WO2017093080A1 - Verfahren zur betriebspunktabhängigen steuerung der schaltflankensteilheit in einem wechselrichter - Google Patents

Verfahren zur betriebspunktabhängigen steuerung der schaltflankensteilheit in einem wechselrichter Download PDF

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Konstantin Spanos
Andreas Schoenknecht
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a switching element in an inverter. Furthermore, the invention relates to a control device for the operation of a switching element, an inverter, and an electric drive train.
  • inverters In electrical powertrains of electric and hybrid vehicles, inverters, or inverters or frequency converters, are used to supply a three-phase electric machine from a DC traction battery.
  • the inverter is used to set the required machine torque.
  • the losses of the inverter contribute significantly to the total losses of a vehicle, or vehicle losses.
  • the vehicle losses directly affect the electric vehicle range with the battery capacity or the energy demand from the battery for a given required range.
  • MOSFET based wide bandgap semiconductor technologies such as silicon carbide MOSFET, or gallium nitride based semiconductors.
  • FET-based semiconductors offer a considerable increase in efficiency and power loss compared to the established IGBT semiconductors, especially in the partial load range. Due to the resistance characteristics, the forward losses decrease quadratically with the current. Compared to bipolar devices, the linear component is no longer available. Further, the switching losses due to the higher switching speeds be reduced. In particular, it is advantageous that, in contrast to bipolar components, on and off speeds can be easily adjusted over very wide ranges via a control circuit. The significant influence of the bodywork and connection technology on the achievable switching speed and thus on the potential for savings must be taken into account. Due to the parasitic inductances in the Kommut ist ist arises during the switching process, in particular switching off, a transient switching overvoltage to the semiconductors, which is dependent on the current change.
  • the switching speed in particular the turn-off speed, must be reduced such that the specified maximum blocking resistance or maximum blocking resistance of the switching element is not exceeded ,
  • a reduced switching speed leads to higher losses in the inverter, which partially compensates for the potential for saving energy of the FET-based switching element.
  • the switching elements are driven independently of the operating point with the same drive circuit.
  • the turn-off speed is designed such that the blocking resistance of the semiconductor is sufficient even in nominal operation at maximum voltage and maximum current.
  • a method for operating a switching element in an inverter comprises the following steps:
  • a method for operating a switching element in an inverter. First, an operating point of the inverter is detected. Depending on the operating point, a turn-off speed of the switching element is adjusted. Subsequently, the switching element is operated at the adjusted turn-off speed.
  • a method which enables the operating point-dependent specification of a turn-off speed of the individual switching elements in an inverter.
  • the turn-off speed is thus advantageously optimized or maximized operating point dependent.
  • the losses within the inverter are thereby minimized operating point specific.
  • adjusting the turn-off speed includes adjusting one of at least two different turn-off speeds.
  • adjusting the turn-off speed includes setting a stepless turn-off speed.
  • an adaptable switch-off speed that is to say setting one of at least two differently sized switch-off speeds or setting a continuously adjustable switch-off speed
  • the turn-off speed of the switching elements can be maximized.
  • the losses of the switching elements in the inverter are reduced.
  • the detection of the operating point takes place in dependence on at least one measured value.
  • the measured value correlates with a phase current of the inverter, with the input voltage or DC link voltage of the inverter, with a Temperature of the inverter and / or with the gradient of the load current through the switching element power semiconductor.
  • the adaptation of the turn-off speed is carried out as a function of an operating point, which is detected at least as a function of a measured value.
  • the operating point of the inverter is detected as a function of a phase current of the inverter, the input voltage or intermediate circuit voltage of the inverter, a temperature of the inverter and / or in dependence on the gradient of the load current through the switching element.
  • several parameters are thus provided, by means of which the operating point of the inverter can be detected.
  • the turn-off speed is adjusted, in particular increased.
  • the turn-off speed is reduced with increasing load of the inverter and increased with decreasing load of the inverter.
  • the losses are advantageously reduced during operation, in particular in the part load or low load range below the rated or maximum load of the inverter.
  • the detection of the operating point of the inverter comprises comparing and determining the difference of the at least one measured value with at least one corresponding rated value, rated value or maximum value of the inverter.
  • the measured value considered is compared with a corresponding rated value, rated value or maximum value of the inverter.
  • a rated value is, for example, a nominal or maximum voltage or current, power and / or temperature of the inverter.
  • the difference of the two values is determined, which is a measure of the load or utilization of the inverter.
  • the inverter is operated at an operating point that is close to its rated value, or the allowable full load or maximum load.
  • the inverter is operated at operating points farther from the Bernese value or the permissible full load or maximum load. The inverter is thus operated in the part-load or low-load range.
  • a method which allows the determination of the load of the inverter relative to a nominal or maximum load.
  • adjusting the turn-off speed includes setting a greater turn-off speed the greater the difference determined, and setting a smaller turn-off speed the smaller the determined difference.
  • the larger the switch-off speed the larger the switch-off speed. This means, for example, that with decreasing output current or phase current of the inverter with respect to the rated or maximum current
  • a smaller turn-off speed is set the smaller the difference is. This means, for example, that as the output current or phase current of the inverter increases in the direction of the rated or maximum current, the switch-off speed is reduced. Likewise proceeding with increasing Input voltage in the direction of the rated or maximum input voltage of the inverter. With a lower turn-off speed, the switching over-voltage is reduced, so that the switching elements are not impaired or destroyed.
  • a method which increases the efficiency of an inverter, especially in the part-load and low-load range, since the losses are minimized.
  • the method comprises a further step:
  • the dead time so the waiting time after switching off the one switching element of a half-bridge to turn on the complementary switching element of the same half-bridge, also adjusted by a circuit.
  • harmful switching overvoltages which may arise due to the parasitic inductances of the circuit are avoided.
  • adjusting the dead time comprises setting one of at least two different duration dead times or setting a continuously adjustable dead time.
  • the adaptation of the turn-off speed of the switching element can be done differently.
  • the gate current can be set individually and thus the turn-off speed can be adjusted.
  • the turn-off speed can also be varied by adjusting the gate voltage.
  • alternative methods for adjusting the turn-off speed of the switching element are provided.
  • variable control of the switching elements offer the possibility to respond to errors of the inverter, for example, unexpectedly high DC link voltages or short circuits and bring the system in a safe state.
  • the invention relates to a computer program that is configured to carry out the method described so far.
  • the invention relates to a machine-readable storage medium on which the computer program described is stored.
  • the invention comprises a control device for the operation of a switching element in an inverter which is adapted to carry out a method as described so far.
  • a control device is thus provided which is set up such that the described methods for reducing the losses within the inverter can be implemented.
  • the control device comprises a detection device for detecting an operating point and a logic and default unit for adjusting a turn-off or dead time of the switching element and a control unit for the operation of the switching element.
  • the invention comprises an inverter with a described control device.
  • an inverter is thus provided, which can be operated with lower losses.
  • the invention comprises an electric drive train with a described inverter.
  • This drive train may in particular be connected to an energy source, for example a battery, and / or an electric machine.
  • an electric drive train is thus provided, the losses of which are minimized during operation.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 2 An electric drive train with an inverter and switching elements.
  • a drive circuit for switching a switching element with different turn-off speeds is provided.
  • FIG. 1 shows an electric drive train 100, which comprises an inverter INV.
  • a power source for example a battery
  • An electric machine EM can be connected to the phase current connections IL ) , IV, IW.
  • a control device 110 for the operation of a switching element LHS, in particular a power semiconductor switch is shown in the inverter INV.
  • MOSFET-based wide bandgap semiconductor technologies such as silicon carbide MOSFETs or gallium nitride based semiconductors, are particularly suitable as switching elements.
  • the control device 110 comprises detection devices UM1, IM1 for detecting an operating point Bl of the inverter as a function of the output signals of the detection devices UM1, IM1.
  • a turn-off speed TA and / or dead time TD of the switching element LHS is adjusted in a logic unit ATA.
  • the switching element LHS is operated with the adjusted turn-off speed TA or dead time TD.
  • the DC link capacitance CZK of the inverter is shown in the illustration.
  • the intermediate circuit voltage UZK is applied to the intermediate circuit of the inverter INV.
  • control inputs G of the individual switching elements LHS are shown. These are individually dependent on the operating point of the Control device 110 or logic unit ATA driven. For reasons of clarity, only one connection between the logic unit ATA to a control connection G is shown.
  • Figure 2 shows a first alternative drive circuit for switching a
  • Switching element LHS with two or more different adapted switch-off speeds TA. Shown is the driver circuit DR, which is coupled to the control input G of the switching element LHS. Depending on which of the different sized resistors, RG1, RG2 ... RGN is connected between the driver circuit DR and the control input G, the
  • the driver circuit DR is selectively connected to the control input G with one of the resistors RG1, RG2,... RGn of different size.
  • FIG. 3 shows a second drive circuit for switching a switching element LHS.
  • a driver circuit DR is connected via a continuously variable resistor RGV to the control input G of the switching element LHS. Since the resistor RGV is infinitely adjustable, the turn-off speed TA of the switching element LHS is continuously adjustable in a corresponding range. The size of the variable resistor RGV is set as a function of the detected operating point Bl of the inverter INV.
  • FIG. 4 shows a third alternative drive circuit for switching one
  • the driver circuit DR is in this case connected to a circuit IS, which can set the gate current IG at the control input G of the switching element LHS.
  • the circuit IS receives information about an operating point B1 from a sensor device UM2.
  • the sensor device UM2 is used to detect the operating point Bl of the inverter INV or in particular the detection of the operating point Bl of the switching element LHS. In particular, the sensor device UM2 detects the voltage applied to the switching element LHS.
  • By adjusting the gate current IG in dependence on the received operating point Bl is by means of the circuit IS adapted to the turn-off speed TA of the switching element LHS, optimized and minimizes the losses.
  • FIG. 5 shows a method 300 for operating a switching element LHS in an inverter INV.
  • the method begins with step 310.
  • the procedure comprises the following steps:
  • the method ends with step 360.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Verfahren (300) zum Betrieb eines Schaltelements (LHS) in einem Wechselrichter (INV). Das Verfahren umfasst das Erfassen (320) eines Betriebspunktes (B1) des Wechselrichters (INV); das Anpassen (330) einer Ausschaltgeschwindigkeit (TA) des Schaltelements (LHS) in Abhängigkeit des Betriebspunktes (B1) und das Betreiben (350) des Schaltelements (LHS) mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit (TA).

Description

VERFAHREN ZUR BETRIEBSPUNKTABHÄNGIGEN STEUERUNG DER SCHALTFLANKENSTEILHEIT IN EINEM WECHSELRICHTER Beschreibung Titel
Verfahren und Steuervorrichtung zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für den Betrieb eines Schaltelementes, einen Wechselrichter, sowie einen elektrischen Antriebsstrang.
Stand der Technik
In elektrischen Antriebssträngen von Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Wechselrichter, bzw. Inverter oder Frequenzumrichter, zur Versorgung einer elektrischen Maschine mit Drehstrom aus einer Gleichstrom-Traktionsbatterie verwendet. Der Wechselrichter wird hierzu zum Stellen des geforderten Maschinendrehmoments eingesetzt. Die Verluste des Wechselrichters tragen signifikant zu den Gesamtverlusten eines Fahrzeugs, oder den Fahrzeugverlusten, bei. Die Fahrzeugverluste beeinflussen direkt die elektrische Fahrzeugreichweite bei ge- gebener Batteriekapazität oder den Energiebedarf aus der Batterie bei vorgegebener geforderter Reichweite. In den nächsten Jahren ist zu erwarten, dass die im Wechselrichter eingesetzten Schaltelemente, insbesondere IGBT- Leistungshalbleiterschalter, durch MOSFET-basierte wide-bandgap- Halbleitertechnologien, wie Silicium-Carbid -MOSFET, oder Halbleiter auf Galli- um-Nitrid-Basis ersetzt werden. FET-basierte Halbleiter bieten gegenüber den etablierten IGBT-Halbleitern insbesondere im Teillastbereich ein erhebliches Effi- zienzsteigerungs- bzw. Verlustleistungsreduktionspotenzial. Aufgrund der Widerstandskennlinien nehmen die Durchlassverluste quadratisch mit dem Strom ab. Im Vergleich zu bipolaren Bauelementen fällt weiterhin der lineare Anteil weg. Weiter können die Schaltverluste aufgrund der höheren Schaltgeschwindigkeiten reduziert werden. Insbesondere ist von Vorteil, dass Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit im Gegensatz zu bipolaren Bauelementen über sehr weite Bereiche leicht über eine Ansteuerbeschaltung einstellbar sind. Zu berücksichtigen ist dabei der signifikante Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die realisierbare Schaltgeschwindigkeit und damit auf das Einsparpotenzial. Aufgrund der parasitären Induktivitäten im Kommutierungskreis entsteht beim Schaltvorgang , insbesondere Ausschaltvorgang, eine transiente Schaltüberspannung an den Halbleitern, die abhängig von der Stromänderung ist. Um eine Zerstörung der Halbleiter zu verhindern muss abhängig von der Induktivität im Kommutierungskreis, dem zu schaltenden Phasenstrom und der am Wechselrichter anliegenden Zwischenkreisspannung die Schaltgeschwindigkeit, insbesondere Ausschaltgeschwindigkeit, derart reduziert werden, dass die spezifizierte maximale Blockierfestigkeit bzw. die maximale Sperrfestigkeit des Schaltelementes nicht überschritten wird. Eine reduzierte Schaltgeschwindigkeit führt jedoch zu höheren Verlusten im Wechselrichter, wodurch das Verbrauchseinsparpotenzial des FET- basierten Schaltelementes teilweise wieder kompensiert wird. Nach dem Stand der Technik werden die Schaltelemente betriebspunktunabhängig mit der gleichen Ansteuerbeschaltung angesteuert. Die Ausschaltgeschwindigkeit ist dabei derart ausgelegt, dass die Blockierfestigkeit der Halbleiter auch im Nennbetrieb bei maximaler Spannung und maximalen Strom ausreichend ist.
Es besteht das Bedürfnis derartige Ansteuerungen zu verbessern, so dass eine Effizienzsteigerung, insbesondere eine Minimierung der Verluste innerhalb des Wechselrichters, insbesondere im Teillastbereich, ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
- Erfassen eines Betriebspunktes des Wechselrichters;
- Anpassen einer Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes in
Abhängigkeit des Betriebspunktes;
- Betreiben des Schaltelementes mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit. Es wird somit ein Verfahren bereitgestellt zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Zunächst wird ein Betriebspunkt des Wechselrichters er- fasst. In Abhängigkeit des Betriebspunktes wird eine Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes angepasst. Anschließend wird das Schaltelement mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit betrieben.
Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, welches die betriebspunktabhängige Vorgabe einer Ausschaltgeschwindigkeit der einzelnen Schaltelemente in einem Wechselrichter ermöglicht. Vorteilhaft wird somit die Ausschaltgeschwindigkeit betriebspunktabhängig optimiert beziehungsweise maximiert. Die Verluste innerhalb des Wechselrichters werden dadurch betriebspunktspezifisch minimiert. Somit kann bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zur Erreichung der gleichen Reichweite die Kapazität der Batterie reduziert werden und ggf. auch der Chipflächenbedarf aufgrund der geringeren Verluste der Schaltelemente im Wechselrichter reduziert werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich großen Ausschaltgeschwindigkeiten. Alternativ umfasst das Anpassen der Aus- Schaltgeschwindigkeit das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Ausschaltgeschwindigkeit.
Durch Vorsehen einer anpassbaren Ausschaltgeschwindigkeit, also das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich großen Ausschaltgeschwindigkei- ten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Ausschaltgeschwindigkeit, wird eine Berücksichtigung des Betriebspunktes bei der Vorgabe der Ausschaltgeschwindigkeit eines Schaltelementes ermöglicht. Vorteilhaft kann so betriebspunktabhängig die Ausschaltgeschwindigkeit der Schaltelemente maximiert werden. Gleichzeitig werden dabei die Verluste der Schaltelemente im Wechselrich- ter reduziert.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, erfolgt die Erfassung des Betriebspunktes in Abhängigkeit mindestens eines Messwertes. Insbesondere korreliert der Messwert mit einem Phasenstrom des Wechselrichters, mit der Ein- gangsspannung oder Zwischenkreisspannung des Wechselrichters, mit einer Temperatur des Wechselrichters und/oder mit dem Gradienten des Laststroms durch das Schaltelement Leistungshalbleiter.
Die Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit erfolgt in Abhängigkeit eines Betriebspunktes, welcher mindestens in Abhängigkeit eines Messwertes erfasst wird. Insbesondere wird der Betriebspunkt des Wechselrichters in Abhängigkeit eines Phasenstroms des Wechselrichters, der Eingangsspannung oder Zwi- schenkreisspannung des Wechselrichters, einer Temperatur des Wechselrichters und/oder in Abhängigkeit von dem Gradienten des Laststroms durch das Schaltelement erfasst. Vorteilhaft werden somit mehrere Parameter bereitgestellt, anhand derer der Betriebspunkt des Wechselrichters erfasst werden kann. Für den Fall, dass der Wechselrichter und insbesondere die betriebenen Schaltelemente unterhalb der maximalen Last betrieben werden, wird die Ausschaltgeschwindigkeit angepasst, insbesondere erhöht. Insbesondere wird die Ausschaltgeschwindigkeit mit steigender Last des Wechselrichters reduziert und mit abnehmender Last des Wechselrichters erhöht. Somit werden die Verluste vorteilhaft beim Betrieb, insbesondere im Teillast- oder Niedriglastbereich unterhalb der Nenn- oder Maximallast, des Wechselrichters reduziert.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Erfassung des Betriebspunktes des Wechselrichters das Vergleichen und Bestimmen der Differenz des mindestens einen Messwertes mit mindestens einem entsprechenden Bemessungswert, Nennwert oder Maximalwert des Wechselrichters.
Bei der Erfassung des Betriebspunktes des Wechselrichters wird der berücksichtigte Messwert mit einem entsprechenden Bemessungswert, Nennwert oder Maximalwert des Wechselrichters verglichen. Ein derartiger Bemessungswert ist beispielsweise eine Nenn- oder Maximal-Spannung beziehungsweise -Strom, Leistung und/ oder Temperatur des Wechselrichters. Bei dem Vergleichen wird die Differenz der beiden Werte bestimmt, welche ein Maß für die Belastung oder Auslastung des Wechselrichters ist. Bei einer geringen Differenz wird der Wechselrichter in einem Betriebspunkt betrieben, der nahe an seinem Bemessungswert, oder der zulässigen Vollast oder Maximallast, liegt. Mit steigender Differenz wird der Wechselrichter an Betriebspunkten betrieben, die entfernter des Bernes- sungswert oder der zulässigen Vollast oder Maximallast, liegen. Der Wechselrichter wird somit im Teillast- oder Niedriglastbereich betrieben.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches die Bestimmung der Belas- tung des Wechselrichters relativ zu einer Nenn- oder Maximallast ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit das Einstellen einer größeren Ausschaltgeschwindigkeit je größer die bestimmte Differenz ist und das Einstellen einer kleineren Ausschalt- geschwindigkeit je geringer die bestimmte Differenz ist.
Bei der Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit wird eine größere Ausschaltgeschwindigkeit eingestellt, je größer die bestimmte Differenz ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass mit kleiner werdenden Ausgangsstrom oder Phasenstrom des Wechselrichters in Bezug auf den Bemessungs- oder Maximalstrom die
Ausschaltgeschwindigkeit erhöht wird. Ebenso wird verfahren bei kleiner werdender Eingangsspannung in Bezug auf die Bemessungs- oder Maximaleingangsspannung des Wechselrichters. Je höher die Ausschaltgeschwindigkeit desto höher werden die Schaltüberspannungen. Dennoch werden dadurch die Schaltelemente nicht beeinträchtigt oder zerstört, da beispielsweise ein geringerer Phasenstrom des Wechselrichter bei nicht angepasster Ausschaltgeschwindigkeit zu einer Verringerung der Schaltüberspannung führt, da der Wert der Stromänderung über der nicht veränderten Ausschaltzeit reduziert wird. Bei einer verringerten Eingangsspannung ist eine höhere Spannungsreserve bis zum Er- reichen der maximalen Sperrfestigkeit des Schaltelementes verfügbar. Vorteilhaft werden sowohl die Wirkung der Verringerung der Schaltüberspannung bei geringerem Phasenstrom als auch die höhere Spannungsreserve bei verringerter Eingangsspannung mittels der Erhöhung der Ausschaltgeschwindigkeit genutzt und somit die Verluste des Wechselrichters minimiert und die Effizienz gesteigert.
Analog dazu wird bei der Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit eine kleinere Ausschaltgeschwindigkeit eingestellt, je kleiner die bestimmte Differenz ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass mit steigendem Ausgangsstrom oder Phasenstrom des Wechselrichters in Richtung des Bemessungs- oder Maximalstrom die Aus- Schaltgeschwindigkeit reduziert wird. Ebenso wird verfahren bei ansteigender Eingangsspannung in Richtung der Bemessungs- oder Maximaleingangsspan- nung des Wechselrichters. Mit geringerer Ausschaltgeschwindigkeit verringert sich die Schaltüberspannung, sodass die Schaltelemente nicht beeinträchtigt o- der zerstört werden.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Effizienz eines Wechselrichters insbesondere im Teillast- und Niedriglastbereich erhöht, da die Verluste minimiert werden. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt:
- Anpassen der Totzeit des Schaltelementes in Abhängigkeit eines Betriebspunktes
Neben der Ausschaltgeschwindigkeit der Schaltelemente wird die Totzeit, also die Wartezeit nach dem Ausschalten des einen Schaltelementes einer Halbbrücke bis zum Einschalten des komplementären Schaltelementes der gleichen Halbbrücke, durch eine Schaltung ebenfalls angepasst. Vorteilhaft werden somit wiederum schädliche Schaltüberspannungen, die aufgrund der parasitären Induktivitäten der Schaltung entstehen können, vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Totzeit das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich lang andauernden Tot- Zeiten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Totzeit.
Durch Vorsehen einer anpassbaren Totzeit, also das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich lang andauernden Totzeiten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Totzeit, wird eine Berücksichtigung des Betriebspunk- tes bei der Vorgabe der Totzeit eines Schaltelementes ermöglicht. Vorteilhaft kann so betriebspunktabhängig die Totzeit der Schaltelemente minimiert werden. Gleichzeitig wird so die Spannungsausnutzung des Wechselrichters maximiert, die Bauteile des Wechselrichters werden mit maximaler zulässiger beziehungsweise spezifizierter Spannung betrieben. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes,
- das Verbinden einer Gate-Ansteuerung mit einem Steuereingang des Schaltelementes über mindestens einen Gate-Widerstand, der aus einer Mehrzahl von Gate-Widerständen ausgewählt wird;
- das Einstellen eines variablen Gate-Widerstand;
- und/oder das Einstellen eines Gate-Stroms.
Das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes kann unterschiedlich erfolgen. Einerseits besteht die Möglichkeit die Gate-Ansteuerung mit einem Steuereingang des Schaltelementes über einen aus einer Mehrzahl von Gate-Widerständen ausgewählten Gate-Widerstand zu verbinden. Auch das Einstellen eines variablen Gate-Widerstands ist möglich. Andererseits kann auch der Gate-Strom individuell eingestellt werden und somit die Ausschaltgeschwindigkeit angepasst werden. Insbesondere lässt sich die Ausschaltgeschwindigkeit auch über ein Einstellen der Gate-Spannung variieren. Vorteilhaft werden alternative Verfahren zur Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes bereitgestellt.
Weiter bieten die genannten Verfahren zur variablen Ansteuerung der Schaltelemente die Möglichkeit, auf Fehlerfälle des Wechselrichters, beispielsweise unerwartet hohe Zwischenkreisspannungen oder Kurzschlüsse zu reagieren und das System in einen sicheren Zustand zu bringen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das bisher beschriebene Verfahren auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
Ferner umfasst die Erfindung eine Steuervorrichtung für den Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren, wie bisher beschrieben, auszuführen. Vorteilhaft wird damit eine Steuervorrichtung bereitgestellt, die derart eingerichtet ist, dass die beschriebenen Verfahren zur Reduktion der Verluste innerhalb des Wechselrichters ausgeführt werden können. Hierzu umfasst die Steuervorrichtung eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Betriebspunktes und eine Logik- und Vorgabeeinheit zur Anpassung einer Ausschaltgeschwindigkeit oder einer Totzeit des Schaltelementes sowie eine Steuereinheit für den Betrieb des Schaltelementes.
Ferner umfasst die Erfindung einen Wechselrichter mit einer beschriebenen Steuervorrichtung. Vorteilhaft wird somit ein Wechselrichter zur Verfügung gestellt, der mit geringeren Verlusten betrieben werden kann.
Ferner umfasst die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einen beschriebenen Wechselrichter. Dieser Antriebsstrang kann insbesondere mit einer Energiequelle, beispielsweise einer Batterie verbunden sein, und/oder einer elektrischen Maschine. Vorteilhaft wird somit ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, dessen Verlusten beim Betrieb minimiert werden.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungs- gemäßen Verfahrens entsprechend auf die Steuervorrichtung bzw. den Wechselrichter und den elektrischen Antriebsstrang, und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
Figur 1
Einen elektrischen Antriebsstrang mit einem Wechselrichter und Schaltelementen. Figur 2
Eine Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes mit unterschiedlichen Ausschaltgeschwindigkeiten.
Figur 3 und 4
Alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes mit stufenlos einstellbarer Ausschaltgeschwindigkeit.
Figur 5
Ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt einen elektrischen Antriebsstrang 100, welcher einen Wechselrichter INV umfasst. Optional kann an den Gleichspannungsanschluss, an dem die Eingangsspannung U E anliegt, eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, angeschlossen werden. An den Phasenstromanschlüssen IL), IV, IW kann eine elektrische Maschine EM angeschlossen werden. Weiter ist eine Steuervorrichtung 110 für den Betrieb eines Schaltelementes LHS, insbesondere eines Leistungshalbleiterschalters, in dem Wechselrichter INV dargestellt. Als Schaltelement eignen sich neben IGBT-Leistungshalbleiterschaltern insbesondere MOSFET-basierte wide-bandgap-Halbleitertechnologien, wie Silicium-Carbid - MOSFET, oder Halbleiter auf Gallium-Nitrid-Basis. Die Steuervorrichtung 110 umfasst Erfassungseinrichtungen UM1, IM1 zur Erfassung eines Betriebspunktes Bl des Wechselrichters in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Erfassungseinrichtungen UM1, IM1. In Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl des Wechselrichters wird in einer Logikeinheit ATA eine Ausschaltgeschwindigkeit TA und/ oder Totzeit TD des Schaltelementes LHS angepasst. Wie mittels eines Pfeils von der Logikeinheit ATA zu einem Steueranschluss G eines Schaltelementes LHS beispielhaft dargestellt, wird das Schaltelement LHS mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit TA oder Totzeit TD betrieben. Ferner ist in der Darstellung die Zwischenkreiskapazität CZK des Wechselrichters dargestellt. An dem Zwischenkreis des Wechselrichters INV liegt die Zwischenkreisspannung UZK an. Weiter sind die Steuereingänge G der einzelnen Schaltelemente LHS dargestellt. Diese werden in Abhängigkeit des Betriebspunktes individuell von der Steuereinrichtung 110 bzw. Logikeinheit ATA angesteuert. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist nur eine Verbindung zwischen der Logikeinheit ATA zu einem Steueranschluss G dargestellt. Figur 2 zeigt eine erste alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines
Schaltelementes LHS mit zwei oder mehreren verschiedenen angepassten Ausschaltgeschwindigkeiten TA. Dargestellt ist die Treiberschaltung DR, welche mit dem Steuereingang G des Schaltelementes LHS gekoppelt wird. Je nachdem welcher der unterschiedlich großen Widerstände, RG1, RG2... RGN zwischen die Treiberschaltung DR und dem Steuereingang G geschaltet wird, ändert sich die
Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS. Hierzu wird in Abhängigkeit des erfassten Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV die Treiberschaltung DR gezielt mit einem der unterschiedlich großen Widerstände RG1, RG2, ... RGn mit dem Steuereingang G verbunden.
Figur 3 zeigt eine zweite Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes LHS. Bei dieser Schaltung wird eine Treiberschaltung DR über einen stufenlos einstellbaren Widerstand RGV mit dem Steuereingang G des Schaltelementes LHS verbunden. Da der Widerstand RGV stufenlos einstellbar ist, ist in einem entsprechenden Bereich auch die Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS stufenlos anpassbar. Die Größe des variablen Widerstandes RGV wird in Abhängigkeit des erfassten Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV eingestellt. Figur 4 zeigt eine dritte alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines
Schaltelementes LHS. Die Treiberschaltung DR ist in diesem Fall mit einer Schaltung IS verbunden, die den Gate-Strom IG am Steuereingang G des Schaltelementes LHS einstellen kann. Die Schaltung IS empfängt hierzu eine Information über einen Betriebspunkt Bl aus einer Sensoreinrichtung UM2. Die Sensoreinrichtung UM2 dient der Erfassung des Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV oder insbesondere der Erfassung des Betriebspunktes Bl des Schaltelementes LHS. Insbesondere erfasst hierzu die Sensoreinrichtung UM2 die am Schaltelement LHS anliegende Spannung. Durch Einstellen des Gate- Stroms IG in Abhängigkeit des empfangenen Betriebspunktes Bl wird mittels der Schaltung IS die Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS an- gepasst, optimiert und die Verluste minimiert.
Figur 5 zeigt ein Verfahren 300 zum Betrieb eines Schaltelementes LHS in einem Wechselrichter INV. Mit Schritt 310 beginnt das Verfahren. Das Verfahren um- fasst die folgenden Schritte:
- Erfassen 320 eines Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV.
- Anpassen 330 einer Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS in
Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl;
- Insbesondere Anpassen 340 der Totzeit TD des Schaltelementes LHS in Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl und
- Betreiben 350 des Schaltelementes LHS mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit TA und/ oder der angepassten Totzeit TD.
Mit Schritt 360 endet das Verfahren.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (300) zum Betrieb eines Schaltelements (LHS) in einem Wechselrichter (INV) mit den Schritten:
Erfassen (320) eines Betriebspunktes (Bl) des Wechselrichters (INV);
Anpassen (330) einer Ausschaltgeschwindigkeit (TA) des Schaltelements (LHS) in Abhängigkeit des Betriebspunktes (Bl);
Betreiben (350) des Schaltelements (LHS) mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit (TA).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
das Anpassen (330) der Ausschaltgeschwindigkeit (TA) das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich großen Ausschaltgeschwindigkeiten (TA) um- fasst oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Ausschaltgeschwindigkeit (TA) umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung des Betriebspunktes (Bl) des Wechselrichters (INV) in Abhängigkeit mindestens eines Messwertes erfolgt, der insbesondere mit einem Phasenstrom (IU,IV,IW) des Wechselrichters (INV), mit der Eingangsspannung (U E) o- der Zwischenkreisspannung (UZK) des Wechselrichters (INV), mit einer Temperatur des Wechselrichters (INV) und/ oder mit dem Gradienten des Laststroms durch das Schaltelement (LHS) korreliert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei
die Erfassung des Betriebspunktes (Bl) des Wechselrichters (INV) das Vergleichen und Bestimmen der Differenz (DI F) des mindestens einen Messwertes mit mindestens einem entsprechenden Bemessungswert, Nennwert oder Maximalwert des Wechselrichters (INV) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei
das Anpassen (330) der Ausschaltgeschwindigkeit (TA) das Einstellen einer grö- ßeren Ausschaltgeschwindigkeit umfasst je größer die bestimmte Differenz (DI F) ist, und das Anpassen (330) der Ausschaltgeschwindigkeit (TA) das Einstellen einer kleineren Ausschaltgeschwindigkeit umfasst je geringer die bestimmte Differenz (DI F) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt:
Anpassen (340) der Totzeit (TD) des Schaltelements (LHS) in Abhängigkeit des Betriebspunktes (Bl).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei
das Anpassen (340) der Totzeit (TD) das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich lang andauernden Totzeiten (TD) umfasst oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Totzeit (TD) umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anpassen (330) der Ausschaltgeschwindigkeit (TA) des Schaltelements (LHS) umfasst:
das Verbinden einer Gateansteuerung (DR) mit einem Steuereingang (G) des Schaltelements über mindestens einen Gatewiderstand (RGx), der aus einer Mehrzahl von Gatewiderständen (RG1, RG2,.., RGn) ausgewählt wird;
das Einstellen eines variablen Gatewiderstand (RGV);
und/oder das Einstellen eines Gatestroms (IG).
9. Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8 auszuführen.
10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
11. Steuervorrichtung (110) für den Betrieb eines Schaltelements (LHS) in einem Wechselrichter (INV), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 8 auszuführen.
12. Wechselrichter (INV) mit einer Steuervorrichtung (110) nach
Anspruch 11. Elektrischer Antriebsstrang (100) mit einem Wechselrichter (INV) nach ruch 12
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