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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschalteranordnung mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten und insbesondere in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbundenen Schaltelementen, wobei die Schaltelemente zur Verarbeitung einer Eingangsspannung zu einer Ausgangsspannung von einer Steuereinheit derart angesteuert oder getaktet sind, dass sich Einschaltphasen der Schaltelemente abwechseln, wobei die Einschaltphasen der Schaltelemente durch Totzeitphasen voneinander getrennt sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern von wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten und insbesondere in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbundenen Schaltelementen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mittels einer Gleichstromquelle gespeist werden, zum Betrieb jedoch eine oder mehrere Wechselstromphasen benötigen. Im Bereich des Automobilbaus sind derartige elektrische Maschinen insbesondere als Drehstrommotoren, z.B. permanent- oder fremderregte Synchronmotoren ausgeführt. Zum Ansteuern solcher elektrischer Maschinen werden u. a. Wechselrichter eingesetzt. Für jede Phase ist eine Halbbrücke mit jeweils zwei Schalttransistoren erforderlich. Bei den für die Ansteuerung der elektrischen Maschine notwendigen Umschaltvorgängen der Schalttransistoren müssen Fälle unbedingt vermieden werden, bei denen beide Schalttransistoren einer Halbbrücke gleichzeitig leitend sind. Diese Zustände würden umgehend zur Zerstörung der Schalttransistoren führen, da die Stromquelle, z.B. in Form einer Batterie, kurzgeschlossen werden würde und die auftretenden Ströme deutlich außerhalb der im Normalbetrieb auftretenden Werte liegen. Prinzipiell kann auch die Stromquelle zerstört werden.
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Die maximal darstellbare Systemleistung (z.B. Motorleistung bzw. Motormoment) hängt typischerweise von der maximal erreichbaren Einschaltdauer der Schalter ab. Diese maximale Einschaltdauer wird durch eine Totzeit herabgesetzt. In erster Näherung ist dieser Effekt prinzipbedingt und nicht zu vermeiden. Die erforderliche Totzeit hängt in hohem Maße vom gerade eingestellten Betriebspunkt und von weiteren Einflussgrößen, wie der Temperatur der Schalttransistoren, dem aktuell fließenden Strom, der aktuell anliegenden Hochvolt-Spannung, von vergangenen Lastprofilen usw., ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher erfindungsgemäß eine Leistungsschalteranordnung vorgeschlagen mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten und insbesondere in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbundenen Schaltelementen, wobei die Schaltelemente zur Verarbeitung einer Eingangsspannung zu einer Ausgangsspannung von einer Steuereinheit derart angesteuert oder getaktet sind, dass sich Einschaltphasen der Schaltelemente abwechseln, wobei die Einschaltphasen der Schaltelemente durch Totzeitphasen voneinander getrennt sind, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Dauer von Totzeitphasen, die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einschaltphasen liegen und während denen die Schaltelemente ausgeschaltet sind, variabel einzustellen.
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Die Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zum Ansteuern von wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten und insbesondere in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbundenen Schaltelementen vor.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Erfindung kann die Dauer der Totzeit so kurz wie möglich, jedoch mindestens so groß eingestellt werden, dass sich kein unzulässiger Betrieb, z.B. ein Halbbrückenkurzschluss, ergibt.Zugleich steigt die maximal mögliche Ansteuerzeit und damit die Systemlelistung an.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaltelemente jeweils als Schalttransistor mit jeweils einer Freilaufdiode ausgebildet.
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Schalttransistoren sind kostengünstig herzustellende, verlustarm schaltende Halbleiterbauelemente, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglichen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die Schaltelemente jeweils als IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Transistor oder als Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Mosfet) ausgebildet.
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Selbstverständlich können auch beliebige Kombinationen von bipolaren und unipolaren Bauelementen vorgesehen sein: Mosfet und Mosfet, IGBT und Mosfet, sowie IGBT und IGBT. Derartige Halbleiterschalter erlauben eine präzise zeitliche Koordinierung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Halbleiterschalter, was den optimalen Betrieb der resultierenden Schaltanordnung ermöglicht.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Leistungsschalteranordnung zwei Eingangsleitungen zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle und wenigstens eine die beiden Eingangsleitungen verbindende Halbbrücke auf. Dabei weist die Halbbrücke eine Ausgangsleitung zum Anschluss eines Wechselstrom-Verbrauchers auf. Jede Halbbrücke weist zwei taktbare Leistungshalbleiterschalter mit jeweils einer der Freilaufdioden auf.
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Damit kann auf schaltungstechnisch einfache Weise eine einphasige Umrichterkonfiguration gebildet werden. Ferner kann eine solche Leistungsschalteranordnung zu einer mehrphasigen, beispielsweise dreiphasigen Konfiguration erweitert werden. Dabei ist für jede Phase eine Halbbrücke mit lediglich zwei Schaltelementen erforderlich.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Dauer der Totzeitphasen auf der Grundlage von Messwerten eines vorhergehenden Schaltzyklus der Schaltelemente einzustellen. Mit anderen Worten werden elektrische Größen in einem ersten Schaltzyklus gemessen und in einem folgenden Schaltzyklus wird die Totzeitphase auf der Grundlage der Messungen eingestellt.
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Dadurch ist mit einfachen Mittel eine präziese Regelung der Totzeitphasen möglich. Vorzugsweise ist der Steuereinheit ein Speicher mit Kennfelddaten zugeordnet und die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Dauer der Totzeitphasen auf der Grundlage der Kennfelddaten einzustellen. Dadurch können die Totzeitphasen mit einfachen Mitteln präzise eingestellt werden.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kennfelddaten eine aktuelle Temperatur der Leistungsschalteranordnung einen aktuellen Phasenstrom und/oder eine aktuelle Zwischenkreisspannung berücksichtigen. Dadurch können die Einflussgrößen effektiv berücksichtigt werden, die die Totzeitphasen besonders beeinflussen.
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Vorzugsweise sind den Freilaufdioden Strommessmittel zugeordnet, um einen Diodenstrom der Freilaufdioden zu messen und die Totzeiotphasen in Abhängigkeit des Diodenstroms einzustellen. Dabei ist die Steuereinheit vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die Totzeitphasen derart einzustellen, dass der jeweilige Diodenstrom minimiert wird. Dadurch können die Totzeitphasen individuell und präzise eingestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Leistungsschalteranordnung eine Strommessvorrichtung auf, um einen ersten Strom, der durch ein erstes der Schaltelement fließt, zu erfassen und die Totzeiotphasen in Abhängigkeit des ersten Stroms einzustellen. Eine Steuereinheit erzeugt dabei vorzugsweise ein ein Einschalten eines zweiten der Schaltelemente bewirkendes Steuersignal, so dass der erste Strom einen ersten Stromschwellenwert unterschreitet, wobei der erste Schwellenwert größer als Null ist.
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Dadurch kann der Schaltzeitpunkt des zweiten der Schaltelemente mit einfachen Mitteln eingestellt werden, um die Totzeitphase optimal einzustellen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Leistungsschalteranordnung eine Strommessvorrichtung auf, um einen ersten Strom, der durch das erste der Schaltelemente fließt, und einen zweiten Strom, der durch ein zweites der Schaltelemente fließt, zu erfassen und die Totzeiotphasen in Abhängigkeit der gemessenen Ströme einzustellen. Dabei erzeugt die Steuereinheit vorzugsweise ein ein Einschalten des zweiten Schaltelementes bewirkendes Steuersignal, so dass der erste Strom einen ersten Stromschwellenwert überschreitet und der zweite Strom einen zweiten Stromschwellenwert unterschreitet.
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Dadurch kann der Schaltzeitpunkt des zweiten Schaltelementes besonders präziese eingestellt werden, da die Ströme in beiden Schaltelementen gemessen werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Spannungsmessvorrichtung vorgesehen, mit der die Teilspannungen, die jeweils über eines der Schaltelemente abfallen, gemessen werden. Die Steuereinheit erzeugt ein ein Einschalten des zweiten Schaltelementes bewirkendes Steuersignal, so dass die Teilspannung, die über das erste der Schaltelemete abfällt, einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet und die Teilspannung, die über das zweite der Schaltelemente abfällt, einen zweiten Spannungsschwellenwert unterschreitet.
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D. h. zur Regelung wird die jeweilige Spannung über beide Schaltelemente gemessen. Wenn diese Spannungen einen zu definierenden Wert über- bzw. unterschreitet, kann man davon ausgehen, dass einer der Schaltelemente sperrt und das gegenüberliegende Schaltelement geöffnet werden kann. Vorteilhaft ist hierbei, dass dieses Verfahren bei allen Schaltelementen, also auch bei asymmetrischen Schaltelementen, angewendet werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante weist die Leistungsschalteranordnung eine Strommessvorichtung auf, mit der ein dritter Strom erfasst wird, der durch die Freilaufdiode eines der Schaltelemete fließt. Dabei erzeugt die Steuereinheit ein ein Einschalten dieses Schaltelemetes bewirkendes Steuersignal, so dass der dritte Strom einen dritten Stromschwellenwert unterschreitet.
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Diese Ausführungsvariante macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei einem fließenden Phasenstrom und gesperrtem zweiten Schaltelemet so lange Strom durch die Freilaufdiode des ersten Schaltelemetes fließt, bis das erste Schaltelement durchschaltet. Im Umkehrschluss gilt daher, dass der unnötige Teil der Totzeit gegen Null geht, wenn der Diodenstrom gegen Null geht. Da der Strom nur sehr kurz fließt, genügt hier zur Messung des Stroms eine relativ langsame, tiefpassgefilterte Schaltung, die kostengünstig implementierbar ist. Ferner ist keine Strommessung in einem dauerhaft aktiven Stromzweig aktiv, was die Verlustleistung senkt und damit den Wirkungsgrad verbessert bzw. den Kühlungsbedarf der Leistungsschalteranordnung verringert.
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Vorzugsweise werden die Schaltelemente von der Steuereinheit derart angesteuert, dass auf eine Einschaltphase eines ersten der Schaltelemente, das einem ersten Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist, eine Einschaltphase eines zweiten der Schaltelemente, das einem zweiten Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist, erfolgt und umgekehrt. Mit anderen Worten folgt auf eine Einschaltphase eines oberen Leistungshalbleiterschalters eine Einschaltphase eines unteren Leistungshalbleiterschalter und auf eine Einschaltphase des unteren Leistungshalberschalters folgt wiederum eine Einschaltphase des oberen Leistungshalbleiterschalters.
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Dadurch kann eine symmetrische Regelung bzw. Steuerung der Schaltelemente realisiert werden, wodurch die Steuerung bzw. Regelung der Schaltelemente besonders einfach wird.
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Es versteht sich, dass Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung auch entsprechend sinngemäß auf das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Schaltbild einer Brückenschaltung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann;
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2a zeigt die zeitlichen Verläufe der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern in einem Betriebsfall mit einer zu groß gewählten Totzeit;
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2b zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter im Betriebsfall der zu groß gewählten Totzeit;
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3a zeigt die zeitlichen Verläufe der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern bei einer Ansteuerung mit sich überlappenden Einschaltphasen;
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3b zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter bei sich überlappenden Einschaltphasen;
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4 zeigt eine Halbbrückenschaltung, einer ersten Konstruktionsvariante, mit eingezeichnetem gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante erfasstem Strom;
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5 zeigt die Halbbrückenschaltung, erster Konstruktionsvariante, mit eingezeichnetem gemäß einer zweiten Verfahrensvariante erfasstem Strom;
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6 zeigt die Halbbrückenschaltung, erster Konstruktionsvariante, mit eingezeichneten, gemäß einer erfindungsgemäßen dritten Verfahrensvariante erfassten Spannungen;
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7 zeigt eine Halbbrückenschaltung einer zweiten Konstruktionsvariante mit eingezeichnetem, gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante erfasstem Strom;
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8a zeigt die zeitlichen Verläufe der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern der Halbbrückenschaltung, erster oder zweiter Konstruktionsvariante, mit erfindungsgemäß optimal eingestellter Totzeit; und
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8b zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter mit der erfindungsgemäß optimal eingestellten Totzeit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elementen mit gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Der in 1 dargestellte, funktional aus Halbrücken bestehende Wechselrichter 10 weist drei Halbbrücken 16a, 16b, 16c auf, die jeweils mit einem Wicklungsstrang 26a, 26b, 26c eines Drehstrommotors 22 elektrisch über je einen Mittenabgriff 24a 24b 24c verbindbar bzw. verbunden sind. Der als dreiphasiger Motor ausgebildete Drehstrommotor 22 ist, insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugantriebstechnik, als permanent- oder fremderregter Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgeführt. Der Wechselrichter 10 wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug angewendet, z.B. in einem rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug oder in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei denen der Drehstrommotor z.B. als Fahrzeugantriebsmotor ausgebildet ist.
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Jede Halbbrücke 16a, 16b, 16c weist einen ersten Leistungshalbleiterschalter 18a sowie einen zweiten Leistungshalbleiterschalter 18b auf, die hier jeweils als Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) ausgebildet sind. Die Dimensionierung bzw. Auslegung der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b erfolgt dabei entsprechend den in dem Wechselrichter 10 im Betrieb auftretenden Spannungen und/oder Strömen. Die Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b weisen jeweils einen Steuereingang 32 in Form einer Gate-Elektrode auf. Die Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b weisen ferner jeweils einen Eingang in Form einer Kollektor-Elektrode 35 und einen Ausgang in Form einer Emitter-Elektrode 37 auf. Zwischen der Kollektor-Elektrode 35 und der Emitter-Elektrode 37 ist jeweils eine Freilaufdiode 30 in bekannter Weise parallel geschaltet, beispielsweise in Sperrrichtung parallel geschaltet.
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Ein Zwischenkreis stellt eine Zwischenkreisspannung Udc als Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters 10 bereit, die die Gleichspannung in eine Wechselspannung der gewünschten Frequenz und Phase zur Steuerung der Drehrichtung und der Drehzahl des anzutreibenden Drehstrommotors 22 umsetzt. Hierzu werden den jeweiligen Wicklungssträngen des Drehstrommotors 22 durch die jeweilige Halbbrücke eine Spannung bzw. ein Potential vorbestimmter Polarität für eine bestimmte Zeitdauer bereitgestellt. Dazu werden die Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b der Halbbrücken 16a, 16b, 16c jeweils über ihren jeweiligen Steuereingang 32 mittels einer Steuerung entsprechend angesteuert. Der Spannungszwischenkreis, in dem ein Zwischenkreiskondensator 14 angeordnet ist, ist hier z.B. durch ein Gleichspannungsnetz gebildet, das eine Bordnetzbatterie 12 des Kraftfahrzeugs enthält.
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Eine erste Eingangsleitung 36 des Wechselrichters 10 liegt auf negativem Potential, während eine zweite Eingangsleitung 34 des Wechselrichters 10 auf positivem Potential liegt. Hierdurch sind die zweiten Leistungshalbleiterschalter 18b jeweils mit dem Pluspol und die ersten Leistungshalbleiterschalter 18a jeweils mit dem Minuspol der Bordnetzbatterie 12 gekoppelt.
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Wenn der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b einer Halbbrücke 16a, 16b, 16c eingeschaltet und der erste Leistungshalbleiterschalter 18a ausgeschaltet ist, dann liegen die Mittenabgriffe 24a, 24b, 24c der Halbbrücken 16a, 16b, 16c auf dem positiven Zwischenkreispotential. Schaltet die Halbbrücke 16a, 16b, 16c um, dann liegen die Mittenabgriffe 24a, 24b, 24c entsprechend auf dem negativen Zwischenkreispotential.
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Der Minuspol definiert ein Bezugspotenzial für den gesamten Wechselrichter 10. Die zweiten Halbbrückenschalter 18b liegen bezüglich des Bezugspotenzials zumindest in der Zeit, in der sie eingeschaltet sind, auf höherem Potenzial als die ersten Leistungshalbleiterschalter 18a.
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Während des Schaltbetriebs der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b muss in jedem Fall vermieden werden, dass beide Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b einer Halbbrücke 16a, 16b, 16c gleichzeitig eingeschaltet sind, da dies einen Kurzschluss der Bordnetzbatterie 12 bewirken würde. Dabei kann ein solcher Kurzschluss zumindest zu einer Fehlfunktion oder auch zur Zerstörung der betroffenen Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b führen. Um einen solchen Kurzschluss auszuschließen, wird zwischen die Einschaltphasen, in denen einer der beiden Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist, eine Zwischenphase eingefügt, in denen keiner der beiden Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist. Diese Zwischenphase wird in der Literatur mit Totzeit bezeichnet.
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Wenn die Dauer der Totzeiten länger ist als eine optimale Totzeit ergeben sich ungenutzte Spannungsbereiche, wodurch die Spannungsausnutzung reduziert und der Wirkungsgrad verschlechtert ist.
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2a zeigt den zeitlichen Verlauf der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern 18a, 18b einer Halbbrücke 16a, 16b, 16c im Betriebsfall mit einer zu groß gewählten Totzeit Tt. Dabei stellt die Funktion S2 den zeitlichen Verlauf der zweiten Steuerspannung (mit der der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b angesteuert wird) dar, während die Funktion S1 den Verlauf der ersten Steuerspannung (mit der der erste Leistungshalbleiterschalter 18a angesteuert wird) beschreibt. Die Zeitverläufe sind in allen Figuren idealisiert dargestellt.
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Die Steuerspannungen dienen als Steuersignale zum Steuern der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b.
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Die zweite Steuerspannung hat die Form einer rechteckigen Funktion S2 und kann einen Low- und einen High-Zustand annehmen. Die Intention der Steuerung besteht darin, dass der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b durch Anlegen eines High-Steuersignals vom sperrenden (hochohmigen) Zustand in den leitenden (niederohmigen) Zustand überführt wird und umgekehrt vom leitenden Zustand durch Anlegen eines Low-Steuersignals in dem sperrenden Zustand überführt wird.
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Die erste Steuerspannung hat ebenfalls die Form einer rechteckigen Funktion S1 und kann wiederum einen Low- und einen High-Zustand annehmen. Die Intention der Steuerung besteht erneut darin, dass der erste Leistungshalbleiterschalter 18a vom sperrenden Zustand durch Anlegen eines High-Steuersignals in den leitenden Zustand überführt wird und umgekehrt vom leitenden Zustand durch Anlegen eines Low-Steuersignals in den sperrenden Zustand überführt wird.
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2b liegt der gleiche Zeitmaßstab wie der 2a zugrunde und zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b der Halbbrücke 16a, 16b, 16c im Betriebsfall der zu groß gewählten Totzeit Tt.
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Zum Zeitpunkt t0 = 0 befinden sich beide Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b im hochohmigen, d. h. ausgeschalteten Zustand. Zum Zeitpunkt t1 wird die zweite Steuerspannung auf den Wert 1 (High-Zustand) gesetzt, um eine Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters 18b zu bewirken. Der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b wird, wie durch den steigenden Linearabschnitt LS2 der Funktion F2 beschrieben, proportional zur Zeit vom hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand überführt.
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Der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b bleibt bis zu einem Zeitpunkt t2 im niederohmigen Zustand. Das Ende dieses Zeitabschnitts wird dadurch eingeleitet, dass die zweite Steuerspannung S2 zum Zeitpunkt t3 auf den Wert 0 (Low-Zustand) gesetzt wird, woraufhin der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b, wie durch den fallenden Linearabschnitt LF2 der Funktion F2 dargestellt, in den hochohmigen Ausgangszustand zurückkehrt.
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Eine vergleichsweise lange Totzeitphase, die zwischen dem Ende der Einschaltphase des zweiten Leistungshalbleiterschalters 18b und dem Beginn der Einschaltphase des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a liegt, in der also beide Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b ausgeschaltet sind, wird durch Tt beschrieben. Durch eine derartige lange Totzeitphase Tt ist die Spannungsausnutzung reduziert, wodurch auch die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine reduziert ist.
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Während dieser Totzeitphase Tt wird zum Zeitpunkt t4 die erste Steuerspannung S1 auf den Wert 1 (High-Zustand) gesetzt, um ein Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a zu bewirken. Der erste Leistungshalbleiterschalter 18a wird, wie durch den steigenden Linearabschnitt LS1 der Funktion F1 beschrieben, proportional zur Zeit vom hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand überführt.
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Der erste Leistungshalbleiterschalter 18a bleibt bis zu einem Zeitpunkt t5 im niederohmigen Zustand. Das Ende dieses Zeitabschnitts wird wiederum dadurch eingeleitet, dass die erste Steuerspannung S1 zum Zeitpunkt t6 auf den Wert 0 (Low-Zustand) gesetzt wird, worauf hin der erste Leistungshalbleiterschalter 18a, wie durch den fallenden Linearabschnitt LF1 der Funktion F1 dargestellt, in den hochohmigen Ausgangszustand zurückkehrt.
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Danach wiederholen sich die zuvor beschriebenen Wechsel zwischen den Ein-und Ausschaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b periodisch.
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3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern 18a, 18b einer Halbbrücke 16a, 16b, 16c bei einer Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b mit sich überlappenden Einschaltphasen.
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Die Funktion S2‘ stellt den zeitlichen Verlauf der zweiten Steuerspannung am zweiten Leistungshalbleiterschalter 18b der Halbbrücke 16a, 16b, 16c dar, während die Funktion S1‘ den Verlauf der ersten Steuerspannung am ersten Leistungshalbleiterschalter 18a der Halbbrücke 16a, 16b, 16c beschreibt.
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Die zweite Steuerspannung und die erste Steuerspannung haben wiederum jeweils die Form einer rechteckigen Funktion S1’, S2’. Zum Zeitpunkt t1 wird dem Steuereingang 32 des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a eine von Null verschiedene und das Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a bewirkende Steuerspannung zugeführt. Zum Zeitpunkt t1 befindet sich der Steuereingang 32 des zweiten Leistungshalbleiterschalters 18b noch auf logisch 1.
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3b, der der gleiche Zeitmaßstab wie der 3a zugrunde liegt, zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b bei den sich überlappenden Einschaltphasen. Dabei stellt die Kurve F2’ jeweils die zeitlichen Wechsel zwischen den Einschalt- bzw. Ausschaltzuständen des zweiten Leistungshalbleiterschalters 18b dar, während die Kurve F1’ den zeitlichen Wechsel zwischen den Einschalt- bzw. Ausschaltzuständen des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a darstellt.
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Die Einschaltphase des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a erfolgt zu einem unzulässig frühen Zeitpunkt, d. h. während sich der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b noch im leitenden Zustand befindet. Mit anderen Worten wird der erste Leistungshalbleiterschalter 18a schon eingeschaltet, während der zweite Leistungshalbleiterschalter 18b noch eingeschaltet ist. Der Schaltüberlappungszeitraum, in dem sich ein fallender Linearabschnitt LF2’ des zweiten Leistungshalbleiterschalters 18b mit einem steigenden Linearabschnitt LS1’ des ersten Leistungshalbleiterschalters 18a überlappt ist mit TÜ bezeichnet. Während des Schaltüberlappungszeitraums TÜ sind beide Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b der Halbbrücke 16a, 16b, 16c gemeinsam leitend, so dass im Überlappungszeitraum TÜ die Zwischenkreisspannung Udc über die Halbbrücke 16a, 16b, 16c kurz geschaltet ist, was zu hohen Stromspitzen und damit zur Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b führen kann.
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Die Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b werden von einer Steuereinheit angesteuert, um die Totzeitphase Tt optimal einzustellen. Die Einstellung der Totzeitphasen Tp kann erfolgen auf der Grundlage eines Kennfeldes, das in einem Speicher abgelegt ist und der Steuereinheit zur Verfügung steht. Als Eingangsgrößen für das Kennfeld dienen dabei vorzugsweise die aktuelle Temperatur der Leistungsschalteranordnung oder die aktuelle Temperatur der einzelnen Leistungsschalter 18a, 18b, ein aktueller Phasenstrom in dem Phasenstränge 20a, 20b, 20c, eine aktuelle Zwischenkreisspannung an der Kapazität 14 und/oder weitere Einflussgrößen, die die Schaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter 18a, 18b maßgeblich beeinflussen. So kann mit geringem Regelaufwand die Totzeit Tt an die aktuellen Bedingungen angepasst werden.
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4 zeigt eine Halbbrückenschaltung 38 einer ersten Konstruktionsvariante mit eingezeichnetem gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante erfasstem Strom.
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Die Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, ist gemäß der Erfindung durch eine dem grundsätzlichen Aufbau nach herkömmliche Halbbrücke gebildet, die eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterschaltern 40a, 40b aufweist, zu denen je eine oder mehrere Freilaufdioden 42 antiparallel geschaltet ist. In einer einphasigen Konfiguration sind zwei IGBT-Schalttransistoren 40a, 40b in Reihe miteinander verbunden, wobei eine Emitter-Elektrode 44 des zweiten Leistungshalbleiterschalters 40b mit der Kollektor-Elektrode 52 des ersten Leistungshalbleiterschalters 40a verbunden ist.
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Ein Verbindungspunkt zwischen den IGBT-Transistoren 40a, 40b bildet einen Mittenabgriff 46 der Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, von dem aus eine zu einem der Wechselspannungsanschlüsse führende Ausgangsleitung 48 abzweigt. Die Steuereinheit taktet die IGBT-Transistoren 40a, 40b der Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, um den Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Die Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, kann eine einphasige Wechselrichterkonfiguration bilden oder zu einer mehrphasigen Konfiguration erweitert werden.
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Beim Abschalten des zweiten IGBT-Transistors 40b und zu schnellem Einschalten des ersten IGBT-Transistors 40a teilt sich der Strom wie folgt auf: i(TO) = (i(TU) – i(D)) + i(I), worin i(TO) den Strom durch den zweiten IGBT-Transistor 40b, i (TU) den Strom durch den ersten IGBT-Transistor 40a, i(I) den Strom durch einen Phasenstrang des Drehstrommotors 22 und i(D) den Strom durch die Freilaufdiode 42 des ersten IGBT-Transistors 40a darstellt.
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Das Ziel besteht darin, den Strom i(TO) durch den zweiten IGBT-Transistor 40b möglichst ohne weitere Effekte durch die Freilaufdiode 42 vom ersten IGBT-Transistors 40a zu übernehmen. Bei einem unzulässig frühen Einschalten des ersten IGBT-Transistors 40a tritt der durch die Totzeit zu vermeidende Kurzschlussstrom auf. Dieser fließt durch den ersten IGBT-Transistor 40a.
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Die Totzeit zwischen den beiden sich gegenüberliegenden IGBT-Transistoren 40a, 40b wird nun derart geregelt, dass der Strom i(TU) durch den ersten IGBT-Transistor 40a praktisch Null wird bzw. kleiner als ein Schwellenwert und größer als Null wird. Da der Strom wegen der parallel geschalteten Freilauf-Diode 42 nur sehr kurz fließt, genügt hier zur Messung eine relativ langsame, tiefpassgefilterte Schaltung. Ein Regelalgorithmus der Steuereinheit hat demnach das Ziel, folgenden Zustand einzuhalten: 0 < i(TU) ≤ Schwellenwert 1. Der Schwellenwert 1 wird hierbei durch diverse Randparameter, wie z.B. Strom- und thermische Belastbarkeit der Bauelemente der Halbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, bestimmt.
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5 zeigt die Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, mit eingezeichnetem, gemäß einer zweiten Verfahrensvariante erfasstem Strom. Zur Regelung werden Stöme i(TO), i(TU) durch die jeweiligen IGBT-Transistoren 40a, 40b separat gemessen. Wenn einer der Ströme i(TO), i(TU) einen zu definierenden Wert unterschreitet, kann man davon ausgehen, dass einer der IGBT-Transistoren 40a, 40b sperrt und der gegenüberliegende IGBT-Transistor 40a, 40b leitfähig werden darf. Bei diesem Verfahren sind die Ströme beider IGBT-Transistoren der 40a, 40b zu messen. Ein Regelalgorithmus der Steuereinheit hat das Ziel, folgenden Zustand einzuhalten: Totzeit: = Δt(i(TO) ≤ Schwellenwert 2), (i(TU) ≥ Schwellenwert 3); 0 < Totzeit < Schwellenwert 4
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Mit anderen Worten werden die beiden Transistorenströme i(TO) und i(TU) erfasst und die Totzeitphasen Tt so eingestellt, dass einer der Ströme i(TO) den Schwellenwert 2 unterschreitet und der andere der Ströme i(TU) den Schwellenwert 3 überschreitet.
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6 zeigt die Halbbrückenschaltung 38, erster Konstruktionsvariante, mit eingezeichneten, gemäß einer erfindungsgemäßen dritten Verfahrensvariante erfassten Spannungen. Zur Regelung werden Teilspannungen u(TU), u(TO) über die jeweiligen IGBT-Transistoren 40a, 40b gemessen. Wenn eine dieser Teilspannungen einen zu definierenden Wert überschreitet, kann man davon ausgehen, dass einer der IGBT-Transistoren 40a, 40b sperrt und der gegenüberliegende IGBT-Transistor 40a, 40b leitfähig werden darf. Ein Regelalgorithmus der Steuereinheit hat demzufolge das Ziel, folgenden Zustand einzuhalten: Totzeit: = Δt ((u(TO) ≥Schwellenwert 4), u(TU)≤ Schwellenwert 5)) 0 < Totzeit ≤Schwellenwert 6.
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Darin ist u(TO) die Spannung, die am zweiten IGBT-Transistor 40b abfällt, während u(TU) die Spannung ist, die am ersten IGBT-Transistor 40a abfällt. Mit anderen Worten wird die Totzeitphase Tt so eingestellt, dass eine der Teilspannungen u(TO), u(TU) den Schwellenwert 4 überschreitet und die andere der Teilspannungen u(TO), u(TU) den Schwellenwert 5 unterschreitet.
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7 zeigt eine Halbbrückenschaltung 54 einer zweiten Konstruktionsvariante mit eingezeichnetem, gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante erfasstem Strom. Die Halbbrückenschaltung 54, zweiter Konstruktionsvariante, ist gemäß der Erfindung durch eine dem grundsätzlichen Aufbau nach herkömmliche Halbbrücke gebildet, die pro Gleichspannungszweig lediglich einen oder mehrere Leistungshalbleiterschalter in Form eines Feldeffekttransistors 56a, 56b benötigt, zu denen eine oder mehrere Freilaufdioden 58 antiparallel geschaltet sind. Eine Source-Elektrode 68 des zweiten FET-Transistors 56b ist mit der Drain-Elektrode 70 des ersten FET-Transistors 56a verbunden.
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Ein Verbindungspunkt zwischen den Feldeffekttransistoren 56a, 56b bildet einen Mittenabgriff 60 der Halbbrückenschaltung 54, zweiter Konstruktionsvariante, von dem eine zu einem der Wechselspannungsanschlüsse führende Ausgangsleitung 62 abzweigt. Eine Steuereinheit taktet die Feldeffekttransistoren 56a, 56b der Halbbrückenschaltung 54, zweiter Konstruktionsvariante, um Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Die Halbbrückenschaltung 54, zweiter Konstruktionsvariante, kann ebenfalls eine einphasige Wechselrichterkonfiguration bilden oder zu einer dreiphasigen Konfiguration erweitert werden.
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Bei fließendem Phasenstrom i(I) und gesperrtem zweiten FET-Transistor 56b fließt der Strom dann so lange durch die Freilaufdiode 58 des ersten FET-Transistors 56a, bis der erste FET-Transistor 56b durchschaltet. Im Umkehrschluss gilt daher: Wenn der Strom i(D) gegen Null geht, geht auch der unnötige Teil der Totzeit gegen Null. Daher kann die Totzeit zwischen den sich gegenüberliegenden FET-Transistoren 56a, 56b dadurch reduziert werden, dass die Totzeit derartig geregelt wird, dass der Strom i(D) durch die Freilaufdiode 58 des ersten FET-Transistors 56a praktisch Null wird. Da der Strom wegen des zur Freilaufdiode 58 parallel geschalteten ersten IGBT-Tansistors 56a nur sehr kurz fließt, genügt hier zur Messung eine relativ langsame, tiefpassgefilterte Schaltung.
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Ein Regelalgorithmus der Steuereinheit hat demnach das Ziel, folgenden Zustand einzuhalten: 0 < i(D) ≤ Schwellenwert 6. Der Schwellenwert 6 wird dabei durch diverse Randparameter, wie z.B. Strom- und thermische Belastbarkeit der Bauelemente, definiert. Mit anderen Worten wird die Totzeit Tt derart eingestellt, dass der Diodenstrom i(D) minimiert wird bzw. im wesentlichen null wird.
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Im Allgemeinen können die Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter sowohl geregelt als auch gesteuert werden.
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Für den Fall, dass die Schaltzeitpunkte bzw. die entsprechenden Totzeitphasen gesteuert werden, wird der Schaltzeitpunkt auf der Grundlage von Kennfelddaten eingestellt. Diese Kennfelddaten sind in einem Speicherelement gespeichet und berücksichtigen verschiedene Bedingungen, wie z.B. Umgebungstemperatur, Phasenstrom, Zwischenkeisspannung etc. So wird für jeden Schaltzyklus der entsprechede Schaltzeitpunkt neu bestimmt.
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Alternativ kann der Schaltzeitpunkt auch geregelt werden, wobei wie oben beschrieben wenigstens eine elektrische Größe in einem Schaltzyklus erfasst wird und der Schaltzeitpunkt auf der Grundlage dieser Größe bzw. Größen in einem folgenden oder in dem nächsten Schaltzyklus eingestellt wird. Es wird also eine zeitliche Regelschleife eingerichtet, um eine optimale Totzeitphase einzustellen.
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8a zeigt den zeitlichen Verlauf der Steuerspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern 40a, 40b; 56a, 56b der Halbbrückenschaltung 38, 54, erster oder zweiter Variante, mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren optimal eingestellter Totzeit.
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Dabei stellt die Funktion S2’’ den zeitlichen Verlauf der zweiten Steuerspannung am zweiten Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b dar, während die Funktion S2 den Verlauf der ersten Steuerspannung am ersten Leistungshalbleiterschalter 40a; 56a beschreibt. Die Steuerspannungen dienen erneut als Steuersignale zum Steuern der Leistungshalbleiterschalter 40a 40b; 56a, 56b. Hierzu stellen die Steuerspannungen Gatterspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern 40a 40b; 56a, 56b dar. Die zweite Steuerspannung, mit der der zweite Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b angesteuert wird, hat die Form einer rechteckigen Funktion S“ und kann einen Low-(logisch 0) und einen High-Zustand (logisch 1) annehmen. Die Intention der Steuerung besteht darin, dass der zweite Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b durch Anlegen eines High-Steuersignals vom sperrenden (hochohmigen) Zustand in den leitenden (niederohmigen) Zustand überführt wird und umgekehrt vom leitenden Zustand durch Anlegen eines Low-Steuersignals in den sperrenden Zustand überführt wird. Entsprechend besteht die Intention der Steuerung erneut darin, dass der erste Leistungshalbleiterschalter 40a; 56a vom sperrenden Zustand durch Anlegen eines High-Steuersignals in den leitenden Zustand überführt wird und umgekehrt vom leitenden Zustand durch Anlegen eines Low-Steuersignals in den sperrenden Zustand überführt wird.
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8b, der der gleiche Zeitmaßstab wie der 8a zugrunde liegt, zeigt den Wechsel zwischen Einschaltzuständen und Ausschaltzuständen der beiden Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung, erster oder zweiter Konstruktionsvariante, bei erfindungsgemäß optimal eingestellter Totzeit. Dabei stellt die Kurve F2’’ die zeitlichen Wechsel zwischen den Einschalt- bzw. Ausschaltzuständen des zweiten Leistungshalbleiterschalters 40b; 56b dar, während die Kurve F1’’ den zeitlichen Wechsel zwischen den Einschalt- bzw. Ausschaltzuständen des ersten Leistungshalbleiterschalters 40a; 56a darstellt.
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Zum Zeitpunkt t0 = 0 befinden sich beide Leistungshalbleiterschalter 56a, 56b; 40a, 40b im hochohmigen, d. h. ausgeschalteten Zustand. Zum Zeitpunkt t1 wird die zweite Steuerspannung auf den Wert 1 (High-Zustand) gesetzt, um ein Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters 40b; 56b zu bewirken. Der zweite Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b wird, wie durch den steigenden Linearabschnitt LS2’’ der Funktion F2’’ beschrieben, proportional zur Zeit vom hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand überführt. Der zweite Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b bleibt bis zu einem Zeitpunkt t2 im niederohmigen Zustand. Das Ende dieses Zeitabschnitts wird dadurch initiiert, dass die zweite Steuerspannung zum Zeitpunkt t3 in den Low-Zustand (logisch 0) gesetzt wird, woraufhin der zweite Leistungshalbleiterschalter 40b; 56b, wie durch den fallenden Linearabschnitt LF2’’ der Funktion F2’’ dargestellt, in den hochohmigen Ausgangszustand zurückkehrt.
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Im Ansprechen auf ein Steuersignal, das von der Steuereinheit automatisch erzeugt wird, wenn einer der zuvor genannten Schwellenwerte über- bzw. unterschritten wird, wird der erste Leistungshalbleiterschalter 40a; 56a, wie durch den steigenden Linearabschnitt LS1’’ der Funktion F1’’ beschrieben, proportional zur Zeit vom hochohmigen in einen niederohmigen Zustand überführt. Die Totzeitphase, die zwischen dem Ende der Einschaltphase des ersten Leistungshalbleiterschalters 40a, 56a und dem Beginn der Einschaltphase des zweiten Leistungshalbleiterschalters 40b, 56b liegt, in der also beide Leistungshalbleiterschalter 40a, 40b; 56a, 56b ausgeschaltet sind, wird durch Topt beschrieben und ist so gut wie eliminiert. Die Dauer der Totzeitphase Topt ist dabei optimal eingestellt, d. h. die Dauer der Totzeit Topt ist so kurz wie möglich, jedoch mindestens so groß eingestellt, dass sich kein unzulässiger Betrieb, z.B. ein Halbbrückenkurzschluss, ergibt.
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Der erste Leistungshalbleiterschalter 40a; 56a bleibt bis zu einem Zeitpunkt t4 im niederohmigen Zustand. Das Ende dieses Zeitabschnitts wird wiederum dadurch eingeleitet, dass die erste Steuerspannung zum Zeitpunkt t5 auf den Wert 0 (Low-Zustand) gesetzt wird, woraufhin der erste Leistungshalbleiterschalter 40a; 56a, wie durch den fallenden Linearabschnitt LF1’’ der Funktion F1’’ dargestellt, in den hochohmigen Ausgangszustand zurückkehrt.
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Danach wiederholen sich die zuvor beschriebenen Wechsel zwischen den Ein- und Ausschaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter 40a, 40b; 56a, 56b periodisch.
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Insgesamt versteht es sich, dass die Regelung symmetrisch erfolgt, d. h. auf eine Schaltphase S2 der oberen Leistungshalbleiterschalter 18b folgt eine Schaltphase S1 der unteren Leistungshalbleiterschalter 18a und auf eine Schaltphase S2 der unteren Leistungshalbleiterschalter 18a folgt wiederum eine Schaltphase S2 der oberen Leistungshalbleiterschalter 18b.
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Im Allgemeinen versteht es sich, dass das Verfahren zur Optimierung der Totzeit in jeder Pulsweitenmodulationsperiode zur Anwendung kommt.
