WO2019243154A1 - Leistungselektronischer wandler mit sequentiell gekühlten untereinheiten und temperaturausgleich mittels schaltfrequenzanpassung - Google Patents

Leistungselektronischer wandler mit sequentiell gekühlten untereinheiten und temperaturausgleich mittels schaltfrequenzanpassung Download PDF

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WO2019243154A1
WO2019243154A1 PCT/EP2019/065501 EP2019065501W WO2019243154A1 WO 2019243154 A1 WO2019243154 A1 WO 2019243154A1 EP 2019065501 W EP2019065501 W EP 2019065501W WO 2019243154 A1 WO2019243154 A1 WO 2019243154A1
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converter
temperature
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switching frequency
converter unit
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Jakob Mauer
Erick Baethge Peters
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Definitions

  • the present invention relates to a power electronic device and a method for operating a power electronic device.
  • Power electronic devices heat up during operation, in particular as a result of ohmic losses.
  • Power converters that output an alternating current, i.e. especially inverters and
  • Pulse width modulation method whereby pulse width modulation is often abbreviated as PWM according to the English term "pulse-width modulation”.
  • an alternating current to be generated is approximated by a so-called modulation function.
  • a switch is controlled such that in respective switching periods (which are the inverse of a switching frequency, f s ), an output voltage corresponds on average to the modulation function.
  • the modulation function can thus also be referred to as a short-term mean voltage value of an intermediate circuit voltage over a switching period.
  • the individual electronics converters are therefore often cooled by one and the same cooling circuit, i.e. through a coolant, which cools the individual converters in sequence.
  • a cooled power electronic device with three phases and an associated, cooled converter is described, for example, in DE 10 2012 208 594 A1.
  • the coolant is inevitably the coolest immediately after leaving a heat sink (e.g. a heat exchanger) and gradually heats up, to the same extent as it gradually absorbs heat from the individual converters.
  • a heat sink e.g. a heat exchanger
  • the first converter in the cooling circuit i.e. the converter that is supplied by the coolant after leaving the
  • Heat sink is cooled first) more efficiently than the last one
  • the present invention discloses a power electronic device with the features of patent claim 1 and a method for operating a power electronic device with the features of patent claim 7.
  • a power electronic device with:
  • each converter unit has a temperature sensor, which is designed to detect a converter temperature associated with the corresponding converter unit; a cooling device which is designed for sequential cooling of the at least two converter units; and a control device which is designed to compare the measured converter temperatures of at least second converter units with one another and to adapt a switching frequency of at least one converter unit based on the result.
  • the switching frequency is one of the
  • Converter units are adapted, the converter temperature was used in the comparison.
  • the switching frequency is preferably adjusted based on a temperature difference and / or
  • a converter unit is to be understood as a power electronic component which represents a converter, i.e. a rectifier, a direct current converter, an inverter, or an alternating current converter, and which generates or influences the electrical current in a line, or in a phase.
  • a converter i.e. a rectifier, a direct current converter, an inverter, or an alternating current converter
  • the power electronic device comprises more than two
  • each power converter unit can be designed with a separate power line for generating or adapting an electric current thereon.
  • two or more converter units for generating or adapting the electrical current can also be designed and arranged on one and the same power line.
  • Switching a converter unit means that the
  • the converter unit selectively produces or prevents a current flow in order to effect an average electrical current corresponding to the respective modulation function.
  • a current flow in order to effect an average electrical current corresponding to the respective modulation function.
  • the associated converter temperature can also be a temperature of a coolant shortly before or shortly after reaching and cooling the respective converter temperature.
  • two or more of the above-mentioned temperatures can be measured, and an average value, for example a differently weighted or an equally weighted average value, a median or another derived variable from the measured temperatures, can be determined as the associated converter temperature.
  • Converter unit act at least partially on each other.
  • the sequential cooling can comprise, for example, that a common coolant flows successively around and / or around the individual converter units, as a result of which the converter temperature of each converter unit uses the coolant to correspond to the converter temperatures in the coolant flow
  • Converter unit based on a result of the comparison, in particular on a temperature difference and / or
  • converter units can be controlled with a variable switching frequency in order to change their switching frequency as a function of temperature, as a result of which the overall service life of the power electronic device and / or the individual service life can be influenced positively by its components.
  • the converter temperatures can be symmetrized to the same values, i.e. Several (preferably all) converter temperatures can be adjusted to the same converter temperature value, for example to prevent a different thermal degradation due to the temperature difference of the respective phase or the switch.
  • the total service life is based on the shortest life of one of the essential components, e.g. of the converter units, so that an overall extended service life can be achieved by symmetrizing the converter temperatures overall, even if the individual service lives of individual converter units may be reduced as a result.
  • the basic idea can also be used as a software regulation of the
  • a switching frequency of a converter unit can be reduced in order to increase it Temperature of a converter unit to minimize switching losses. This also symmetrizes the temperature of the converter units.
  • control device is designed to reduce a switching frequency of a first converter unit and, essentially simultaneously or exactly simultaneously, to increase a switching frequency of a second converter unit.
  • the control device is preferably designed to execute these control commands when the first
  • Converter unit a converter unit with a first detected
  • Converter temperature is which is higher than a second detected
  • control device can be designed to regulate all of the individual converter units to the same converter temperature setpoint, the switching frequency of each one
  • Converter unit serves as a manipulated variable.
  • the cooling device comprises a coolant line, along which the at least two
  • Converter units for sequentially cooling the at least two
  • the cooling device can advantageously be made particularly compact.
  • the coolant line is designed as a circuit with a heat sink, for example with an active and / or a passive heat exchanger.
  • the first converter unit is preferably a converter unit which is arranged such that it is cooled in the coolant circuit after the second converter unit.
  • the device has at least three inverter units as converter units, which are each designed to generate an electrical alternating current and / or an electrical direct current in the respective electrical line.
  • At least one (or preferably all) of the converter units is an inverter
  • AC converter AC converter, a rectifier and / or a DC converter.
  • the switching frequency is adjusted based on a
  • the switching frequency of the first converter unit is reduced in one method step and, essentially or exactly at the same time, the switching frequency of the second converter unit is increased.
  • the first converter unit is a
  • Converter unit with a first detected converter temperature which is higher than a second detected converter temperature of the second
  • Converter unit Which converter unit is referred to as the first and the second converter unit can change over time, so that, for example, the one previously functioning as the first converter unit
  • the converter unit functions as a second converter unit and vice versa.
  • the switching frequencies of at least two converter units preferably all
  • Converter units adapted and / or regulated so that the
  • Converter temperatures of the converter units are the same, in particular taking into account the cooling effect of the cooling device, for example under Taking into account the changing temperature (coolant temperature) of a coolant of the cooling device.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a cooled
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram for explaining a method for operating a cooled power electronic device according to a further embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a cooled
  • Power electronic device 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the device 10 comprises at least two converter units, a cooled power electronic device 10 having three converter units 12-1, 12-2, 12-3, which are also referred to collectively as 12-i, being described by way of example with reference to FIG. 1.
  • the three converter units 12-i are Inverters, which are each designed to provide an electrical phase of a multi-phase electrical machine 50, in the present example thus a three-phase electrical machine 50.
  • the cooled power electronic device 10 can optionally comprise a multi-phase electrical machine 50 and in this case can also be used as a whole a refrigerated multi-phase electrical machine.
  • the individual converter units 12-i are each designed to switch with an adjustable switching frequency in order to produce an electrical current II, 12, 13 in a respective electrical line 14-1, 14-2, 14-3 (in summary: 14-i) to create.
  • each of the electrical lines 14-i carries an electrical phase for the three-phase electrical machine 50.
  • the cooled power electronic device 10 also includes a cooling device 16, which is designed for sequential cooling of the converter units 12-i.
  • the cooling device 16 has a coolant 18, which gradually flows around and / or flows around the individual converter units 12-i, or in another way absorbs and transports heat from the converter units 12-i .
  • the coolant 18 can be, for example, a cooling fluid such as water or a cooling gas such as e.g. Act air, nitrogen or the like.
  • Each of the at least two converter units 12-i has one
  • Temperature sensor 20-i which is designed and set up to detect a converter temperature T-i associated with the corresponding converter unit 12-i.
  • the associated converter temperature Ti of each converter unit 12-i is to be understood in particular as a temperature of the converter unit 12-i itself which the respective converter unit 12-i assumes in particular on account of the heat which arises from switching losses during switching.
  • the associated converter temperature Ti can also be a temperature of the coolant 18 shortly before or shortly after reaching and cooling the respective converter unit 12-i.
  • two or more of the above-mentioned temperatures can be measured, and an average value, for example a differently weighted or a, can be used as the associated converter temperature Ti
  • Temperature sensor 20-i can have a computing unit for these calculations, or for other purposes, for example a microcontroller, an application-specific integrated circuit (ASIC), an FPGA (field-programmable gate array) ) and / or the like.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • the cooled power electronic device 10 comprises a control device 22, which is designed or set up for this
  • measured converter temperatures T-i, T-j at least two
  • the converter unit 12-k To compare converter units 12-i, 12-j with one another and to adapt a switching frequency of at least one of the converter units 12-k based on the result, the converter unit 12-k, whose switching frequency being adapted, not necessarily, but preferably one of the
  • Converter units 12-i, 12-j whose converter temperatures T-i, T-k have been compared with one another.
  • k can be equal to i or equal to j, but can also be different from both i and j.
  • control device 22 can be a controller, e.g. a PI controller, and / or use a look-up table and / or a data model, for example using a processor and a non-volatile data memory of the control device 22.
  • controller e.g. a PI controller
  • look-up table and / or a data model for example using a processor and a non-volatile data memory of the control device 22.
  • the control device 22 is preferably designed to base the switching frequency of at least one converter unit 12-k on a
  • This is preferably done in such a way that the converter temperatures Ti of the converter units 12-i are synchronized, that is to say are regulated to an identical temperature value.
  • the temperature value on which regulated can be adaptable, for example based on a single, or average, electrical quantity (eg current strength) of the electrical currents which influence, in particular generate, the converter units 12-i.
  • the coolant 18 flows last to the converter unit 12-1 and first to the converter unit 12-3.
  • the converter unit 12-3 is cooled more effectively than the converter unit 12-1, so that, at originally the same switching frequencies, the converter temperature T-1 of the converter unit 12-1 increases in comparison to the converter temperature of the converter unit 12-3.
  • This can be detected by the control device 22 and compensated for by the fact that the switching frequency of the converter unit 12-1 is reduced and the switching frequency of the converter unit 12-3 is increased.
  • the same method can also be applied analogously to the ratios of the converter units 12-1 and 12-3 to the converter unit 12-3.
  • the control device 22 is preferably designed and set up to adapt and / or regulate the switching frequencies of all converter units 12-i using all converter temperatures T-i such that the converter temperatures T-i all have the same, desired temperature value.
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram for explaining a method for operating a cooled power electronic device according to a further embodiment of the present invention.
  • the method according to FIG. 2 can be carried out in particular with the cooled power electronic device according to the invention and can therefore be adapted according to all the variants and modifications of the cooled power electronic device according to the invention described, and vice versa.
  • a step S10 at least two converter units 12-i are switched for switching with a respective adjustable switching frequency in order to influence a respective electrical current II, 12, 13 in a respective electrical line 14-i, in particular according to a PWM method such as e.g. a SVPWM or a sine PWM method.
  • the control of the converter units 122-i can be controlled in particular by means of the control device 22 of the cooled
  • Power electronic device 10 take place as described in the foregoing.
  • a step S20 the at least two converter units are cooled sequentially, for example as described above with reference to the cooling device 16 of the cooled power electronic device 10.
  • a first converter temperature T-i of a first converter unit 12-i of the at least two converter units 12-i is detected, for example measured or calculated using a plurality of individually detected or measured temperatures, as described in the foregoing.
  • a second converter temperature T-j of a first converter unit 12-j of the at least two converter units 12-i is recorded, for example measured or calculated using a plurality of individually recorded or measured temperatures, as in FIG.
  • the measurement of the converter temperatures or the temperatures used for their calculation can be carried out, for example, by temperature sensors 20-i, as described in the foregoing.
  • a step S50 the detected first converter temperature T-i and the detected second converter temperature T-j are compared with one another, for example by the control device 22 of the cooled one
  • Power electronic device 10 as described above in particular a temperature difference and / or a temperature quotient can be calculated and used as a basis for the comparison.
  • the comparison can be a comparison of the calculated difference and / or the
  • step S60 a switching frequency of at least one
  • Converter unit 12-i adapted based on a result of the comparison S50, for example as in the foregoing with reference to FIG.
  • a first switching frequency of the first can advantageously
  • Converter unit 12-i can be reduced and / or a second switching frequency of the second converter unit 12-j can be increased if the detected
  • Converter temperature T-i of the first converter unit 12-i is higher than the detected converter temperature T-j of the second converter unit 12-j.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung schafft eine gekühlte leistungselektronische Vorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Die Vorrichtung ist ausgebildet mit: mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i), welche dazu ausgelegt sind, jeweils mit einer anpassbaren Schaltfrequenz zu schalten, um einen elektrischen Strom in einer jeweiligen elektrischen Leitung zu beeinflussen; wobei jede Stromrichtereinheit (12-i) einen Temperatursensor aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, eine mit der entsprechenden Stromrichtereinheit (12-i) assoziierte Stromrichtertemperatur (T-i) zu erfassen; einer Kühleinrichtung, welche zum sequentiellen Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i) ausgelegt ist; und einer Steuereinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, die gemessenen Stromrichtertemperaturen (T-i) zumindest zweier Stromrichtereinheiten (12-i) miteinander zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis eine Schaltfrequenz mindestens einer Stromrichtereinheit (12-i) anzupassen.

Description

Beschreibung
Titel
LEISTUNGSELEKTRONISCHER WANDLER MIT SEQUENTIELL GEKÜHLTEN UNTEREINHEITEN UND TEMPERATURAUSGLEICH MITTELS SCHALTFREQUENZANPASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Vorrichtung.
Stand der Technik
Leistungselektronische Vorrichtungen, beispielsweise Stromrichter, erwärmen sich im Betrieb, insbesondere durch Ohm’sche Verluste. Stromrichter, welche einen Wechselstrom ausgeben, d.h. insbesondere Wechselrichter und
Wechselstrom-Umrichter, erzeugen den Wechselstrom häufig durch
Pulsbreitenmodulationsverfahren, wobei die Pulsbreitenmodulation nach dem englischen Begriff„pulse-width modulation“ häufig auch als PWM abgekürzt wird.
Bei der PWM wird ein zu erzeugender Wechselstrom durch eine so genannte Modulationsfunktion angenähert. Daraufhin wird ein Schalter so gesteuert, dass in jeweiligen Schaltperioden (welche das Inverse einer Schaltfrequenz, fs, sind), eine ausgegebene Spannung im Mittel der Modulationsfunktion entspricht. Die Modulationsfunktion kann somit auch als ein kurzzeitiger Spannungs- Mittelwert einer Zwischenkreisspannung über eine Schaltperiode hinweg bezeichnet werden.
Grundelemente der Leistungselektronik sind beispielsweise aus Joachim
Specovius:„Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme“; Springer Vieweg; Auflage: 8 (24. Januar 2017); ISBN-10: 3658169109 bekannt. Häufig werden mehrere Wechselströme benötigt, welche zueinander
phasenverschoben sind, beispielsweise zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine. Es wird gewünscht, die Elektronik zum Betreiben solcher elektrischen Maschinen kompakt auszubilden, sodass sie, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Maschine als Antrieb, möglichst wenig Platz einnimmt. Das Kühlen der einzelnen Stromrichter der Elektronik erfolgt somit häufig durch ein- und denselben Kühlkreislauf, d.h. durch ein Kühlmittel, welches der Reihe nach die einzelnen Stromrichter kühlt.
Eine gekühlte leistungselektronische Vorrichtung mit drei Phasen und jeweils einem zugehörigen, gekühlten Stromrichter ist beispielsweise in der DE 10 2012 208 594 Al beschrieben.
Zwangsläufig ist das Kühlmittel unmittelbar nach Verlassen einer Wärmesenke (z.B. eines Wärmetauschers) am kühlsten und heizt sich nach und nach auf, im gleichen Maße wie es nach und nach Wärme von den einzelnen Stromrichtern aufnimmt. Aus diesem Grund wird der erste Stromrichter im Kühlkreislauf (d.h. derjenige Stromrichter, welcher von dem Kühlmittel nach Verlassen der
Wärmesenke als erstes gekühlt wird) effizienter gekühlt als als der letzte
Stromrichter im Kühlkreislauf (d.h. der Stromrichter, welcher von dem Kühlmittel als letztes vor Wiedereintritt des Kühlmittels in die Wärmesenke gekühlt wird). Dasselbe gilt analog selbstverständlich auch für Kühlvorrichtungen ohne
Kreislauf, wo also das Kühlmittel nicht zirkuliert, sondern stets neu (und kühl) zugeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine leistungselektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist eine leistungselektronische Vorrichtung vorgesehen, mit:
mindestens zwei Stromrichtereinheiten, welche dazu ausgelegt sind, jeweils mit einer anpassbaren Schaltfrequenz zu schalten, um einen elektrischen Strom in einer jeweiligen elektrischen Leitung zu beeinflussen, insbesondere zu erzeugen; wobei jede Stromrichtereinheit einen Temperatursensor aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, eine mit der entsprechenden Stromrichtereinheit assoziierte Stromrichtertemperatur zu erfassen; einer Kühleinrichtung, welche zum sequentiellen Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten ausgelegt ist; und einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die gemessenen Stromrichtertemperaturen zumindest zweiter Stromrichtereinheiten miteinander zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis eine Schaltfrequenz mindestens einer Stromrichtereinheit anzupassen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schaltfrequenz einer der
Stromrichtereinheiten angepasst wird, deren Stromrichtertemperatur bei dem Vergleichen verwendet wurde. Das Anpassen der Schaltfrequenz erfolgt bevorzugt basierend auf einer Temperaturdifferenz und/oder einem
Temperaturverhältnis zwischen den mindestens zwei erfassten
Stromrichtertemperaturen.
Unter einer Stromrichtereinheit ist ein leistungselektronisches Bauteil zu verstehen, welches einen Stromrichter darstellt, d.h. einen Gleichrichter, einen Gleichstromumrichter, einen Wechselrichter, oder einen Wechselstromumrichter, und welches den elektrischen Strom in einer Leitung, oder einer Phase, erzeugt oder beeinflusst.
Umfasst die leistungselektronische Vorrichtung mehr als zwei
Stromrichtereinheiten, so kann jede Stromrichtereinheit mit einer separaten Stromleitung zum Erzeugen oder Anpassen eines elektrischen Stroms darauf ausgebildet sein. Alternativ können auch zwei oder mehre Stromrichtereinheiten zum Erzeugen oder Anpassen des elektrischen Stroms auf ein und derselben Stromleitung ausgebildet und angeordnet sein.
Unter dem Schalten einer Stromrichtereinheit ist zu verstehen, dass die
Stromrichtereinheit selektiv einen Stromfluss herstellt oder unterbindet, um im Mittel einen der jeweiligen Modulationsfunktion entsprechenden elektrischen Strom zu bewirken. Unter einer assoziierten Stromrichtertemperatur ist insbesondere eine
Temperatur der Stromrichtereinheit selbst zu verstehen. Alternativ kann es sich bei der assoziierten Stromrichtertemperatur auch um eine Temperatur eines Kühlmittels kurz vor oder kurz nach dem Erreichen und Kühlen der jeweiligen Stromrichtertemperatur handeln. In einer Variante können zwei oder mehr der oben genannten Temperaturen gemessen werden, und als die assoziierte Stromrichtertemperatur kann ein Mittelwert, beispielsweise ein unterschiedlich gewichteter oder ein gleichgewichteter Mittelwert, ein Median, oder eine andere abgeleitete Größe aus den gemessenen Temperaturen bestimmt werden.
Unter einem sequentiellen Kühlen von Stromrichtereinheiten soll insbesondere verstanden werden, dass die Stromrichtertemperaturen der einzelnen
Stromrichtereinheit zumindest teilweise aufeinander einwirken. Das sequentielle Kühlen kann beispielsweise umfassen, dass ein gemeinsames Kühlmittel nacheinander die einzelnen Stromrichtereinheiten an- und/oder umströmt, wodurch sich die Stromrichtertemperatur jeder Stromrichtereinheit mittels des Kühlmittels auf die Stromrichtertemperaturen der im Kühlmittelstrom
stromabwärts liegenden Stromrichtereinheiten auswirkt.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Vorrichtung bereitgestellt, mit den Schritten:
Steuern von mindestens zwei Stromrichtereinheiten zum Schalten mit einer jeweiligen anpassbaren Schaltfrequenz um einen elektrischen Strom in einer jeweiligen elektrischen Leitung zu beeinflussen, insbesondere zu erzeugen; Sequentielles Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten; Erfassen einer ersten Stromrichtertemperatur einer ersten Stromrichtereinheit der mindestens zwei Stromrichtereinheiten; Erfassen einer zweiten Stromrichtertemperatur einer zweiten Stromrichtereinheit der mindestens zwei Stromrichtereinheiten;
Vergleichen der erfassten ersten Stromrichtertemperatur und der erfassten zweiten Stromrichtertemperatur; und Anpassen der Schaltfrequenz einer Stromrichtereinheit, insbesondere der ersten und/oder der zweiten
Stromrichtereinheit, basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens, insbesondere auf einer Temperaturdifferenz und/oder einem
Temperaturverhältnis zwischen der ersten und der zweiten erfassten
Stromrichtertemperatur. Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass Stromrichtereinheiten mit variabler Schaltfrequenz gesteuert werden können, um temperaturabhängig ihre Schaltfrequenz zu verändern, wodurch die Gesamtlebensdauer der leistungselektronischen Vorrichtung und/oder die einzelnen Lebensdauern von deren Bestandteilen positiv beeinflusst werden können.
Somit kann eine Symmetrisierung der Stromrichtertemperaturen auf die gleichen Werte erfolgen, d.h. mehrere (vorzugsweise alle) Stromrichtertemperaturen können auf denselben Stromrichtertemperaturwert eingeregelt werden, beispielsweise um zu verhindern, dass es aufgrund der Temperaturdifferenz der jeweiligen Phase bzw. des Schalter zu einer unterschiedlichen thermischen Degradierung kommt. Bei vielen leistungselektronisch Vorrichtungen bemisst sich nämlich die Gesamtlebensdauer nach der kürzesten Lebensdauer einer der essentiellen Komponenten, z.B. der Stromrichtereinheiten, sodass durch eine Symmetrisierung der Stromrichtertemperaturen insgesamt eine verlängerte Gesamtlebensdauer erreicht werden kann, selbst wenn sich die einzelnen Lebensdauern einzelner Stromrichtereinheiten unter Umständen dadurch verringern kann.
Durch das Symmetrisieren der Stromrichtertemperaturen und wird insgesamt bei allen Stromrichtereinheiten eine ähnliche Bauteilbelastung erzielt, und die Verfügbarkeit der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung wird maximiert.
Die grundlegende Idee kann auch als softwareseitige Regelung der
Temperaturdifferenz je nachdem welche Phase thermisch überlastet ist, bezeichnet werden.
Eine Erhöhung der Schaltfrequenz bei vergleichsweise kühlen
Stromrichtereinheiten erhöht die Schaltverluste und
führt somit zu einer Symmetrisierung der Temperaturen. Ebenso kann eine Schaltfrequenz einer Stromrichtereinheit verkleinert werden, um bei erhöhter Temperatur einer Stromrichtereinheit die Schaltverluste zu minimieren. Dadurch wird ebenfalls die Temperatur der Stromrichtereinheiten symmetrisiert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt eine Schaltfrequenz einer ersten Stromrichtereinheit zu verringern und, im Wesentlichen gleichzeitig oder genau gleichzeitig, eine Schaltfrequenz einer zweiten Stromrichtereinheit zu erhöhen. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ausgebildet, diese Steuerbefehle auszuführen, wenn die erste
Stromrichtereinheit eine Stromrichtereinheit mit einer ersten erfassten
Stromrichtertemperatur ist, welche höher ist als eine zweite erfasste
Stromrichtertemperatur der zweiten Stromrichtereinheit, oder, anders
ausgedrückt, wenn die erste Stromrichtereinheit eine höhere
Stromrichtertemperatur aufweist als die zweite Stromrichtereinheit.
Besonders bevorzugt werden alle Stromrichtereinheiten durch die
Steuereinrichtung gesteuert oder geregelt, ihre Schaltfrequenz derart
anzupassen, dass die Stromrichtereinheiten alle dieselbe Stromrichtertemperatur aufweisen. Anders ausgedrückt kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die einzelnen Stromrichtereinheiten alle auf denselben Stromrichtertemperatur- Sollwert hin zu regeln, wobei die Schaltfrequenz jeder einzelnen
Stromrichtereinheit als Stellgröße dient.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Kühleinrichtung eine Kühlmittelleitung umfasst, entlang welcher die mindestens zwei
Stromrichtereinheiten zum sequentiellen Kühlen der mindestens zwei
Stromrichtereinheiten angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Kühleinrichtung vorteilhaft besonders kompakt ausgebildet werden. Bevorzugt ist es, dass die Kühlmittelleitung als ein Kreislauf mit einer Wärmesenke ausgebildet ist, z.B. mit einem aktiven und/oder einem passiven Wärmetauscher. Bevorzugt ist die erste Stromrichtereinheit eine Stromrichtereinheit, welche so angeordnet ist, dass sie im Kühlmittelkreislauf nach der zweiten Stromrichtereinheit gekühlt wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung mindestens drei Wechselrichtereinheiten als Stromrichtereinheiten auf, welche jeweils zum Erzeugen eines elektrischen Wechselstroms und/oder eines elektrischen Gleichstroms in der jeweiligen elektrischen Leitung ausgelegt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine (oder sind bevorzugt alle) der Stromrichtereinheiten ein Wechselrichter, ein
Wechselstromumrichter, ein Gleichrichter und/oder ein Gleichstromumrichter.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Anpassen der Schaltfrequenz basierend auf einer
Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturverhältnis (oder
Temperaturquotienten) zwischen der ersten und der zweiten erfassten
Stromrichtertemperatur.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Verfahrensschritt die Schaltfrequenz der ersten Stromrichtereinheit verringert und, im Wesentlichen oder genau gleichzeitig, die Schaltfrequenz der zweiten Stromrichtereinheit erhöht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Stromrichtereinheit eine
Stromrichtereinheit mit einer ersten erfassten Stromrichtertemperatur, welche höher ist als eine zweite erfasste Stromrichtertemperatur der zweiten
Stromrichtereinheit. Welche Stromrichtereinheit jeweils als erste und als zweite Stromrichtereinheit bezeichnet wird, kann im zeitlichen Verlauf ändern, sodass beispielsweise die zuvor als erste Stromrichtereinheit fungierende
Stromrichtereinheit in einem zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt als zweite Stromrichtereinheit fungiert und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Schaltfrequenzen von mindestens zwei Stromrichtereinheiten, bevorzugt von allen
Stromrichtereinheiten, derart angepasst und/oder geregelt, dass die
Stromrichtertemperaturen der Stromrichtereinheiten gleich sind, insbesondere unter Berücksichtigung der Kühlwirkung der Kühleinrichtung, z.B. unter Berücksichtigung der sich verändernden Temperatur (Kühlmitteltemperatur) eines Kühlmittels der Kühleinrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer gekühlten
leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Betreiben einer gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere
Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer gekühlten
leistungselektronischen Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst mindestens zwei Stromrichtereinheiten, wobei anhand von Fig. 1 beispielhaft eine gekühlte leistungselektronische Vorrichtung 10 mit drei Stromrichtereinheiten 12-1, 12-2, 12-3 beschrieben wird, welche zusammenfassend auch mit 12-i bezeichnet werden. In dem anhand von Fig. 1 erläuterten Beispiel handelt es sich bei den drei Stromrichtereinheiten 12-i um Wechselrichter, welche dazu ausgelegt sind, jeweils eine elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Maschine 50 bereitzustellen, in dem vorliegenden Beispiel somit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 50. Die gekühlte leistungselektronische Vorrichtung 10 kann optional eine mehrphasige elektrische Maschine 50 umfassen und kann in diesem Fall auch insgesamt als eine gekühlte mehrphasige elektrische Maschine bezeichnet werden.
Die einzelnen Stromrichtereinheiten 12-i sind dazu ausgelegt, jeweils mit einer anpassbaren Schaltfrequenz zu schalten, um einen elektrischen Strom II, 12, 13 in einer jeweiligen elektrischen Leitung 14-1, 14-2, 14-3 (zusammenfassend: 14- i) zu erzeugen. In dem anhand von Fig. 1 gezeigten Beispiel führt jeder der elektrischen Leitungen 14-i eine elektrische Phase für die dreiphasige elektrische Maschine 50.
Die gekühlte leistungselektronische Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine Kühleinrichtung 16, welche zum sequentiellen Kühlen der Stromrichtereinheiten 12-i ausgelegt ist. In dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Beispiel weist die Kühleinrichtung 16 dazu ein Kühlmittel 18 auf, welches nach und nach die einzelnen Stromrichtereinheiten 12-i an- und/oder umströmt, oder in sonstiger Weise Wärme von den Stromrichtereinheiten 12-i aufnimmt und abtransportiert. Bei dem Kühlmittel 18 kann es sich beispielsweise um eine Kühlfluid wie etwa Wasser, oder um ein Kühlgas wie z.B. Luft, Stickstoff oder dergleichen handeln.
Jede der mindestens zwei Stromrichtereinheiten 12-i weist einen
Temperatursensor 20-i auf, welcher dazu ausgelegt und eingerichtet ist, eine mit der entsprechenden Stromrichtereinheit 12-i assoziierte Stromrichtertemperatur T-i zu erfassen.
Unter der assoziierten Stromrichtertemperatur T-i jeder Stromrichtereinheit 12-i ist insbesondere eine Temperatur der Stromrichtereinheit 12-i selbst zu verstehen, welche die jeweilige Stromrichtereinheit 12-i insbesondere aufgrund der Wärme annimmt, welche durch Schaltungsverluste beim Schalten entsteht. Alternativ kann es sich bei der assoziierten Stromrichtertemperatur T-i auch um eine Temperatur des Kühlmittels 18 kurz vor oder kurz nach dem Erreichen und Kühlen der jeweiligen Stromrichtereinheit 12-i handeln. In einer Variante können zwei oder mehr der oben genannten Temperaturen gemessen werden, und als die assoziierte Stromrichtertemperatur T-i kann ein Mittelwert, beispielsweise ein unterschiedlich gewichteter oder ein
gleichgewichteter Mittelwert, ein Median, oder eine andere abgeleitete Größe aus den gemessenen Temperaturen bestimmt werden. Der jeweilige
Temperatursensor 20-i kann für diese Berechnungen, oder für andere Zwecke, eine Recheneinheit aufweisen, beispielweise einen Mikrokontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl,„application-specific integrated Circuit“, ASIC), ein FPGA („field-programmable gate array”) und/oder dergleichen mehr.
Außerdem umfasst die gekühlte leistungselektronische Vorrichtung 10 eine Steuereinrichtung 22, welche dazu ausgelegt oder eingerichtet ist, die
gemessenen Stromrichtertemperaturen T-i, T-j mindestens zweier
Stromrichtereinheiten 12-i, 12-j miteinander zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis eine Schaltfrequenz mindestens einer der Stromrichtereinheiten 12-k anzupassen, wobei die Stromrichtereinheit 12-k, deren Schaltfrequenz angepasst wird, nicht zwangsläufig, aber bevorzugt eine der
Stromrichtereinheiten 12-i, 12-j ist, deren Stromrichtertemperaturen T-i, T-k miteinander verglichen wurden. Mit anderen Worten: k kann gleich i oder gleich j sein, kann aber auch sowohl von i als auch von j verschieden sein.
Die Steuereinrichtung 22 kann hierzu einen Regler, z.B. einen PI-Regler, aufweisen und/oder eine Look-up-Tabelle und/oder ein Datenmodell verwenden, beispielsweise unter Verwendung eines Prozessors und eines nicht-flüchtigen Datenspeichers der Steuereinrichtung 22.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 22 dazu ausgelegt, die Schaltfrequenz mindestens einer Stromrichtereinheit 12-k basierend auf einer
Temperaturdifferenz (T-i - T-j) und/oder einem Temperaturverhältnis (T-i/T-j) zwischen mindestens zwei erfassten Stromrichtertemperaturen T-i , T-j anzupassen. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass die Stromrichtertemperaturen T-i der Stromrichtereinheiten 12-i synchronisiert werden, d.h. auf einen gleichen Temperaturwert geregelt werden. Der Temperaturwert, auf welchen geregelt wird, kann anpassbar sein, beispielsweise basierend auf einer einzelnen, oder durchschnittlichen, elektrischen Größe (z.B. Stromstärke) der elektrischen Ströme, welche die Stromrichtereinheiten 12-i beeinflussen, insbesondere erzeugen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel etwa strömt das Kühlmittel 18 als letztes die Stromrichtereinheit 12-1 an und als erstes die Stromrichtereinheit 12-3 an.
Dementsprechend wird die Stromrichtereinheit 12-3 effektiver gekühlt als die Stromrichtereinheit 12-1, sodass, bei ursprünglich gleichen Schaltfrequenzen, die Stromrichtertemperatur T-l der Stromrichtereinheit 12-1 im Vergleich zu der Stromrichtertemperatur der Stromrichtereinheit 12-3 ansteigt. Dies kann durch die Steuereinrichtung 22 erfasst und dadurch ausgeglichen werden, dass die Schaltfrequenz der Stromrichtereinheit 12-1 verringert, und die Schaltfrequenz der Stromrichtereinheit 12-3 erhöht wird. Dasselbe Verfahren lässt sich analog auch auf die Verhältnisse der Stromrichtereinheiten 12-1 und 12-3 zu der Stromrichtereinheit 12-3 übertragen.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 22 dazu ausgebildet und eingerichtet, die Schaltfrequenzen aller Stromrichtereinheiten 12-i unter Verwendung aller Stromrichtertemperaturen T-i derart angepasst und/oder geregelt werden, dass die Stromrichtertemperaturen T-i alle denselben, gewünschten Temperaturwert aufweisen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Betreiben einer gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren gemäß Fig. 2 ist insbesondere mit der erfindungsgemäßen gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung durchführbar und ist daher gemäß allen beschriebenen Varianten und Modifikationen der erfindungsgemäßen gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung anpassbar und umgekehrt.
Wenn im Folgenden zur Erläuterung des Verfahrens gemäß Fig. 2 vereinzelt auf Elemente der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung 10 und deren Bezugszeichen Bezug genommen wird, verdeutlicht dies die Eignung der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung 10 für die Durchführung der genannten Verfahrensschritt, welche jedoch nicht auf die Durchführung mit der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung 10 eingeschränkt sind.
In einem Schritt S10 werden mindestens zwei Stromrichtereinheiten 12-i zum Schalten mit einer jeweiligen anpassbaren Schaltfrequenz um einen jeweiligen elektrischen Strom II, 12, 13 in einer jeweiligen elektrischen Leitung 14-i zu beeinflussen, insbesondere nach einem PWM-Verfahren wie z.B. einem SVPWM oder einem Sinus-PWM-Verfahren. Das Steuern der Stromrichtereinheitenl2-i kann insbesondere mittels der Steuereinrichtung 22 der gekühlten
leistungselektronischen Vorrichtung 10 erfolgen, wie im Voranstehenden beschrieben.
In einem Schritt S20 werden die mindestens zwei Stromrichtereinheiten sequentiell gekühlt, beispielsweise wie im Voranstehenden mit Bezug auf die Kühleinrichtung 16 der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung 10 beschrieben.
In einem Schritt S30 wird eine erste Stromrichtertemperatur T-i einer ersten Stromrichtereinheit 12-i der mindestens zwei Stromrichtereinheiten 12-i erfasst, beispielsweise gemessen oder unter Verwendung von mehreren einzelnen erfassten oder gemessenen Temperaturen berechnet, wie im Voranstehenden beschrieben. In einem Schritt S40 wird eine zweite Stromrichtertemperatur T-j einer ersten Stromrichtereinheit 12-j der mindestens zwei Stromrichtereinheiten 12-i erfasst, beispielsweise gemessen oder unter Verwendung von mehreren einzelnen erfassten oder gemessenen Temperaturen berechnet, wie im
Voranstehenden beschrieben. Das Messen der Stromrichtertemperaturen oder zu deren Berechnung verwendeten Temperaturen kann beispielsweise durch Temperatursensoren 20-i erfolgen, wie im Voranstehenden beschrieben.
In einem Schritt S50 werden die erfasste erste Stromrichtertemperatur T-i und die erfasste zweite Stromrichtertemperatur T-j miteinander verglichen, beispielsweise durch die Steuereinrichtung 22 der gekühlten
leistungselektronischen Vorrichtung 10 wie im Voranstehenden beschrieben, wobei insbesondere eine Temperaturdifferenz und/oder ein Temperaturquotient berechnet und dem Vergleich zugrunde gelegt werden kann. Das Vergleichen kann ein Vergleichen der berechneten Differenz und/oder des
Temperaturkoeffizienten mit einem jeweiligen Schwellwert umfassen. In einem Schritt S60 wird eine Schaltfrequenz mindestens einer
Stromrichtereinheit 12-i basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens S50 angepasst, beispielsweise wie im Voranstehenden mit Bezug auf die
Steuereinrichtung 22 der gekühlten leistungselektronischen Vorrichtung 10 beschrieben.
Insbesondere kann vorteilhaft eine erste Schaltfrequenz der ersten
Stromrichtereinheit 12-i verringert werden und/oder eine zweite Schaltfrequenz der zweiten Stromrichtereinheit 12-j erhöht werden, wenn die erfasste
Stromrichtertemperatur T-i der ersten Stromrichtereinheit 12-i höher ist als die erfasste Stromrichtertemperatur T-j der zweiten Stromrichtereinheit 12-j.
Besonders bevorzugt erfolgt dies derart, dass die Stromrichtertemperaturen T-i aller Stromrichtereinheiten 12-i auf den gleichen Temperaturwert geregelt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Leistungselektronische Vorrichtung (10), mit:
mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i), welche dazu ausgelegt sind, jeweils mit einer anpassbaren Schaltfrequenz zu schalten, um einen elektrischen Strom in einer jeweiligen elektrischen Leitung zu beeinflussen;
wobei jede Stromrichtereinheit (12-i) einen Temperatursensor aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, eine mit der entsprechenden Stromrichtereinheit (12-i) assoziierte Stromrichtertemperatur (T-i) zu erfassen;
einer Kühleinrichtung, welche zum sequentiellen Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i) ausgelegt ist; und
einer Steuereinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, die gemessenen Stromrichtertemperaturen (T-i) zumindest zweier Stromrichtereinheiten (12-i) miteinander zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis eine Schaltfrequenz mindestens einer Stromrichtereinheit (12-i) anzupassen.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,
wobei die Steuereinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine Schaltfrequenz einer ersten Stromrichtereinheit (12-1) zu verringern und, im Wesentlichen gleichzeitig, eine Schaltfrequenz einer zweiten Stromrichtereinheit (12-2, 12-3) zu erhöhen.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2,
wobei die erste Stromrichtereinheit (12-1) eine Stromrichtereinheit mit einer ersten erfassten Stromrichtertemperatur (T-l) ist, welche höher ist als eine zweite erfasste Stromrichtertemperatur (T-2, T-3) der zweiten Stromrichtereinheit (12-2, 12-3).
4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Kühleinrichtung (16) eine Kühlmittelleitung umfasst, entlang welcher die mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i) zum sequentiellen Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i) angeordnet sind.
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Vorrichtung (10) mindestens drei Wechselrichtereinheiten als
Stromrichtereinheiten (12-i) aufweist, welche jeweils zum Erzeugen eines elektrischen Wechselstroms (II, 12, 13) in der jeweiligen elektrischen Leitung (14- i) ausgelegt sind.
6. Vorrichtung (10)nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei mindestens eine der Stromrichtereinheiten (12-i) ein Wechselrichter, ein Wechselstromumrichter, ein Gleichrichter und/oder ein Gleichstromumrichter ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Vorrichtung (10), mit den Schritten:
Steuern von mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i) zum Schalten mit einer jeweiligen anpassbaren Schaltfrequenz um einen elektrischen Strom in einer jeweiligen elektrischen Leitung zu beeinflussen;
Sequentielles Kühlen der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i);
Erfassen einer ersten Stromrichtertemperatur (T-l) einer ersten
Stromrichtereinheit (12-1) der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i); Erfassen einer zweiten Stromrichtertemperatur einer zweiten Stromrichtereinheit (12-2, 12-3) der mindestens zwei Stromrichtereinheiten (12-i);
Vergleichen der erfassten ersten Stromrichtertemperatur (T-l) und der erfassten zweiten Stromrichtertemperatur (T-2, T-3); und
Anpassen der Schaltfrequenz mindestens einer Stromrichtereinheit (12-i) basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
wobei das Anpassen der Schaltfrequenz basierend auf einer Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturverhältnis zwischen der ersten und der zweiten erfassten Stromrichtertemperatur (T-i) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
wobei die Schaltfrequenz der ersten Stromrichtereinheit (12-1) verringert wird und, im Wesentlichen gleichzeitig, die Schaltfrequenz der zweiten
Stromrichtereinheit (12-2, 12-3) erhöht wird, wenn die erste Stromrichtereinheit (12-1) eine Stromrichtereinheit mit einer ersten erfassten Stromrichtertemperatur (T-l) ist, welche höher ist als eine zweite erfasste Stromrichtertemperatur (T-2, T-3) der zweiten Stromrichtereinheit (12-2, 12-3).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
wobei die Schaltfrequenzen aller Stromrichtereinheiten (12-i) derart angepasst und/oder geregelt werden, dass die Stromrichtertemperaturen (T-i) der Stromrichtereinheiten (12-i) gleich sind.
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