschine anzusehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine Schal- tungstopologie eines Inverters zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figuren 2A, 2B in schematischen Signaldiagrammen ein puls- weitenmoduliertes Steuersignal sowie pulsweitenmo- dulierte Treibersignale ohne bzw. mit aufmodulierten Digitaldaten . Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt einen Inverter IV (bzw. einen Teil davon) zum Betreiben einer elektrischen Maschine EM. Der Inverter IV umfasst eine Leistungsendstufe mit drei zu¬ einander weitgehend identisch ausgebildeten Halbrückenschaltungen HB, die zueinander parallel und zwischen einer positiven und einer negativen Versorgungsstromleitung elektrisch angeschlossen sind. Zur einfachen Darstellung des Inverters IV ist in der Figur 1 beispielhaft nur eine der drei Halbrückenschaltungen HB abgebildet. Die Halbrückenschaltungen HB umfassen jeweils einen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HL1 und einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HL2. Die Halbleiterschalter HL1, HL2 sind in den jeweiligen Halbrü- ckenschaltungen HB zueinander in Serie geschaltet und über jeweils eine Phasenleitung PL, die an einem Anschlusspunkt zwischen den Halbleiterschaltern HL1, HL2 der jeweiligen Halbrückenschaltungen HB elektrisch angeschlossen ist, mit jeweils einer von drei Statorwicklungen der elektrischen Ma- schine EM direkt elektrisch verbunden.
Der Inverter IV umfasst ferner eine Schaltungsanordnung SA zum Ansteuern der Halbleiterschalter HL1, HL2. Die Schaltungsan- _
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Ordnung SA umfasst sechs zueinander im Wesentlichen analog ausgebildete Gatetreiber GTl, GT2, die zum Ansteuern der sechs Halbleiterschalter HL1, HL2 ausgebildet sind. Die Gatetreiber GTl, GT2 sind jeweils über einen Signalausgang mit dem Ga- teanschluss der jeweils Halbleiterschalter HL1, HL2 elektrisch verbunden. Zur einfachen Darstellung des Inverters IV sind in der Figur 1 beispielhaft nur zwei Gatetreiber GTl, GT2 zum Ansteuern eines positivspannungsseitigen Halbleiterschalters HL1 und eines negativspannungsseitigen Halbleiterschalters HL2 einer der drei Halbrückenschaltungen HB abgebildet. Die Gatetreiber GTl, GT2 befinden sich auf einer Hochspannungsseite HV der Schaltungsanordnung SA, in der ein Spannungsniveau von bspw. 48 Volt vorliegt. Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner sechs zueinander im Wesentlichen analog ausgebildeten Potentialtrenner PTl , PT2, die jeweils zwei Signaleingänge und zwei Signalausgänge aufweisen. Über jeweils einen Signaleingang sind die Potentialtrenner PTl, PT2 jeweils mit einem weiteren Signalausgang der jeweiligen Gatetreiber GTl, GT2 elektrisch verbunden. Über jeweils einen Signalausgang sind die Potentialtrenner PTl, PT2 jeweils mit einem Signaleingang der jeweiligen Gatetreiber GTl, GT2 elektrisch verbunden. Über jeweils einen weiteren Signaleingang sind die Potentialtrenner PTl, PT2 mit jeweils einem Signal- ausgang eines nachfolgend zu beschreibenden Signalmodulators MO elektrisch verbunden. Über jeweils einen weiteren Signalausgang sind die Potentialtrenner PTl, PT2 mit jeweils einem Signaleingang eines nachfolgend zu beschreibenden Mikrokontrollers (Steuerelektronik, auf Englisch „Controll Board") MK elektrisch verbunden. Zur einfachen Darstellung des Inverters IV sind in der Figur 1 beispielhaft nur zwei Potentialtrenner PTl, PT2 abgebildet, die jeweils mit einem Gatetreiber GTl zum Ansteuern eines positivspannungsseitigen Halbleiterschalters HL1 bzw. mit einem Gatetreiber GT2 zum Ansteuern eines negativspannungs- seifigen Halbleiterschalters HL2 einer Halbrückenschaltung HB elektrisch verbunden sind. Die Potentialtrenner PT1, PT2 sind eingerichtet, die elekt¬ rischen Potentiale zwischen der zuvor genannten Hochspannungsseite HV und einer Niederspannungsseite NV der Schal¬ tungsanordnung SA, in der ein Spannungsniveau von bspw. 12 Volt vorliegt, galvanisch zu trennen und somit die Schaltungsanordnung SA bzw. deren Komponenten vor Überspannungen zu schützen.
Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner den zuvor genannten Signalmodulator MO, der über jeweils einen Signalausgang mit dem Signaleingang der jeweiligen Potentialtrenner PT1, PT2 elektrisch verbunden ist. Die Funktionsweise des Signalmodu¬ lators MO wird nachfolgend beschrieben.
Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Signalgenerator SG, der signalausgangsseitig mit einem Signaleingang des
Signalmodulators MO elektrisch verbunden ist. Der Signalge¬ nerator SG ist eingerichtet, aus einem pulsweitenmodulierten Steuersignal SS sechs pulsweitenmodulierte Treibersignale TS1, TS zu generieren, von denen angesteuert die sechs Halblei- terschalter HL1, HL2 betrieben werden.
Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner den zuvor genannten Mikrokontroller MK, der über einen Signalausgang mit einem weiteren Signaleingang des Signalmodulators MO elektrisch verbunden ist. Die Funktionsweise des Mikrokontrollers MK wird nachfolgend beschrieben.
Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Zwischen- kreisspannungsmesser ZM, der über einen Signalausgang mit einem weiteren Signaleingang des Mikrokontrollers MK elektrisch verbunden ist. Der Zwischenkreisspannungsmesser ZM ist ein- gangsseitig an zwei Stromanschlüssen eines in der Figur 1 nicht dargestellten Zwischenkreiskondensators des Inverters IV elektrisch angeschlossen und eingerichtet, während des Betriebs der elektrischen Maschine EM die Zwischenkreisspannung an dem Zwischenkreiskondensator zu messen und den gemessenen Zwi- schenkreisspannungswert über den Signalausgang an den Mikro¬ kontroller MK weiterzuleiten. Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Phasenstrommesser PM, der über einen Signalausgang mit einem weiteren Signaleingang des Mikrokontrollers MK elektrisch verbunden ist. Der Phasenstrommesser PM ist eingangsseitig an der Phasenleitung PL elektrisch angeschlossen und eingerichtet, während des Betriebs der elektrischen Maschine EM den durch die Phasenleitung PL fließenden Phasenstrom zu messen den gemessenen Phasen- stromwert über den Signalausgang an den Mikrokontroller MK weiterzuleiten.
Die Schaltungsanordnung SA kann weitere Messeinheiten aufweisen, die zum Messen weiterer Betriebsparameter, wie z. B. Temperaturen, und/oder zum Erfassen des Betriebszustandes oder der Betriebsfehler an der elektrischen Maschine EM bzw. an dem
Inverter IV eingerichtet sind und über ihren jeweiligen Signalausgang mit jeweils einem weiteren Signaleingang des Mikrokontrollers MK elektrisch verbunden sind. Diese Messeinheiten sind eingerichtet, während des Betriebs der elektrischen Ma- schine EM die entsprechenden Betriebsparameter, den entsprechenden Betriebszustand bzw. die Betriebsfehler zu erfassen und die entsprechenden (Mess-) Werte an den Mikrokontroller MK weiterzuleiten . Die Gatetreiber GT1, GT2 und weitere Leistungselektronikkomponenten, die sich auf der Hochspannungsseite HV der Schal¬ tungsanordnung SA befinden, bilden mit den Halbleiterschaltern HL1, HL2 zusammen eine Leistungselektronikeinheit LE aus. Die Schaltungskomponenten, wie z. B. der Signalmodulator MO, der Signalgenerator SG und der Mikrokontroller MK, die sich auf der Niederspannungsseite LV der Schaltungsanordnung SA befinden, bilden zusammen eine zentrale Steuerelektronik SE aus. Die Niederspannungsseite LV ist durch die Potentialtrenner PTl, PT2 von der Hochspannungsseite HV galvanisch getrennt. Nachdem die Schaltungstopologie des Inverters IV anhand der Figur 1 beschrieben wurde, wird nachfolgend anhand Figuren 2A, 2B die Funktionsweise des Inverters IV detailliert beschrieben. Damit die elektrische Maschine EM verlustarm und fehlerfrei betrieben werden kann, müssen die Halbleiterschalter HLl, HL2 der Leistungsendstufe abhängig von diversen Parametern angesteuert werden, die basierend auf die Informationen über erforderliche Schaltgeschwindigkeit, Zwischenkreisspannung, Phasenströme, Betriebsstatus der elektrischen Maschine EM und/oder Be¬ triebsfehler in dem Inverter IV bzw. in der elektrischen Maschine EM ermittelt werden. Hierzu müssen die relevanten Informationen in Form von Messwerten erfasst und als Digitaldaten den
Gatetreibern GT1, GT2 weitergeleitet werden, so dass die Gatetreiber GT1, GT2 abhängig von diesen Informationen die
Ansteuerung der Halbleiterschalter HLl, HL2 entsprechend regeln bzw. optimieren können.
Um dies ohne bzw. mit einem möglichst geringen zusätzlichen Aufwand zu meistern, ist der Mikrokontroller MK eingerichtet, Messwerte, die der Mikrokontroller MK über die Signaleingänge von dem Zwischenkreisspannungsmesser ZM, dem Phasenstrommesser PM sowie den weiteren Messeinheiten erhält, sowie Informationen über den Betriebsstatus oder Betriebsfehler, die der Mikro- kontroller MK über die weiteren Signaleingänge von den Gatetreibern GT1, GT2 in Form von weiteren Messwerten erhält, in einer dem Fachmann bekannten Weise zu analysieren und basierend auf diese Messwerte Digitaldaten zu generieren, anhand dieser die Treibersignale TS1, TS2 zum Ansteuern der Halbleiterschalter HLl, HL2 angepasst werden. Die Digitaldaten leitet der Mikrokontroller MK in Form von Digitalsignalen DS an den Signalmodulator MO.
Der Signalgenerator SG generiert aus einem pulsweitenmodulierten Steuersignal SS pulsweitenmodulierte Treibersignale TS1, TS2. Dabei generiert der Signalgenerator SG die Treibersignale TS1, TS2 derart, dass die Treibersignale TS1, TS2 zum Ansteuern von dem positivspannungsseitigen und dem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HLl, HL2 jeweiliger Halbrückenschaltungen HB zueinander eine Totzeit TZ aufweisen. Zudem generiert der Signalgenerator SG die Treibersignale TS1, TS2 derart, dass alle Treibersignale TS1, TS2 gegenüber dem Steuersignal SS um eine vorgegebene Verzögerungszeit VZ verschoben sind. Die Totzeit TZ und die Verzögerungszeit VZ sind in Figur 2A veranschaulicht. Der Signalgenerator SG leitet anschließend die Treibersignale TS1, TS2 an den Signalmodulator MO weiter. Der Signalmodulator MO moduliert die Digitalsignale DS auf die Treibersignale TS1, TS2, indem er die in den Digitalsignalen DS enthaltenen Digitaldaten in Form von hochfrequenten Bitfolgen BF in die jeweiligen Signalabschnitte aufmoduliert, die in den Verzögerungszeiten VZ der vergleichsweise niederfrequenten Treibersignale TS1, TS2 liegen. Dabei werden die entsprechenden Signalabschnitte einfach durch die digitalen Bitfolgen BF des Digitalsignals DS „ersetzt", so wie es in Figur 2B veran¬ schaulicht ist. Der Signalmodulator MO leitet anschließend die mit den Digi¬ talsignalen DS aufmodulierten Treibersignale TS1 TS2 λ über die Potentialtrenner PT1, PT2 an die Gatetreiber GT1, GT2 weiter.
Die Gatetreiber GT1, GT2 trennen die Digitalsignale DS bzw. die Digitaldaten von den jeweiligen Treibersignalen TS1 TS2 λ durch ein dem Fachmann bekannten Demodulationsverfahren .
Hierzu umfassen die Gatetreiber GT1, GT2 jeweils einen ersten Filter FT1 zum Filtern der Treibersignale TS1, TS2 aus den empfangenden aufmodulierten Treibersignalen TS1 TS2 λ und jeweils einen zweiten Filter FT2 zum Filtern der Datensignale DS aus den aufmodulierten Treibersignalen TS1 TS2 λ . Die Filter FT1, FT2 sind eingangsseitig an dem Eingang der jeweiligen Gatetreiber GT1, GT2 elektrisch angeschlossen.
Ferner umfassen die Gatetreiber GT1, GT2 jeweils einen Datendecoder DD zum Decodieren der Digitaldaten aus den jeweiligen durch das Filtern gewonnenen Digitalsignalen DS . Die Daten- decoder DD sind signaleingangsseitig mit einem Signalausgang der jeweiligen zweiten Filter FT2 elektrisch verbunden.
Außerdem umfassen die Gatetreiber GT1, GT2 jeweils einen Treibersignalkontroller TK zum Anpassen der jeweiligen, durch das Filtern gewonnenen Treibersignale TS1, TS2 abhängig von den decodierten Digitaldaten. Die Treibersignalkontroller TK sind über einen Signaleingang signaleingangsseitig mit einem Sig¬ nalausgang der jeweiligen ersten Filter FT1 elektrisch ver- bunden. Außerdem sind die Treibersignalkontroller TK über einen weiteren Signaleingang signaleingangsseitig mit einem weiteren Signalausgang der jeweiligen Datendecoder DD elektrisch verbunden . Beim Betrieb der elektrischen Maschine EM filtern die jeweiligen ersten Filter FT1 der jeweiligen Gatetreiber GT1, GT2 aus den empfangenen aufmodulierten Treibersignalen TS1 TS2 λ die jeweiligen Treibersignale TS1, TS2 heraus und leiten diese an den Treibersignalkontroller TK weiter. Zeitgleich filtern die jeweiligen zweiten Filter FT2 der jeweiligen Gatetreiber GT1, GT2 aus denselben aufmodulierten Treibersignalen TS1 TS2 λ die jeweiligen Datensignale DS heraus und leiten diese an die entsprechenden Datendecoder DD weiter. Die Datendecoder DD dekodieren die Datensignale DS und gewinnen aus den in den Datensignalen DS1, DS2 enthaltenen Digitaldaten Nutzinformationen darüber, wie die Treibersignale TS1, TS2 angepasst werden müssen, um bspw. die elektrische Maschine EM effizient zu betreiben oder die Betriebsfehler in der elektrischen Maschine EM zu beheben.
Zur Vermeidung von Datenfehlern führen die Datendecoder DD dabei eine Paritätskontrolle durch, bevor sie aus den Digitaldaten die erforderlichen Informationen herausfiltern. Die Paritätskontrolle (auf Englisch „Parity Check") erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Weise, wie z. B. durch eine Mehrfachabtastung der Digitalsignale DS oder anhand von Paritätskontroll-Codes (auf Englisch „Parity-Check-Codes" ) , welche während der Mo- dulationsphase von dem Signalmodulator MO in die Datensignale DS eingefügt wurden.
Anschließend geben die Datendecoder DD die Nutzinformationen an die jeweiligen Treibersignalkontroller TK weiter. Die Trei- bersignalkontroller TK passen dann die jeweiligen gefilterten Treibersignale TS1, TS2 basierend auf die Nutzinformationen an und geben die angepassten Treibersignale TS1, TS2 über die jeweiligen Signalausgänge an die Gateanschlüsse der korres- pondierenden Halbleiterschalter HL1, HL2 weiter und steuern somit die Halbleiterschalter HL1, HL2 entsprechend.
Die übertragenen Digitaldaten können unter Anderem enthalten:
Zwischenkreisinformation, wie z. B. Zwischenkreisspannung, welche an dem Zwischenkreiskondensator gemessen wird;
Phasenstrominformation, wie z. B. Phasenstromwerte, welche an den Phasenleitungen PL gemessen werden;
Befehle, die im Falle eines Fehlers in den Halbleiter¬ schaltern HL1, HL2 bzw. in dem Inverter IV als Digitaldaten übertragen werden. Beim Vorliegen eines solchen Befehls werden die Halbleiterschalter HL1, HL2 bspw. in einen Diagnosemodus versetzt.
Mit der Zwischenkreisinformation, wie der an dem Zwischen- kreiskondensator gemessenen Zwischenkreisspannung, kann ermittelt werden, wie hoch die Überspannungsspitzen während der vergangenen Schaltphasen der Halbleiterschalter HL1, HL2 ausfallen. Dies gibt wiederum Aufschluss darüber, wie schnell die Halbleiterschalter HL1, HL2 ein-/ausgeschaltet werden können, ohne dass dabei gefährliche Überspannungsspitzen eintreten.
Liegt die gemessene Zwischenkreisspannung weit unter einer vorgegebenen maximal erlaubten Referenz-Zwischenkreisspannung, so können die Signalflanken der Treibersignale TS1, TS2 (ba- sierend auf den aus den Digitaldaten gewonnen Nutzinformationen) steiler eingestellt werden und somit die Schaltvorgänge der Halbleiterschalter HL1 , HL2 schneller durchgeführt werden . Damit werden die Schaltverluste reduziert und der gesamte Wirkungsgrad des Inverters wird erhöht.
Liegt die gemessene Zwischenkreisspannung dagegen nah an der vorgegebenen Referenz-Zwischenkreisspannung und es droht eine Überspannung in dem Inverter IV, so können die Signalflanken der Treibersignale TS1, TS2 (basierend auf den Nutzinformationen) flacher eingestellt werden und somit die Schaltvorgänge der Halbleiterschalter HL1 , HL2 langsamer durchgeführt werden . Damit wird eine drohende Gefahr durch Überspannung abgewendet. Dadurch wird die Lebensdauer der Halbleiterschalter HL1, HL2 und somit des Inverters IV verlängert.
Basierend auf Phasenstrominformation, insb. auf die an den Phasenleitungen PL gemessenen Phasenströme werden die Einschaltverhalten der Halbleiterschalter HL1, HL2 optimiert und die Schaltverluste bei den Halbleiterschaltern HL1, HL2 und die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit ) -Störungen reduziert. Basierend auf Fehlersignale, die der Mikrokontroller MK über die Statusleitung erhält, generiert der Mikrokontroller MK entsprechende Digitalsignale DS, die die Gatetreiber GT1, GT2 und somit auch die Halbleiterschalter HL1, HL2 in einen vordefinierten Diagnose-Modus versetzt, während dessen die genaue Art und der Ort des Fehlers in einer dem Fachmann bekannten Weise ermittelt werden kann.
Mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung SA ist eine nahezu kostenneutrale erweiterte Kommunikation zwischen den Gatet- reibern GT1, GT2 und dem Mikrokontroller MK möglich. Die
Schaltverluste können durch die oben beschriebene Funktionsweise signifikant reduziert werden. Ferner werden die EMV-Verhalten der Halbleiterschalter HL1, HL2 verbessert. Zudem werden Diagnosemöglichkeiten erweitert, was zu einer erhöhten Verfüg- barkeit des Gesamtsystems beiträgt.
Die Filterzeit der Filter FT1, FT2 und die Dauer der Datendecodierung in dem Datendecoder DD sind zueinander derart abgestimmt, dass keine zeitlichen Verzögerungen und auch keine Signalverzerrungen in den Treibersignalen TS1, TS2 entstehen. Insbesondere sind die Filterzeiten der zweiten Filter FT2 zum Filtern der Datensignale DS kürzer als die der ersten Filter FTl zum Filtern der Treibersignale TS1, TS2 eingestellt.
Die Synchronisation der Abläufe der Filterung, der Datendecodierung und der Anpassung der Treibersignale TS1, TS2 können mithilfe von vordefinierten Startbits (wie z. B. bei einem Flankenwechsel bzw. eine bestimmte Folge von Flankenwechseln in den Treibersignalen TS1 , TS2), die beim Datendecoder DD eingehen, erfolgt, wobei beim Vorliegen der Startbits die Kontrollpfade bzw. die Signalausgänge der entsprechenden Gatetreiber GTl, GT2 zuerst verriegelt werden können.
Damit wird sichergestellt, dass das Flanken- bzw. Pegelwechseln der Startbits keine Auswirkung auf die Ansteuerung der Halbleiterschalter HL1, HL2 hat. Erst wenn alle Bits der Digitaldaten empfangen wurden (durch Erkennen von vordefinierten Stoppbits) werden die Kontrollpfade bzw. die entsprechenden Signalausgänge der entsprechenden Gatetreiber GTl, GT2 wieder freigegeben.
Durch das zuvor beschriebene intelligente Dekodierverfahren in den Gatetreibern GTl, GT2 verhält sich die Ansteuerung un- verändert bzw. nur vernachlässigbar geringfügig gegenüber einer herkömmlichen Ansteuerung, so dass keine negativen Auswirkungen, wie z. B. erhöhte Jitter-Effekte oder eine reduzierte
Schalt-Dynamik auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters (HL1, HL2) mit mindestens einem pulsweitenmo- dulierten Treibersignal (TS1, TS2), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem pulsweitenmodulierten Treibersignal (TS1, TS2) Digitaldaten (BF) aufmoduliert übertragen werden, die Informationen über Messgröße und/oder Führungs-/Steuergröße und/oder Stellgröße zum Betreiben des Halbleiterschalters (HL1, HL2) enthalten.
2. Verfahren zum Betreiben eines positivspannungsseitigen (HL1) und eines negativspannungsseitigen (HL2) Halbleiterschalters einer Halbbrückenschaltung (HB) , wobei der positivspannungsseitige (HL1) und/oder der negativspan- nungsseitige (HL2) Halbleiterschalter mittels jeweils eines ersten (TS1) bzw. eines zweiten (TS2) pulsweitenmodulierten Treibersignals gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 betrieben werden, wobei die Digitaldaten (BF) auf dem ersten (TS1) und/oder dem zweiten (TS2) Treibersignal aufmoduliert übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem ersten (TS1) und dem zweiten (TS2) Treibersignal eine Totzeit (TZ) vorgesehen ist, wobei die Digitaldaten (BF) während der
Totzeit (TZ) übertragen werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste (TS1) und das zweite (TS2) Treibersignal abhängig von einem pulsweitermodulierten Steuersignal (SS) erzeugt werden, wobei das erste (TS1) und das zweite (TS2) Trei¬ bersignal gegenüber dem Steuersignal (SS) um eine Verzö¬ gerungszeit (VZ) verschoben werden, wobei die Digitaldaten (BF) während der Verzögerungszeit (VZ) auf dem ersten (TS1) und/oder dem zweiten (TS2) Treibersignal aufmoduliert übertragen werden. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (EM) mittels des positivspannungsseitigen (HL1) und des nega- tivspannungsseitigen (HL2) Halbleiterschalters der Halbbrückenschaltung (HB) , wobei der positivspannungsseitige (HL1) und der negativspannungsseitige (HL2) Halbleiter¬ schalter gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 5 , wobei die Digitaldaten (BF) ferner Informationen über Schaltgeschwindigkeit, Zwischenkreis- spannung, Phasenströme, Betriebsstatus und/oder Be¬ triebsfehler zum oder beim Betrieb der elektrischen Maschine enthalten .
Schaltungsanordnung (SA) zum Betreiben mindestens eines Halbleiterschalters (HL1, HL2) mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Treibersignal (TS1, TS2), umfassend einen Modulator (MO) , der eingerichtet ist, Digitaldaten (BF) auf dem pulsweitenmodulierten Treibersignal (TS1, TS2) aufzumodulieren, die Informationen über Messgröße und/oder Führungs-/Steuergröße und/oder Stellgröße zum Betreiben des Halbleiterschalters (HL1, HL2) enthalten.
Schaltungsanordnung (SA) nach Anspruch 7, die eingerichtet ist, einen positivspannungsseitigen (HL1) und einen ne- gativspannungsseitigen (HL2) Halbleiterschalter einer Halbbrückenschaltung (HB) mit jeweils einem ersten (TS1) bzw. einem zweiten (TS2) pulsweitenmodulierten Treibersignal zu betreiben, wobei der Modulator (MO) ferner eingerichtet ist, Digitaldaten (BF) auf dem ersten (TS1) und/oder dem zweiten (TS2) Treibersignal aufzumodulieren .
Stromrichter (IV), insb. Inverter, zum Betreiben einer elektrischen Maschine (EM) , umfassend:
- mindestens eine Halbbrückenschaltung (HB) mit dem
positivspannungsseitigen (HL1) und dem negativspan- nungsseitigen (HL2) Halbleiterschalter, und mindestens eine Schaltungsanordnung (SA) nach einem der Ansprüche 7 und 8 zum Betreiben des positivspan- nungsseitigen (HL1) und/oder des negativspannungs- seitigen (HL2) Halbleiterschalters.
PCT/EP2016/073368 2015-10-13 2016-09-29 Verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben mindestens eines halbleiterschalters, verfahren und stromrichter zum betreiben einer elektrischen maschine WO2017063896A1 (de)

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