DE102020215383B4 - Method for determining an output voltage of a half-bridge, use of such a method, and control device for a power converter - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Ausgangsspannung (OUT) einer mittels PWM-Ansteuerung angesteuerten Halbbrücke (18), wobei die Halbbrücke (18) aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern (T1, T2) gebildet ist und die Ausgangsspannung (OUT) an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern (T1, T2) bereitgestellt wird, wobei die PWM-Ansteuerung durch ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter (T1, T2) erfolgt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:- Überwachen von an den beiden Halbleiterschaltern (T1, T2) jeweils abfallenden Spannungen, um Zeitpunkte (t1, t2, t3, t4) zu detektieren, zu denen diese Spannungen bei einem Einschaltvorgang und/oder bei einem Ausschaltvorgang jeweils einen oder mehrere bestimmte Schwellwerte unterschreiten bzw. überschreiten,- Bestimmen der Ausgangsspannung (OUT) basierend auf einem mathematischen Modell eines zeitabhängigen Verlaufs der Ausgangsspannung (OUT) in Abhängigkeit von den erfassten Zeitpunkten (t1, t2, t3, t4).Method for determining an output voltage (OUT) of a half-bridge (18) controlled by means of PWM control, the half-bridge (18) being formed from a series connection of two controllable semiconductor switches (T1, T2) and the output voltage (OUT) at an output node between the both semiconductor switches (T1, T2) is provided, wherein the PWM control takes place by a complementary switching on and off of the two semiconductor switches (T1, T2), the method having the following steps:- monitoring of at the two semiconductor switches (T1, T2 ) falling voltages in each case in order to detect times (t1, t2, t3, t4) at which these voltages fall below or exceed one or more specific threshold values during a switch-on process and/or during a switch-off process, - determining the output voltage (OUT) based on a mathematical model of a time-dependent course of the output voltage (OUT) depending on the recorded points in time (t1, t2, t3, t4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausgangsspannung einer mittels PWM (Pulsweitenmodulation)-Ansteuerung angesteuerten Halbbrücke, wobei die Halbbrücke aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern (z. B. Transistoren, z. B. Bipolartransistoren oder z. B. FETs) gebildet ist und die Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern bereitgestellt wird. Die PWM-Ansteuerung der Halbbrücke erfolgt hierbei durch ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter.The present invention relates to a method for determining an output voltage of a half-bridge controlled by PWM (pulse width modulation) control, the half-bridge consisting of a series connection of two controllable semiconductor switches (e.g. transistors, e.g. bipolar transistors or e.g. FETs). is formed and the output voltage is provided at an output node between the two semiconductor switches. In this case, the PWM control of the half-bridge takes place by means of a complementary switching on and off of the two semiconductor switches.

Eine derartige Halbbrücke mit PWM-Ansteuerung wird im Stand der Technik besonders vorteilhaft beispielsweise in Stromrichtern (Wechselrichter und Gleichrichter) eingesetzt. Hierbei kann die Halbbrücke z. B. mit einer an der Reihenschaltung der Halbleiterschalter angelegten Gleichspannung versorgt werden, so dass am Ausgangsknoten entsprechend der PWM-Ansteuerung eine Wechselspannung bereitgestellt wird. Mit mehreren parallel zueinander derart betriebenen Halbbrücken können z. B. für die Ansteuerung einer Drehstrommaschine die einzelnen Phasenspannungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes bereitgestellt werden (Wechselrichterbetrieb). Dieselbe Halbbrückenanordnung kann jedoch auch so betrieben werden, dass z. B. in einem Generator- bzw.- Rekuperationsbetrieb der betreffenden Drehstrommaschine die an den Ausgangsknoten der Halbbrücken anliegenden Phasenspannungen mittels parallel zu den Halbleiterschaltern angeordneten Freilaufdioden in eine an den Versorgungsanschlüssen der Halbbrücken bereitgestellte Gleichspannung gewandelt wird (Gleichrichterbetrieb).Such a half-bridge with PWM control is used particularly advantageously in the prior art, for example in power converters (inverters and rectifiers). Here, the half-bridge z. B. can be supplied with a DC voltage applied to the series connection of the semiconductor switches, so that an AC voltage is provided at the output node in accordance with the PWM control. With several half-bridges operated parallel to one another in this way, e.g. B. for the control of a three-phase machine, the individual phase voltages are provided to generate a rotating magnetic field (inverter operation). However, the same half-bridge arrangement can also be operated in such a way that e.g. B. in a generator or recuperation operation of the three-phase machine in question, the phase voltages present at the output nodes of the half-bridges are converted into a DC voltage provided at the supply terminals of the half-bridges by means of freewheeling diodes arranged parallel to the semiconductor switches (rectifier operation).

Die Druckschrift DE 10 2020 110 676 A1 beschreibt das Hochfahren und Abschalten einer H-Brücke durch Ändern einer Referenzspannung sowie das individuelle Ansteuern der Halbbrücken der H-Brücke während eines Zeitintervalls sowie das synchrone Ansteuern der Halbbrücken außerhalb des Zeitintervalls.The pamphlet DE 10 2020 110 676 A1 describes the startup and shutdown of an H-bridge by changing a reference voltage and the individual driving of the half-bridges of the H-bridge during a time interval and the synchronous driving of the half-bridges outside of the time interval.

Das durch die PWM-Ansteuerung bewirkte komplementäre Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter einer Halbbrücke bedeutet, dass ein Einschalten des einen Halbleiterschalters der Halbbrücke mit einem Ausschalten des anderen Halbleiterschalters derselben Halbbrücke einhergeht, und umgekehrt. Bei Versorgung der Halbbrücke mit einer Gleichspannung wechselt das Potential am Ausgangsknoten somit im Idealfall rechteckförmig zwischen den beiden Versorgungspotentialen hin und her. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung würde in diesem Idealfall also exakt dem zeitlichen Verlauf des zur PWM-Ansteuerung verwendeten PWM-Signals entsprechen.The complementary switching on and off of the two semiconductor switches of a half bridge caused by the PWM control means that switching on one semiconductor switch of the half bridge is accompanied by switching off the other semiconductor switch of the same half bridge, and vice versa. When the half-bridge is supplied with a DC voltage, the potential at the output node thus changes back and forth in the ideal case in a square-wave pattern between the two supply potentials. In this ideal case, the time profile of the output voltage would therefore correspond exactly to the time profile of the PWM signal used for PWM control.

Dies gilt in der Praxis jedoch nur näherungsweise, insbesondere weil die komplementären Einschalt- und Ausschaltvorgänge der Halbleiterschalter eine gewisse Schaltzeit erfordern, wobei die Einschalt- und Ausschaltvorgänge in der Regel nicht gleich schnell erfolgen und darüber hinaus auch z. B. temperaturabhängig und aufgrund von Herstellungstoleranzen der Bauteile (z. B. der Halbleiterschalter) variieren können. In manchen Anwendungsfällen wäre eine genauere Kenntnis über den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung eine vorteilhaft nutzbare Information.In practice, however, this only applies approximately, especially because the complementary switching on and off processes of the semiconductor switches require a certain switching time, the switching on and off processes usually not taking place at the same speed and, moreover, z. B. temperature-dependent and due to manufacturing tolerances of the components (z. B. the semiconductor switch) can vary. In some applications, more precise knowledge of the actual course of the output voltage over time would be information that can be used advantageously.

Für eine Bestimmung der Ausgangsspannung einer Halbbrücke kommt zwar eine geeignet zeitaufgelöste Messung der Ausgangsspannung in Betracht, wobei eine solche Messung jedoch in der Praxis in vielen Anwendungen aufgrund der typischerweise relativ hohen PWM-Schaltfrequenzen (z. B. 1 kHz oder mehr) sehr aufwendig wäre oder aus Kostengründen ausscheidet.Although a suitable time-resolved measurement of the output voltage can be used to determine the output voltage of a half-bridge, such a measurement would be very expensive in practice in many applications due to the typically relatively high PWM switching frequencies (e.g. 1 kHz or more). or withdrawn for cost reasons.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg zur Bestimmung der Ausgangsspannung einer mittels PWM-Ansteuerung angesteuerten Halbbrücke der eingangs genannten Art aufzuzeigen.It is therefore an object of the present invention to indicate a new way of determining the output voltage of a half-bridge of the type mentioned at the outset that is controlled by means of PWM control.

Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a method according to claim 1. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:

• - Überwachen von an den beiden Halbleiterschaltern jeweils abfallenden Spannungen, um Zeitpunkte zu detektieren, zu denen diese Spannungen bei einem Einschaltvorgang und/oder bei einem Ausschaltvorgang jeweils einen oder mehrere bestimmte Schwellwerte unterschreiten bzw. überschreiten, und
• - Bestimmen der Ausgangsspannung basierend auf einem mathematischen Modell eines zeitabhängigen Verlaufs der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von den erfassten Zeitpunkten.

The method according to the invention has the following steps:

• - Monitoring of voltages dropping at the two semiconductor switches in order to detect points in time at which these voltages fall below or exceed one or more specific threshold values during a switch-on process and/or during a switch-off process, and
• - Determination of the output voltage based on a mathematical model of a time-dependent course of the output voltage as a function of the recorded points in time.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Überwachen der an den Halbleiterschaltern abfallenden Spannungen für beide Halbleiterschalter jeweils wenigstens ein Zeitpunkt detektiert, sei es der Zeitpunkt, zu dem die betreffende Spannung einen bestimmten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet.In a preferred embodiment, when monitoring the voltages dropping across the semiconductor switches, at least one point in time is detected for both semiconductor switches, be it the point in time at which the relevant voltage exceeds or falls below a specific threshold value.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Überwachen der an den Halbleiterschaltern abfallenden Spannungen für wenigstens einen der beiden Halbleiterschalter wenigstens ein Zeitpunkt detektiert, zu dem die betreffende Spannung einen bestimmten Schwellwert überschreitet, und wenigstens ein Zeitpunkt detektiert, zu dem diese Spannung einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Die betreffenden Schwellwerte können hierbei gleich groß oder verschieden groß sein.In a preferred embodiment, when monitoring the voltages dropping across the semiconductor switches, at least one point in time is detected for at least one of the two semiconductor switches at which the relevant voltage exceeds a specific threshold value, and at least one point in time is detected when this voltage falls below a specific threshold value. The relevant threshold values can be of the same size or of different sizes.

Mit der Erfindung kann bei Bedarf z. B. der komplette zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung in relativ einfacher Weise bestimmt werden, indem dieser Verlauf basierend auf dem mathematischen Modell „rekonstruiert“ wird, wobei die detektierten Zeitpunkte in Verbindung mit den zugehörigen Schwellwerten gewissermaßen „Stützpunkte“ dieser Rekonstruktion darstellen.With the invention z. For example, the complete time profile of the output voltage can be determined in a relatively simple manner by “reconstructing” this profile based on the mathematical model, with the detected points in time in connection with the associated threshold values representing “support points” of this reconstruction, so to speak.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch das Überwachen der an den Halbleiterschaltern abfallenden Spannungen pro PWM-Schaltperiode wenigstens 2, insbesondere wenigstens 4 solche Zeitpunkte detektiert werden, so dass bei der Verwendung des mathematischen Modells vorteilhaft wenigstens 2 bzw. wenigstens 4 Stützpunkte des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung pro PWM-Schaltperiode verfügbar sind.In one embodiment, at least 2, in particular at least 4, such points in time are detected by monitoring the voltages dropping across the semiconductor switches per PWM switching period, so that when the mathematical model is used, at least 2 or at least 4 interpolation points of the time profile are advantageously detected of the output voltage per PWM switching period are available.

Falls in einem konkreten Anwendungsfall der Erfindung der komplette zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung nicht benötigt wird, so kann die erfindungsgemäße Bestimmung der Ausgangsspannung z. B. vorsehen, dass basierend auf dem mathematischen Modell wenigstens eine Kenngröße des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung bestimmt wird, z. B. ein über eine oder mehrere Perioden der PWM-Ansteuerung betrachteter Mittelwert (z. B. arithmetischer Mittelwert, oder anders definierter Mittelwert). Alternativ oder zusätzlich kann als eine solche Kenngröße z. B. eine zeitliche Lage und/oder Steilheit einer Flanke (steigende Flanke und/oder fallende Flanke) der Ausgangsspannung bestimmt werden.If, in a specific application of the invention, the complete time profile of the output voltage is not required, the determination of the output voltage according to the invention can be done, e.g. B. provide that based on the mathematical model at least one parameter of the time profile of the output voltage is determined, z. B. an average considered over one or more periods of the PWM control (e.g. arithmetic average, or otherwise defined average). Alternatively or additionally, such a characteristic z. B. a temporal position and / or steepness of an edge (rising edge and / or falling edge) of the output voltage can be determined.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch das Überwachen der an den beiden Halbleiterschaltern jeweils abfallenden Spannungen, für einen oder (bevorzugt) beide Halbleiterschalter, wenigstens folgende Zeitpunkte detektiert werden:

• - ein erster Zeitpunkt, zu dem die Spannung an einem auszuschaltenden Halbleiterschalter einen ersten Schwellwert überschreitet, und
• - ein zweiter Zeitpunkt, zu dem diese Spannung einen oberhalb des ersten Schwellwerts liegenden zweiten Schwellwert überschreitet.

In one embodiment, at least the following points in time are detected by monitoring the voltages dropping across the two semiconductor switches for one or (preferably) both semiconductor switches:

• - A first point in time at which the voltage at a semiconductor switch to be switched off exceeds a first threshold value, and
• a second instant at which this voltage exceeds a second threshold greater than the first threshold.

Alternativ oder zusätzlich kann z. B. vorgesehen sein, dass, für einen oder (bevorzugt) beide Halbleiterschalter, durch dieses Überwachen folgende Zeitpunkte detektiert werden:

• - ein dritter Zeitpunkt, zu dem die Spannung an einem einzuschaltenden Halbleiterschalter einen dritten Schwellwert unterschreitet, und
• - ein vierter Zeitpunkt, zu dem diese Spannung einen unterhalb des dritten Schwellwerts liegenden vierten Schwellwert unterschreitet.

Alternatively or additionally z. B. it can be provided that, for one or (preferably) both semiconductor switches, the following points in time are detected by this monitoring:

• - A third point in time at which the voltage at a semiconductor switch to be switched on falls below a third threshold value, and
• - a fourth point in time at which this voltage falls below a fourth threshold lying below the third threshold.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch das Überwachen der an den beiden Halbleiterschaltern jeweils abfallenden Spannungen (wenigstens) die vorgenannten ersten, zweiten, dritten und vierten Zeitpunkte detektiert werden, so dass bei der Verwendung des mathematischen Modells vorteilhaft (wenigstens) vier „Stützpunkte“ des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung pro PWM-Schaltperiode herangezogen werden können.In one embodiment it is provided that (at least) the aforementioned first, second, third and fourth points in time are detected by monitoring the voltages dropping at the two semiconductor switches, so that when using the mathematical model, (at least) four “points of support” are advantageously of the time profile of the output voltage per PWM switching period can be used.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das „Überwachen“ der an den Halbleiterschaltern abfallenden Spannungen zum Zwecke der erforderlichen Detektion der genannten Zeitpunkte keineswegs eine aufwendige zeitaufgelöste Messung des zeitabhängigen Werts des Spannungsabfalls am betreffenden Halbleiterschalter erfordert. Vielmehr genügt für die Detektion dieser Zeitpunkte z. B. ein zeitaufgelöster Vergleich der Ausgangsspannung mit den betreffenden Schwellwerten, was schaltungstechnisch sehr einfach z. B. durch entsprechende Komparatoren (Spannungsvergleicher) implementiert werden kann.A particular advantage of the invention is that the “monitoring” of the voltages dropping across the semiconductor switches for the purpose of the required detection of the points in time in no way requires a complex time-resolved measurement of the time-dependent value of the voltage drop across the relevant semiconductor switch. Rather, sufficient for the detection of these times z. B. a time-resolved comparison of the output voltage with the relevant threshold values, which is very simple in terms of circuitry, e.g. B. can be implemented by appropriate comparators (voltage comparator).

In einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass an einem oder bevorzugt beiden Halbleiterschaltern die daran abfallende Spannung jeweils mittels eines Komparators mit einer z. B. fest vorgegebenen Vergleichsspannung (entsprechend dem Schwellwert) verglichen und so ein (bevorzugt logisches) Anzeigesignal (Komparatorausgangssignal) erzeugt wird, welches angibt, ob die Spannung die Vergleichsspannung überschreitet (z. B. „High“-Pegel des Anzeigesignals) oder unterschreitet (z. B. „Low“-Pegel des Anzeigesignals).In one embodiment, it is therefore provided that the voltage drop across one or preferably both semiconductor switches is measured by means of a comparator with a z. B. fixed predetermined comparison voltage (corresponding to the threshold value) compared and so a (preferably logical) display signal (comparator output signal) is generated, which indicates whether the voltage exceeds the comparison voltage (z. B. "High" level of the display signal) or falls below ( e.g. "low" level of the display signal).

Unter der Bedingung bzw. einer fehlerfreien Betriebssituation, dass die Versorgungspotentiale und somit die Versorgungsspannung der Halbbrücke konstant sind, entspricht die Summe der Spannungsabfälle an den beiden Halbleiterschaltern der Versorgungsspannung. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Erfindung eine Erfassung des Spannungsabfalls, z. B. durch Messung, oder eine Erfassung einer Schwellwertüberschreitung/unterschreitung, z. B. durch Vergleich mittels Komparator, unmittelbar an einem der beiden Halbleiterschalter auch als eine entsprechende, mittelbare Erfassung des Spannungsabfalls bzw. einer Schwellwertunterschreitung/überschreitung an dem anderen der beiden Halbleiterschalter genutzt werden kann.Under the condition or an error-free operating situation that the supply potentials and thus the supply voltage of the half-bridge are constant, the sum of the voltage drops at the two semiconductor switches corresponds to the supply voltage. This means that within the scope of the invention, detection of the voltage drop, e.g. B. by measurement, or detection of a threshold exceeded / fallen below, z. B. by comparison using a comparator, directly on one of the two semiconductor switches can also be used as a corresponding, indirect detection of the voltage drop or a threshold undershot / exceeded at the other of the two semiconductor switches.

Hierzu ein Beispiel: Wenn an einem der beiden Halbleiterschalter durch einen damit verbundenen Komparator unmittelbar erfasst wird, ob der Spannungsabfall an diesem Halbleiterschalter einen Schwellwert von z. B. 10% der Maximalspannung (Versorgungsspannung) überschreitet oder unterschreitet und damit das erwähnte Anzeigesignal erzeugt wird, so kann dasselbe Anzeigesignal dazu genutzt werden, zu erfassen, ob der Spannungsabfall an dem anderen der beiden Halbleiterschalter einen Schwellwert von 90% der Maximalspannung (Versorgungsspannung) unterschreitet oder überschreitet. Unter Berücksichtigung dieses Umstands ist es z. B. ohne weiteres möglich, die oben genannten ersten, zweiten, dritten und vierten Zeitpunkte durch Verwendung von nur zwei Spannungsvergleichen zu detektieren, z. B. durch jeweils nur eine (unmittelbare) Erfassung einer Schwellwertüberschreitung/-unterschreitung an jedem der beiden Halbleiterschalter.Here is an example: If a comparator connected to one of the two semiconductor switches immediately detects whether the voltage drop across this semiconductor switch exceeds a threshold value of e.g. B. exceeds or falls below 10% of the maximum voltage (supply voltage) and thus the mentioned display signal is generated, the same display signal can be used to detect whether the voltage drop at the other of the two semiconductor switches has a threshold value of 90% of the maximum voltage (supply voltage) falls below or exceeds. Taking this fact into account, it is z. B. easily possible to detect the above first, second, third and fourth points in time by using only two voltage comparisons, z. B. by only one (immediate) detection of a threshold value exceeding/undershooting at each of the two semiconductor switches.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schwellwerte fest (unveränderlich) vorgegeben sind. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders einfache Implementierung (z. B. mittels Komparator mit fest vorgegebener Vergleichsspannung).In one embodiment it is provided that the threshold values are fixed (unchangeable). This advantageously enables a particularly simple implementation (e.g. by means of a comparator with a fixed comparison voltage).

In einer z. B. hinsichtlich der Bestimmungsgenauigkeit oftmals vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens einer der Schwellwerte im Bereich von 0% bis 10% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung (entsprechend der Versorgungsspannung der Halbbrücke) liegt und/oder dass wenigstens einer der Schwellwerte im Bereich von 40% bis 60% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung liegt und/oder dass wenigstens einer der Schwellwerte im Bereich von 90% bis 100% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung liegt.In a z. B. In an embodiment that is often advantageous with regard to the determination accuracy, it is provided that at least one of the threshold values is in the range of 0% to 10% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch (corresponding to the supply voltage of the half-bridge) and/or that at least one of the threshold values is in the range of 40% to 60% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch and/or that at least one of the threshold values is in the range of 90% to 100% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schwellwerte jeweils entweder im Bereich von 0% bis 10% (z. B. die oben erwähnten ersten und vierten Schwellwerte) oder im Bereich von 90% bis 100% (z. B. die oben erwähnten zweiten und dritten Schwellwerte) einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung liegen.In one embodiment it is provided that the threshold values are either in the range from 0% to 10% (e.g. the above-mentioned first and fourth threshold values) or in the range from 90% to 100% (e.g. the above-mentioned second and third threshold values) of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch.

In einer in vielen Anwendungsfällen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens einer der Schwellwerte im Bereich von 0% bis 10% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung liegt (z. B. die oben erwähnten ersten und vierten Schwellwerte) und wenigstens ein weiterer der Schwellwerte im Bereich von 90% bis 100% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter abfallenden Spannung liegt (z. B. die oben erwähnten zweiten und dritten Schwellwerte).In an embodiment that is preferred in many applications, it is provided that at least one of the threshold values is in the range of 0% to 10% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch (e.g. the above-mentioned first and fourth threshold values) and at least one other of the threshold values is in the range from 90% to 100% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch (eg the second and third threshold values mentioned above).

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mathematische Modell über eine Schaltperiode der PWM-Ansteuerung betrachtet einen trapezförmigen Verlauf der Ausgangsspannung vorsieht. Mit einem derart einfachen Modell ergibt sich vorteilhaft ein entsprechend geringer Aufwand (z. B. Rechenaufwand) für die Bestimmung der Ausgangsspannung.One embodiment provides that the mathematical model provides a trapezoidal course of the output voltage over a switching period of the PWM control. With such a simple model, there is advantageously a correspondingly low outlay (e.g. computational outlay) for determining the output voltage.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mathematische Modell über einen Ein- und Ausschaltvorgang der PWM-Ansteuerung betrachtet (also im Bereich der ansteigenden und abfallenden Flanken der Ausgangsspannung) einen nichtlinearen Verlauf der Ausgangsspannung vorsieht. Mit einem derartigen Modell kann vorteilhaft auch von einer Trapezform abweichenden bzw. komplizierteren zeitlichen Verläufen der Ausgangsspannung Rechnung getragen werden.In one embodiment, it is provided that the mathematical model provides a non-linear course of the output voltage over a switching on and off process of the PWM control (ie in the area of the rising and falling edges of the output voltage). With such a model, account can advantageously also be taken of time curves of the output voltage which deviate from a trapezoidal shape or are more complicated.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das hierbei vorgesehene Überwachen der an den Halbleiterschaltern abfallenden Spannungen nicht nur zum Zwecke der Bestimmung der Ausgangsspannung der Halbbrücke (basierend auf dem mathematischen Modell), sondern zusätzlich vorteilhaft auch zum Zwecke einer Funktionsüberprüfung nutzbar ist.Another particular advantage of the method according to the invention is that the monitoring provided here of the voltages dropping across the semiconductor switches can be used not only for the purpose of determining the output voltage of the half-bridge (based on the mathematical model), but also advantageously for the purpose of a functional check.

In einer entsprechenden Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein Ergebnis der erfindungsgemäß durchgeführten Überwachung zusätzlich für eine Funktionsüberprüfung verwendet wird, die beispielsweise eine oder beide der folgenden Überprüfungsschritte aufweisen kann:

• - Falls ein Halbleiterschalter gemäß eines zugeführten PWM-Signals eingeschaltet sein sollte, jedoch der Spannungsabfall an diesem Halbleiterschalter einen bestimmten (geeignet gewählten) Schwellwert überschreitet, so kann dies als ein Fehlerfall betrachtet werden, bei dem z. B. der Halbleiterschalter tatsächlich gar nicht eingeschaltet hat oder aber ein Stromfluss durch den Halbleiterschalter übermäßig groß ist.
• - Falls ein Halbleiterschalter gemäß eines zugeführten PWM-Signals ausgeschaltet sein sollte, jedoch der Spannungsabfall an diesem Halbleiterschalter einen bestimmten (geeignet gewählten) Schwellwert unterschreitet, so kann dies als ein Fehlerfall betrachtet werden, bei dem der Halbleiterschalter tatsächlich gar nicht ausgeschaltet hat (und z. B. „durchlegiert“ ist).

In a corresponding embodiment of the invention, it is therefore provided that a result of the monitoring carried out according to the invention is also used for a functional check, which can have one or both of the following checking steps, for example:

• - If a semiconductor switch should be switched on according to a supplied PWM signal, but the voltage drop across this semiconductor switch exceeds a certain (suitably selected) threshold value, this can be regarded as an error case in which z. B. the semiconductor switch has actually not turned on or a current flow through the semiconductor switch is excessively large.
• - If a semiconductor switch should be switched off according to a supplied PWM signal, but the voltage drop across this semiconductor switch falls below a certain (suitably selected) threshold value, this can be regarded as an error case in which the semiconductor switch has actually not switched off at all (and e.g B. is "alloyed").

Vorteilhaft können für die Bestimmung der Ausgangsspannung genutzte Schwellwerte im Rahmen der Erfindung ohne weiteres so vorgegeben bzw. gewählt werden, dass diese Schwellwerte (bzw. die Auswertung der damit detektierten Zeitpunkte) gleichzeitig auch für eine solche Funktionsüberprüfung genutzt werden können.Threshold values used for determining the output voltage can advantageously be predetermined or selected within the scope of the invention in such a way that these threshold values (or the evaluation of the points in time detected with them) can also be used for such a function check at the same time.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung eines Verfahrens der hier beschriebenen Art zum Bestimmen der Ausgangsspannung einer Halbbrücke in einem Stromrichter vorgeschlagen, beispielsweise in einem Stromrichter zur Ansteuerung einer Drehstrommaschine.According to a further aspect of the invention, the use of a method of the type described here for determining the output voltage of a half-bridge in a power converter, for example in a power converter for controlling a three-phase machine, is proposed.

In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Stromrichter um einen Wechselrichter oder wird der Stromrichter zumindest als Wechselrichter betrieben. Alternativ handelt es sich bei dem Stromrichter um einen Gleichrichter oder wird der Stromrichter zumindest als Gleichrichter betrieben. Der Stromrichter kann eine oder mehrere (z. B. drei) Halbbrücken der hier beschriebenen Art aufweisen, wobei an einer oder mehreren (z. B. wenigstens zwei von drei) dieser Halbbrücken eine jeweilige Bestimmung der Ausgangsspannung gemäß eines Verfahrens der hier beschriebenen Art durchgeführt werden kann.In one embodiment, the power converter is an inverter or the power converter is at least operated as an inverter. Alternatively, the power converter is a rectifier or the power converter is at least operated as a rectifier. The power converter can have one or more (e.g. three) half-bridges of the type described here, with one or more (e.g. at least two of three) of these half-bridges carrying out a respective determination of the output voltage using a method of the type described here can be.

Gemäß eines noch weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines Stromrichters vorgeschlagen, wobei der Stromrichter eine oder mehrere (z. B. drei) Halbbrücken aufweist und die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, für wenigstens eine dieser Halbbrücken ein Verfahren zum Bestimmen der Ausgangsspannung der hier beschriebenen Art auszuführen.According to yet another aspect of the invention, a drive device for driving a power converter is proposed, the power converter having one or more (e.g. three) half-bridges and the drive device being designed to use a method for determining the output voltage of the at least one of these half-bridges to be carried out in the manner described here.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung oder der erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung vorgesehen sein, und umgekehrt.The embodiments and special configurations described here for the method according to the invention can, individually or in any combination, also be provided in an analogous manner as embodiments or special configurations of the use according to the invention or the control device according to the invention, and vice versa.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren der hier beschriebenen Art im Rahmen einer Ansteuerung eines Stromrichters verwendet, mittels welchem eine Drehstrommaschine angesteuert wird. Bei der Drehstrommaschine kann es sich insbesondere z. B. um eine dreiphasig anzusteuernde Drehstrommaschine und insbesondere z. B. um eine Drehstrommaschine zum Antrieb eines Fahrzeuges (z. B. Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder ähnliches) handeln. In einer Weiterbildung dieser Verwendung bzw. Ausgestaltung einer Ansteuereinrichtung ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des Stromrichters für den Betrieb der Drehstrommaschine sowohl einen Antriebsmodus als auch einen Rekuperationsmodus realisiert.In one embodiment of the invention, the method of the type described here is used within the scope of controlling a power converter, by means of which a three-phase machine is controlled. In the three-phase machine, it can be in particular z. B. to a three-phase to be controlled three-phase machine and in particular z. B. be a three-phase machine for driving a vehicle (z. B. electric vehicle, hybrid vehicle or the like). In a development of this use or configuration of a control device, it is provided that the control of the power converter for the operation of the three-phase machine implements both a drive mode and a recuperation mode.

In einer Ausführungsform wird die Ansteuerung des Stromrichters für den Betrieb der Drehstrommaschine im Rahmen einer Regelung der Drehstrommaschine (z. B. hinsichtlich Drehmoment und/oder Drehgeschwindigkeit) durchgeführt, wobei wenigstens eine in erfindungsgemäßer Weise bestimmte Ausgangsspannung als eine Eingangsgröße dieser Regelung verwendet wird.In one embodiment, the power converter for operating the three-phase machine is controlled as part of the regulation of the three-phase machine (e.g. with regard to torque and/or rotational speed), with at least one output voltage determined in accordance with the invention being used as an input variable for this regulation.

Eine genaue Kenntnis der für den Betrieb einer Drehstrommaschine relevanten tatsächlichen Ausgangsspannungen (Phasenspannungen) des Stromrichters kann für die Dynamik und Robustheit einer Regelung des Betriebs der Drehstrommaschine sehr vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere kann die Erfindung z. B. in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• - Sensorlose Regelung (ohne Rotorpositionssensor) einer Drehstrommaschine,
• - Temperaturmodelle (für Rotor und/oder Stator) einer Drehstrommaschine basierend auf Motor-Spannungsgleichungen,
• - „Torque-via-Power“-Drehmomentberechnung aus Motorspannungen und -strömen.

Precise knowledge of the actual output voltages (phase voltages) of the power converter that are relevant for the operation of a three-phase machine can be used to ensure the dynamics and robustness of a reg development of the operation of the three-phase machine can be used very advantageously. In particular, the invention z. B. be used in the following areas:

• - Sensorless control (without rotor position sensor) of a three-phase machine,
• - Temperature models (for rotor and/or stator) of a three-phase machine based on motor voltage equations,
• - "Torque-via-Power" torque calculation from motor voltages and currents.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

• 1 ein Blockschaltbild einer Regelungsanordnung zur Regelung einer Drehstrommaschine gemäß eines Ausführungsbeispiels nach dem Stand der Technik,
• 2 ein Schaltbild eines zum dreiphasigen Bestromen einer Drehstrommaschine geeigneten Stromrichters (Halbbrückenanordnung),
• 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einer PWM-Ansteuervorrichtung und einer davon angesteuerten Halbbrückenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
• 4 eine Darstellung von zeitlichen Verläufen von verschiedenen Signalen sowie einer Ausgangsspannung in der Schaltungsanordnung von 3,
• 5 eine beispielhafte Veranschaulichung eines modellierten zeitlichen Verlaufs einer Ausgangsspannung einer PWM-angesteuerten Halbbrücke der Halbbrückenanordnung von 3, und
• 6 eine beispielhafte Veranschaulichung eines modifiziert modellierten zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung dieser Halbbrücke.

The invention is described in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. They represent:

• 1 a block diagram of a control arrangement for controlling a three-phase machine according to an embodiment according to the prior art,
• 2 a circuit diagram of a power converter suitable for three-phase powering of a three-phase machine (half-bridge arrangement),
• 3 a block diagram of a circuit arrangement with a PWM drive device and a half-bridge arrangement driven thereby according to an embodiment,
• 4 a representation of time courses of different signals and an output voltage in the circuit arrangement of 3 ,
• 5 an exemplary illustration of a modeled time profile of an output voltage of a PWM-controlled half-bridge of the half-bridge arrangement from FIG 3 , and
• 6 an exemplary illustration of a modified modeled time profile of the output voltage of this half-bridge.

1 veranschaulicht ein im Stand der Technik weitverbreitetes Konzept der so genannten Vektorregelung (Feldorientierte Regelung) zur Regelung des Betriebs einer Drehstrommaschine M mittels einer Regelungsanordnung 1, wobei die Regelungsanordnung 1 aufweist:

• - eine Vergleichseinrichtung 2, welche extern erzeugte bzw. vorgegebene, von der Vektorregelung vorgesehene Soll-Werte q0, d0 von Betriebsparametern mit den entsprechenden, aus dem tatsächlichen Betrieb der Drehstrommaschine M ermittelten Ist-Werten q, d dieser Betriebsparameter vergleicht und entsprechende Differenzwerte ausgibt. In üblicher Weise bildet im dargestellten Beispiel der Wert q das von einem Rotor der Maschine M erzeugte Drehmoment ab und bildet der Wert d die magnetische Flussdichte der magnetischen Erregung in dem Rotor ab.
• - eine erste Transformationseinrichtung 3, welche mittels einer so genannten Inversen Clarke-Transformation aus den von der Vergleichseinrichtung 2 gelieferten Differenzwerten q0-q und d0-d transformierte Betriebsparameter-Komponenten α und β (eines statorfesten αβ-Koordinatensystem) erzeugt,
• - eine PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 4 zum Erzeugen von drei zueinander (um 120°) phasenversetzten PWM-Signalen PWMU, PWMV, PWMW, basierend auf den von der ersten Transformationseinrichtung 3 gelieferten Werten α und β,
• - eine PWM-Ansteuereinrichtung 10 zum Erzeugen von drei Phasenspannungen OUTU, OUTV, OUTW und somit drei Phasenströmen IU, IV, IW für eine dreiphasige Bestromung eines Stators der Maschine M, basierend auf den von der PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 4 gelieferten PWM-Signalen PWMU, PWMV und PWMW,
• - drei Phasenstromsensoren 5 zum Erfassen der Werte der drei Phasenströme IU, IV und IW,
• - eine zweite Transformationseinrichtung 6 zum Erzeugen der vorerwähnten, aus dem Betrieb der Drehstrommaschine M sich ergebenden Ist-Werte q und d, basierend auf einer so genannten Clarke-Parks-Transformation der von den Phasenstromsensoren 5 gelieferten Werte der Phasenströme IU, IV und IW, und
• - einen Rotorpositionssensor 7 (z. B. Hallsensor oder z. B. optischer Sensor) zum Erfassen einer Drehwinkelposition φ des Rotors der Maschine M. Die Information über die Drehwinkelposition φ ist im dargestellten Beispiel erforderlich, um das d/q-Koordinatensystem mit korrekter Winkelgeschwindigkeit und Phasenlage mit dem Rotor mitrotieren zu lassen. Ein entsprechendes Sensorsignal wird wie dargestellt zu den Einrichtungen 3 und 6 übertragen.

1 illustrates a concept of what is known as vector control (field-oriented control), which is widespread in the prior art, for controlling the operation of a three-phase machine M by means of a control arrangement 1, the control arrangement 1 having:

• A comparison device 2, which compares externally generated or specified setpoint values q0, d0 of operating parameters provided by the vector control with the corresponding actual values q, d of these operating parameters determined from the actual operation of the three-phase machine M and outputs corresponding differential values. In the usual way, in the illustrated example, the value q represents the torque generated by a rotor of the machine M and the value d represents the magnetic flux density of the magnetic excitation in the rotor.
• - a first transformation device 3, which generates transformed operating parameter components α and β (of a stator-fixed αβ coordinate system) by means of a so-called inverse Clarke transformation from the difference values q0-q and d0-d supplied by the comparison device 2,
• - a PWM signal generating device 4 for generating three PWM signals PWMU, PWMV, PWMW which are phase-shifted relative to one another (by 120°), based on the values α and β supplied by the first transformation device 3,
• - A PWM control device 10 for generating three phase voltages OUTU, OUTV, OUTW and thus three phase currents IU, IV, IW for a three-phase energization of a stator of the machine M, based on the PWM signal generation device 4 supplied PWM signals PWMU, PWMV and PWMW,
• - three phase current sensors 5 for detecting the values of the three phase currents IU, IV and IW,
• - a second transformation device 6 for generating the aforementioned actual values q and d resulting from the operation of the three-phase machine M, based on a so-called Clarke-Parks transformation of the values of the phase currents IU, IV and IW supplied by the phase current sensors 5, and
• - A rotor position sensor 7 (z. B. Hall sensor or z. B. optical sensor) for detecting a rotational angle position φ of the rotor of the machine M. The information about the rotational angle position φ is required in the example shown to the d / q coordinate system with correct Allow angular velocity and phase position to rotate with the rotor. A corresponding sensor signal is transmitted to the devices 3 and 6 as shown.

Die PWM-Ansteuereinrichtung 10 zum Erzeugen der drei Phasenspannungen OUTU, OUTV, OUTW beinhaltet (in 1 nicht dargestellt) eingangsseitig eine PWM-Verarbeitungseinrichtung, mittels welche für jedes der drei zugeführten PWM-Signale PWMU, PWMV, PWMW jeweils zwei zueinander komplementäre PWM-Signale („top“- und „bottom“-Signale) erzeugt werden.The PWM control device 10 for generating the three phase voltages OUTU, OUTV, OUTW contains (in 1 not shown) on the input side a PWM processing device, by means of which two mutually complementary PWM signals (“top” and “bottom” signals) are generated for each of the three supplied PWM signals PWMU, PWMV, PWMW.

Die PWM-Ansteuereinrichtung 10 beinhaltet (in 1 nicht dargestellt) des weiteren ausgangsseitig eine von einer Versorgungsspannung (Gleichspannung zwischen Versorgungspotentialen „VS“ und „GND“) versorgte „Halbbrückenanordnung“ aus drei zueinander parallel angeordneten und somit gemeinsam mit einer Versorgungsspannung „VS - GND“ versorgten Halbbrücken, wobei jede dieser Halbbrücken aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern gebildet ist und an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern die betreffende der Ausgangsspannungen (Phasenspannungen OUTU, OUTV, OUTW) bereitstellt. Die beiden, jeweils zu derselben Halbbrücke zugehörigen Halbleiterschalter werden durch die vorerwähnten komplementären PWM-Signale („top“- und „bottom“-Signale) angesteuert, um somit ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter zu bewirken. Diese Halbbrückenanordnung kann im Hinblick auf deren Verwendung zum Betreiben der Maschnine M auch als ansteuerbarer „Stromrichter“ bezeichnet werden, welcher die Versorgungsspannung (Gleichspannung) „VS - GND“ in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt (Phasenspannungen OUTU, OUTV, OUTW).The PWM driver 10 includes (in 1 not shown) furthermore, on the output side, a "half-bridge arrangement" supplied by a supply voltage (DC voltage between supply potentials "VS" and "GND") and consisting of three half-bridges arranged in parallel and thus jointly supplied with a supply voltage "VS - GND", each of these half-bridges being off a series circuit of two controllable semiconductor switches is formed and at an output node between the two semiconductor switches the relevant one of the output voltages (phase voltages OUTU, OUTV, OUTW) is available. The two semiconductor switches, each associated with the same half-bridge, are controlled by the above-mentioned complementary PWM signals (“top” and “bottom” signals) in order to bring about complementary switching on and off of the two semiconductor switches. With regard to its use for operating the machine M, this half-bridge arrangement can also be referred to as a controllable "converter" which converts the supply voltage (DC voltage) "VS - GND" into a three-phase AC voltage (phase voltages OUTU, OUTV, OUTW).

2 zeigt eine Halbbrückenanordnung 18, wie diese z. B. als der Stromrichter in der PWM-Ansteuereinrichtung 10 von 1 enthalten sein kann, um als die Ausgangsspannungen die Phasenspannungen OUTU, OUTV, OUTW auszugeben. 2 shows a half-bridge arrangement 18, as z. B. as the power converter in the PWM drive device 10 of 1 may be included to output as the output voltages the phase voltages OUTU, OUTV, OUTW.

Die Halbbrückenanordnung 18 wird von einer Zwischenkreisspannung bzw. Versorgungsspannung zwischen Versorgungspotentialen „VS“ und „GND“ versorgt und ist aus drei zueinander parallel angeordneten und somit gemeinsam aus der Versorgungsspannung „VS - GND“ versorgten Halbbrücken 18-1, 18-2, 18-3 gebildet.The half-bridge arrangement 18 is supplied by an intermediate circuit voltage or supply voltage between supply potentials "VS" and "GND" and consists of three half-bridges 18-1, 18-2, 18- 3 formed.

Eine erste Halbbrücke 18-1 umfasst in Reihenschaltung angeordnete ansteuerbare Halbleiterschalter T1, T2, im Beispiel Bipolartransistoren, so dass an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern T1, T2, je nach deren (komplementären) Schaltzustand entsprechend dem PWM-Signal PWMU, die erste Ausgangsspannung OUTU bereitgestellt wird.A first half-bridge 18-1 comprises series-connected controllable semiconductor switches T1, T2, in the example bipolar transistors, so that at an output node between the two semiconductor switches T1, T2, depending on their (complementary) switching state according to the PWM signal PWMU, the first output voltage OUTU is provided.

Eine zweite Halbbrücke 18-2 umfasst in Reihenschaltung angeordnete ansteuerbare Halbleiterschalter T3, T4, so dass an einem Ausgangsknoten zwischen diesen, je nach deren Schaltzustand entsprechend dem PWM-Signal PWMV, die zweite Ausgangsspannung OUTV bereitgestellt wird.A second half-bridge 18-2 includes controllable semiconductor switches T3, T4 arranged in a series circuit, so that the second output voltage OUTV is provided at an output node between them, depending on their switching state according to the PWM signal PWMV.

Eine dritte Halbbrücke 18-3 umfasst in Reihenschaltung angeordnete ansteuerbare Halbleiterschalter T5, T6, so dass an einem Ausgangsknoten zwischen diesen, je nach deren Schaltzustand entsprechend dem PWM-Signal PWMW, die dritte Ausgangsspannung OUTW bereitgestellt wird.A third half-bridge 18-3 includes controllable semiconductor switches T5, T6 arranged in a series circuit, so that the third output voltage OUTW is provided at an output node between them, depending on their switching state according to the PWM signal PWMW.

Die Halbbrücken 18-1, 18-2, 18-3 sind identisch ausgebildet und weisen im Beispiel von 2 (und allgemein im Rahmen der Erfindung bevorzugt) ferner jeweils ein Paar von parallel zu den betreffenden Halbleiterschaltern (T1 bis T6) angeordnete Freilaufdioden D1, D2, D3, D4 bzw. D5, D6 auf.The half-bridges 18-1, 18-2, 18-3 are identical and have the example of 2 (and generally preferred within the scope of the invention) furthermore in each case a pair of freewheeling diodes D1, D2, D3, D4 or D5, D6 arranged parallel to the relevant semiconductor switches (T1 to T6).

Die beiden, jeweils zu derselben Halbbrücke 18-1, 18-2 oder 18-3 zugehörigen Halbleiterschalter T1, T2 (von 18-1), T3, T4 (von 18-2) bzw. T5, T6 (von 18-3) werden bei PWM-Ansteuerung der betreffenden Halbbrücke 18-1, 18-2 bzw. 18-3 durch (in 2 nicht gezeigte) komplementäre PWM-Signale („top“- und „bottom“-Signale) angesteuert, um ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter zu bewirken.The two semiconductor switches T1, T2 (from 18-1), T3, T4 (from 18-2) or T5, T6 (from 18-3) associated with the same half-bridge 18-1, 18-2 or 18-3) are in PWM control of the relevant half-bridge 18-1, 18-2 or 18-3 by (in 2 (not shown) complementary PWM signals (“top” and “bottom” signals) driven in order to bring about a complementary switching on and off of the two semiconductor switches.

Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Einschalten des Halbleiterschalters T1 (durch das „top“-PWM-Signal für die Halbbrücke 18-1) mit einem Ausschalten des Halbleiterschalters T2 einhergeht, und umgekehrt. Durch die Versorgung der Halbbrücke 18-1 mit der Gleichspannung „VS- GNS“ wechselt das Potential bzw. (z. B. bezogen auf GND) die Ausgangsspannung OUTU am Ausgangsknoten im Wesentlichen rechteckförmig zwischen den beiden Versorgungspotentialen VS und GND hin und her. Eine in vielen Anwendungsfällen typische PWM-Schaltfrequenz beträgt hierbei einige kHz (z. B. 10 kHz).This means that, for example, turning on the semiconductor switch T1 (by the “top” PWM signal for the half-bridge 18-1) is accompanied by turning off the semiconductor switch T2, and vice versa. By supplying the half-bridge 18-1 with the DC voltage “VS-GNS”, the potential or (e.g. in relation to GND) the output voltage OUTU at the output node changes back and forth in an essentially rectangular manner between the two supply potentials VS and GND. A typical PWM switching frequency in many applications is a few kHz (e.g. 10 kHz).

Mit Bezug auf die 3 bis 6 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die insbesondere z. B. bei der Ansteuerung einer Halbbrückenanordnung der in 2 gezeigten Art eingesetzt werden können, z. B. für eine Modifikation einer Regelungsanordnung der in 1 gezeigten Art. With reference to the 3 until 6 exemplary embodiments of the invention will be explained below, the particular z. B. when driving a half-bridge arrangement in 2 type shown can be used, for. B. for a modification of a control arrangement in 1 shown type.

3 zeigt eine Halbbrückenanordnung 18, wobei in 3 der Einfachheit halber nur eine einzige Halbbrücke mitsamt einem zugehörigen PWM-Ansteuerteil 12, 14, 16-1, 16-2 eingezeichnet ist. Tatsächlich kann die Halbbrückenanordnung 18 abweichend von dieser Darstellung auch mehrere Halbbrücken (z. B. drei Halbbrücken) aufweisen. 3 shows a half-bridge arrangement 18, where in 3 for the sake of simplicity, only a single half-bridge is shown together with an associated PWM control part 12, 14, 16-1, 16-2. In fact, the half-bridge arrangement 18 can also have a plurality of half-bridges (eg three half-bridges) in deviation from this illustration.

Im Beispiel von 3 ist die Halbbrücke 18 aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern T1, T2 (mitsamt parallel geschalteten Freilaufdioden D1, D2) gebildet. Eine Ausgangsspannung OUT wird an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern T1, T2 bereitgestellt. Die PWM-Ansteuerung erfolgt durch ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter T1, T2. Für diese PWM-Ansteuerung ist eine PWM-Ansteuereinrichtung 10 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel aufweist:

• - eine PWM-Verarbeitungseinrichtung 12, die dazu ausgebildet ist, aus einem zugeführten PWM-Signal „PWM“ zwei zueinander komplementäre PWM-Signale „PWMtop“ und „PWMbottom“ zu erzeugen,
• - eine dem Halbleiterschalter T1 zugeordnete PWM-Treibereinrichtung 16-1 zum Ansteuern des Halbleiterschalters T1 mittels des PWM-Signals PWMtop, sowie zum Überwachen der an T1 abfallenden Spannung daraufhin, ob diese Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet, und Ausgeben eines dies anzeigenden Signals „Ucetop“,
• - eine dem Halbleiterschalter T2 zugeordnete PWM-Treibereinrichtung 16-2 zum Ansteuern des Halbleiterschalters T2 mittels des PWM-Signals PWMbottom, sowie zum Überwachen der an T2 abfallenden Spannung daraufhin, ob diese Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet, und Ausgeben eines dies anzeigenden Signals „Ucebottom“, und
• - eine Potentialtrenneinrichtung 14, die dazu ausgebildet ist, für die Übertragung der PWM-Signale PWMtop und PWMbottom sowie die Übertragung der Anzeigesignale Ucetop und Ucebottom eine Potentialtrennung vorzusehen.

In the example of 3 the half-bridge 18 is formed from a series connection of two controllable semiconductor switches T1, T2 (together with freewheeling diodes D1, D2 connected in parallel). An output voltage OUT is provided at an output node between the two semiconductor switches T1, T2. The PWM control takes place by complementary switching on and off of the two semiconductor switches T1, T2. A PWM control device 10 is provided for this PWM control, which in the example shown has:

• - a PWM processing device 12, which is designed to generate two mutually complementary PWM signals "PWMtop" and "PWMbottom" from a supplied PWM signal "PWM",
• - A PWM driver device 16-1 assigned to the semiconductor switch T1 for driving the semiconductor switch T1 by means of the PWM signal PWMtop and for monitoring the voltage drop across T1 to determine whether this voltage exceeds or falls below a predetermined threshold value, and outputting a signal indicating this "Ucetop",
• - A PWM driver device 16-2 assigned to the semiconductor switch T2 for driving the semiconductor switch T2 by means of the PWM signal PWMbottom, and for monitoring the voltage drop across T2 to determine whether this voltage exceeds or falls below a predetermined threshold value, and outputting a signal indicating this "Ucebottom", and
• - A potential separation device 14, which is designed to provide potential separation for the transmission of the PWM signals PWMtop and PWMbottom and the transmission of the display signals Ucetop and Ucebottom.

Die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 ist z. B. als eine (z. B. programmgesteuerte) digitale Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet und kann insbesondere z. B. als ein Mikrocontroller oder ein FPGA oder ASIC implementiert sein.The PWM processor 12 is z. B. as a (z. B. program-controlled) digital signal processing device and can in particular z. B. be implemented as a microcontroller or an FPGA or ASIC.

Die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 erzeugt die komplementären PWM-Signale PWMtop und PWMbottom mit einer so genannten Totzeitkompensation, durch welche bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2 vorteilhaft deren Zeit benötigendes (und auch unterschiedliches) Schaltverhalten berücksichtigt werden kann, um die PWM-Schaltvorgänge der Halbbrücke zu gewünschten Zeitpunkten zu bewirken, und hierbei außerdem möglichst steile Flanken der Ausgangsspannung OUT zu erzielen und elektrische Verluste zu verringern.The PWM processing device 12 generates the complementary PWM signals PWMtop and PWMbottom with a so-called dead-time compensation, through which, when driving the semiconductor switches T1, T2, their time-requiring (and also different) switching behavior can advantageously be taken into account in order to optimize the PWM switching operations of the To cause half-bridge at desired times, and in this case also to achieve the steepest possible edges of the output voltage OUT and to reduce electrical losses.

Falls die in 3 gezeigte Halbbrückenanordnung 18 tatsächlich mehrere Halbbrücken (z. B. drei Halbbrücken) aufweist und eine Bestimmung der Ausgangsspannung auch für eine oder mehrere weitere Halbbrücken realisiert sein soll, so sind hierfür die in 3 gezeigten Komponenten der Ansteuereinrichtung 10 mit Ausnahme der PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 entsprechend mehrfach vorzusehen. Die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 kann hierbei als eine gemeinsame Einrichtung zur Ansteuerung sämtlicher Halbbrücken und zur Bestimmung der betreffenden Ausgangsspannung ausgebildet werden.If the in 3 If the half-bridge arrangement 18 shown actually has a plurality of half-bridges (e.g. three half-bridges) and the output voltage is also to be determined for one or more further half-bridges, the in 3 components of the control device 10 shown, with the exception of the PWM processing device 12, are correspondingly to be provided several times. In this case, the PWM processing device 12 can be embodied as a common device for driving all half-bridges and for determining the relevant output voltage.

4 zeigt im oberen Teil der Figur beispielhaft den Verlauf des der PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 zugeführten (rechteckförmigen) PWM-Signals „PWM“ sowie der daraus erzeugten (rechteckförmigen) PWM-Signale „PWMtop“ und „PWMbottom“ in Abhängigkeit von der Zeit t. In der Figur ist eine Schaltperiode der PWM-Ansteuerung dargestellt (Periodendauer typisch z. B. 100 µs). 4 In the upper part of the figure, FIG. A switching period of the PWM control is shown in the figure (period duration typically eg 100 μs).

Die von der PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 bewirkte Totzeitgenerierung ist im Beispiel von 4 daran ersichtlich, dass bei steigender Flanke des Signals PWM das Signal PWMbottom sofort abfällt, jedoch das Signal PWMtop erst nach einer gewissen Verzögerung (Totzeit) ansteigen gelassen wird (D.h. erst wird ausgeschaltet und dann eingeschaltet). Umgekehrt, bei fallender Flanke des Signals PWM, wird das Signal PWMtop unmittelbar abfallen gelassen, wohingegen das Signal PWMbottom erst nach einer Verzögerung ansteigen gelassen wird (D.h. erst wird ausgeschaltet und dann eingeschaltet).The dead time generation effected by the PWM processing device 12 is in the example of FIG 4 This can be seen from the fact that with a rising edge of the PWM signal, the PWMbottom signal drops immediately, but the PWMtop signal is only allowed to rise after a certain delay (dead time) (ie first it is switched off and then switched on). Conversely, on the falling edge of the PWM signal, the PWMtop signal is caused to fall immediately, whereas the PWMbottom signal is caused to rise only after a delay (ie first turning off and then turning on).

4 zeigt im mittleren Teil der Figur den daraus resultierenden zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung OUT. Wenn das Signal PWM ansteigt, so steigt nach einer Verzögerung (typisch z. B. etwa 1 µs) auch die Spannung OUT (von GND auf VS). Umgekehrt, wenn das Signal PWM abfällt, so fällt nach einer Verzögerung die Spannung OUT (von VS auf GND). 4 shows the resulting time profile of the output voltage OUT in the middle part of the figure. When the signal PWM rises, after a delay (typically e.g. about 1 µs) also the voltage OUT (from GND to VS). Conversely, when the PWM signal falls, after a delay, the OUT voltage falls (from VS to GND).

Der zeitliche Verlauf von OUT ist nur näherungsweise rechteckförmig. Im Beispiel von 4 ist angenommen, dass der tatsächliche Verlauf der Ausgangsspannung etwa trapezförmig ist. Die Flanken der Spannung OUT besitzen eine gewisse Breite (typisch bis zu etwa 1 µs).The course of OUT over time is only approximately rectangular. In the example of 4 it is assumed that the actual course of the output voltage is approximately trapezoidal. The edges of the voltage OUT have a certain width (typically up to about 1 µs).

Die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 ist ferner dazu ausgebildet, während der PWM-Ansteuerung der Halbbrücke die von den PWM-Treibereinrichtungen 16-1 und 16-2 ausgegebenen Signale „Ucetop“ (betreffend Spannungsabfall an T1) und „Ucebottom“ (betreffend Spannungsabfall an T2) auszuwerten.The PWM processing device 12 is also designed to, during the PWM control of the half-bridge, output the signals "Ucetop" (relating to the voltage drop at T1) and "Ucebottom" (relating to the voltage drop at T2 ) to evaluate.

Im dargestellten Beispiel sieht die PWM-Treibereinrichtung 16-1 für das Signal „Ucetop“ eine ansteigende Flanke (bzw. „High“-Pegel) vor, wenn der Spannungsabfall an T1 einen Schwellwert überschreitet, der im dargestellten Beispiel bei 10% der maximal an T1 abfallenden Spannung (VE - GND) gewählt ist. Sobald der Spannungsabfall an T1 diesen Schwellwert wieder unterschreitet, so liefert die PWM-Treibereinrichtung 16-1 für das Signal Ucetop eine abfallende Flanke (bzw. „Low“-Pegel).In the example shown, the PWM driver device 16-1 provides a rising edge (or “high” level) for the “Ucetop” signal if the voltage drop at T1 exceeds a threshold value, which in the example shown is 10% of the maximum T1 dropping voltage (VE - GND) is selected. As soon as the voltage drop at T1 falls below this threshold value again, the PWM driver device 16-1 supplies a falling edge (or “low” level) for the signal Ucetop.

Im dargestellten Beispiel sieht die PWM-Treibereinrichtung 16-2 für das Signal „Ucebottom“ eine ansteigende Flanke (bzw. „High“-Pegel) vor, wenn der Spannungsabfall an T2 einen Schwellwert unterschreitet, der im dargestellten Beispiel bei 10% der maximal an T2 abfallenden Spannung (VE - GND) gewählt ist. Sobald der Spannungsabfall an T2 diesen Schwellwert wieder überschreitet, so liefert die PWM-Treibereinrichtung 16-2 für das Signal Ucebottom eine abfallende Flanke (bzw. „Low“-Pegel).In the example shown, the PWM driver device 16-2 provides a rising edge (or "high" level) for the "Ucebottom" signal if the voltage drop at T2 falls below a threshold value, which in the example shown is 10% of the maximum T2 dropping voltage (VE - GND) is selected. As soon as the voltage drop at T2 exceeds this threshold value again, the PWM driver device 16-2 supplies a falling edge (or “low” level) for the signal Ucebottom.

Mit der vorerwähnten Auswertung der Signale Ucetop und Ucebottom durch die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 wird zum einen eine Funktionsüberprüfung realisiert, bei der im dargestellten Beispiel folgende Überprüfungsschritte vorgesehen sind:

• - Falls ein Halbleiterschalter (T1 oder T2) gemäß des Signals PWM eingeschaltet sein sollte, jedoch das betreffende Signal Ucetop bzw. Ucebottom (z. B. nach Ablauf einer vorbestimmten kurzen Verzögerungszeit nach der ansteigenden Flanke des Signals PWM) anzeigt, dass der betreffende Spannungsabfall den betreffenden Schwellwert, im Beispiel „10% x (VE - GND)“, überschreitet, so wird dies als ein Fehlerfall betrachtet, in dem der betreffende Halbleiterschalter tatsächlich nicht eingeschaltet hat, oder aber ein Stromfluss durch diesen Halbleiterschalter übermäßig groß ist.
• - Falls ein Halbleiterschalter (T1 oder T2) gemäß des Signals PWM ausgeschaltet sein sollte, jedoch das betreffende Signal Ucetop bzw. Ucebottom (z. B. nach Ablauf einer vorbestimmte kurzen Verzögerungszeit nach der fallenden Flanke des Signals PWM) anzeigt, dass der betreffende Spannungsabfall den betreffenden Schwellwert, im Beispiel „10% x (VE - GND)“, unterschreitet, so wird dies als ein Fehlerfall betrachtet, in dem der betreffende Halbleiterschalter tatsächlich nicht ausgeschaltet hat (und z. B. durchlegiert ist).

With the above-mentioned evaluation of the signals Ucetop and Ucebottom by the PWM processing device 12, a functional check is carried out, in which the following checking steps are provided in the example shown:

• - If a semiconductor switch (T1 or T2) should be switched on according to the signal PWM, but the relevant signal Ucetop or Ucebottom (e.g. after a predetermined short delay time has elapsed after the rising edge of the signal PWM) indicates that the relevant voltage drop exceeds the relevant threshold value, in the example "10% x (VE - GND)", then this is regarded as an error case in which the semiconductor switch in question has actually not switched on, or a current flow through this semiconductor switch is excessively large.
• - If a semiconductor switch (T1 or T2) should be switched off according to the PWM signal, but the relevant signal Ucetop or Ucebottom (e.g. after a predetermined short delay time has elapsed after the falling edge of the signal PWM) indicates that the relevant voltage drop falls below the relevant threshold value, in the example "10% x (VE - GND)", then this is regarded as an error case in which the semiconductor switch in question has actually not switched off (and is e.g. alloyed through).

Zum anderen wird mit der vorerwähnten Auswertung der Signale Ucetop und Ucebottom eine Bestimmung der Ausgangsspannung OUT realisiert, bei der im dargestellten Beispiel folgende Bestimmungsschritte vorgesehen sind:

• - Detektieren von Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4, zu denen an den beiden Halbleiterschaltern T1 und T2 jeweils abfallende Spannungen bei einem Einschaltvorgang und bei einem Ausschaltvorgang jeweils den betreffenden Schwellwert, im Beispiel „10% x (VE - GND)“, überschreiten bzw. unterschreiten, wie aus 4 ersichtlich,
• - Bestimmen der Ausgangsspannung OUT basierend auf einem mathematischen Modell eines zeitabhängigen Verlaufs der Ausgangsspannung OUT in Abhängigkeit von den erfassten Zeitpunkten.

On the other hand, the above-mentioned evaluation of the signals Ucetop and Ucebottom is used to determine the output voltage OUT, in which the following determination steps are provided in the example shown:

• - Detection of points in time t1, t2, t3 and t4 at which the voltages falling at the two semiconductor switches T1 and T2 during a switch-on process and during a switch-off process exceed the relevant threshold value, in the example "10% x (VE - GND)". or undercut, as from 4 evident,
• - Determining the output voltage OUT based on a mathematical model of a time-dependent profile of the output voltage OUT as a function of the points in time recorded.

Mit der im dargestellten Beispiel durch die PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 im Rahmen der durchgeführten Überwachung werden innerhalb der in 4 dargestellten PWM-Ansteuerungsperiode nacheinander also folgende Zeitpunkte detektiert:

• - der Zeitpunkt t1, zu dem die Spannung über T2 beim Ausschalten von T2 einen ersten Schwellwert (10% x (VE - GND)) überschreitet, wobei die Detektion im dargestellten Beispiel darauf beruht, dass zu diesem Zeitpunkt t1 das Signal Ucebottom eine ansteigende Flanke besitzt,
• - ein Zeitpunkt t2, zu dem die Spannung über T2 beim Ausschalten von T2 einen zweiten Schwellwert (90% x (VE - GND)) überhalb des ersten Schwellwerts überschreitet, wobei die Detektion im dargestellten Beispiel darauf beruht, dass zu diesem Zeitpunkt t2 das Signal Ucetop eine fallende Flanke besitzt,

• - ein Zeitpunkt t3, zu dem die Spannung über T2 beim Einschalten von T2 einen dritten Schwellwert (90% x (VE - GND)) unterschreitet, wobei die Detektion im dargestellten Beispiel darauf beruht, dass zu diesem Zeitpunkt t3 das Signal Ucetop eine steigende Flanke besitzt,
• - ein Zeitpunkt t4, zu dem die Spannung über T2 beim Einschalten von T2 einen vierten Schwellwert (10% x (VE - GND)) unterhalb des dritten Schwellwerts unterschreitet, wobei diese Detektion im dargestellten Beispiel darauf beruht, dass zu diesem Zeitpunkt t4 das Signal Ucebottom eine fallende Flanke besitzt.

With the monitoring carried out by the PWM processing device 12 in the example shown, within the 4 PWM activation period shown, i.e. the following points in time are detected one after the other:

• - the time t1 at which the voltage across T2 when T2 is switched off exceeds a first threshold value (10% x (VE - GND)), the detection in the example shown being based on the fact that at this time t1 the signal Ucebottom has a rising edge owns
• - a time t2 at which the voltage across T2 when T2 is switched off exceeds a second threshold (90% x (VE - GND)) above the first threshold, the detection in the example shown being based on the fact that at this time t2 the signal Ucetop has a falling edge,

• - A point in time t3 at which the voltage across T2 falls below a third threshold value (90% x (VE - GND)) when T2 is switched on, the detection in the example shown being based on the fact that at this point in time t3 the signal Ucetop has a rising edge owns
• - A time t4 at which the voltage across T2 when T2 is switched on falls below a fourth threshold (10% x (VE - GND)) below the third threshold, this detection in the example shown being based on the fact that at this time t4 the signal Ucebottom has a falling cross.

5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem das mathematische Modell über eine Schaltperiode der PWM-Ansteuerung betrachtet einen trapezförmigen Verlauf der Ausgangsspannung vorsieht. 5 FIG. 11 illustrates an exemplary embodiment in which the mathematical model provides a trapezoidal profile of the output voltage when viewed over a switching period of the PWM control.

5 zeigt beispielhaft einen trapezförmig modellierten zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung OUT einer PWM-angesteuerten Halbbrücke der Halbbrückenanordnung von 3. 5 shows an example of a trapezoidal modeled time profile of the output voltage OUT of a PWM-controlled half-bridge of the half-bridge arrangement from FIG 3 .

In Kenntnis der Versorgungspotentiale VS und GND, der Zeitpunkte t1 bis t4 und der in 5 mit S1 und S2 bezeichneten „Schwellenwerte“, im obigen Beispiel S1 = S2 = 10% x (VE - GND), ist es mathematisch trivial, den kompletten zeitlichen Verlauf OUT(t) der Ausgangsspannung OUT zu bestimmen. Diese Bestimmung kann von der PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 z. B. in programmgesteuerter Weise erfolgen.Knowing the supply potentials VS and GND, the times t1 to t4 and the in 5 With the "threshold values" denoted by S1 and S2, in the above example S1 = S2 = 10% x (VE - GND), it is mathematically trivial to determine the complete time curve OUT(t) of the output voltage OUT. This determination can be made by the PWM processor 12 e.g. B. done in a programmatic manner.

Im Beispiel von 5 eingezeichnet sind auch Zeitpunkte t1*, t2*, t3* und t4*, zu denen die Spannung OUT vom negativen Versorgungspotential GND aus zu steigen beginnt (t1 *), diese Spannung das positive Versorgungspotential VS erreicht (t2*), vom positiven Versorgungspotential VS abzusinken beginnt (t3*), und wieder das negative Versorgungspotential GND erreicht (t4*).In the example of 5 Times t1*, t2*, t3* and t4* are also shown, at which the voltage OUT starts to rise from the negative supply potential GND (t1*), this voltage reaches the positive supply potential VS (t2*), from the positive supply potential VS begins to drop (t3*) and again reaches the negative supply potential GND (t4*).

Diese Zeitpunkte t1*, t2*, t3* und t4* können in Verbindung mit den zugehörigen Werten von OUT (GND bzw. VS) gewissermaßen „Stützpunkte“ für eine von der PWM-Verarbeitungseinrichtung 12 durchgeführte Rekonstruktion des zeitlichen Verlaufs OUT(t) genutzt werden. Die Zeitpunkte t1 *, t2*, t3* und t4* können hierfür in einfacher Weise, z. B. mittels Extrapolation im Bereich der Flanken von OUT(t), aus den Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4 ermittelt (berechnet) werden.These points in time t1*, t2*, t3* and t4* can be used in conjunction with the associated values of OUT (GND or VS) to a certain extent as “support points” for a reconstruction of the time profile OUT(t) carried out by the PWM processing device 12 become. The points in time t1*, t2*, t3* and t4* can be used for this purpose in a simple manner, e.g. B. by means of extrapolation in the area of the edges of OUT (t), from the times t1, t2, t3 and t4 (calculated).

Falls im konkreten Anwendungsfall der komplette zeitliche Verlauf OUT(t) nicht benötigt wird, sondern z. B. nur ein arithmetischer Mittelwert „mean“ dieses Verlaufs, so kann dieser Mittelwert für das Trapezform-Modell von 5 wie folgt berechnet werden: $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\left(\text{t}{2}^{\ast }-\text{t}{1}^{\ast }\right)/2+\left(\text{t}{3}^{\ast }-\text{t}{2}^{\ast }\right)+\left(\text{t}{4}^{\ast }-\text{t}{3}^{\ast }\right)/2\right]\times \left(\text{VS}-\text{GND}\right),$$

wobei T die PWM-Periodendauer bezeichnet.If the complete time profile OUT(t) is not required in a specific application, but e.g. B. only an arithmetic mean "mean" of this course, this mean for the trapezoidal shape model of 5 be calculated as follows: $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\left(\text{t}{2}^{\ast }-\text{t}{1}^{\ast }\right)/2+\left(\text{t}{3}^{\ast }-\text{t}{2}^{\ast }\right)+\left(\text{t}{4}^{\ast }-\text{t}{3}^{\ast }\right)/2\right]\times \left(\text{vs}-\text{GND}\right),$$

where T denotes the PWM period.

Die Zeitpunkte t1*, t2*, t3* und t4* können hierfür wie bereits erwähnt aus den Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4 ermittelt werden. Eine solche „Umrechnung“ erübrigt sich, falls die beiden Schwellwerte S1 und S2 identisch sind (was auch insofern im Rahmen der Erfindung eine vorteilhafte Ausführungsform darstellt). In diesem Fall können zur Berechnung von „mean“ auch unmittelbar die detektierten Zeitpunkte t1 bis t4 verwendet werden: $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\left(\text{t}2-\text{t}1\right)/2+\left(\text{t}3-\text{t}2\right)+\left(\text{t}4-\text{t}3\right)/2\right]\times \left(\text{VS}-\text{GND}\right)$$

As already mentioned, the times t1*, t2*, t3* and t4* can be determined for this from the times t1, t2, t3 and t4. Such a "conversion" is unnecessary if the two threshold values S1 and S2 are identical (which in this respect also represents an advantageous embodiment within the scope of the invention). In this case, the detected times t1 to t4 can also be used directly to calculate "mean": $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\left(\text{<figure-callout id="2" label="t" filenames="DE102020215383B4\_0004.png" state="{{state}}">t</figure-callout>}2-\text{t}1\right)/2+\left(\text{<figure-callout id="3" label="t" filenames="DE102020215383B4\_0004.png" state="{{state}}">t</figure-callout>}3-\text{t}2\right)+\left(\text{<figure-callout id="4" label="t" filenames="DE102020215383B4\_0004.png" state="{{state}}">t</figure-callout>}4-\text{t}3\right)/2\right]\times \left(\text{vs}-\text{GND}\right)$$

6 veranschaulicht ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, bei dem das mathematische Modell über einen Ein- und Ausschaltvorgang der PWM-Ansteuerung betrachtet einen nichtlinearen Verlauf der Ausgangsspannung OUT(t) vorsieht. 6 FIG. 12 illustrates a modified exemplary embodiment in which the mathematical model provides a non-linear profile of the output voltage OUT(t) when viewed over a switch-on and switch-off process of the PWM control.

Falls in diesem Fall z. B. wieder ein arithmetischer Mittelwert „mean“ dieses nicht-trapezförmigen Verlaufs OUT(t) ermittelt werden soll, so kann dieser z. B. wie folgt berechnet werden: $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\text{K}1\left(\text{t}{2}^{\ast }-\text{t}{1}^{\ast }\right)/2+\left(\text{t}{3}^{\ast }-\text{t}{2}^{\ast }\right)+K2\times \left(\text{t}{4}^{\ast }-\text{t}{3}^{\ast }\right)/2\right]\times \left(\text{VS}-\text{GND}\right),$$

wobei K1 und K2 durch das Modell festgelegte Korrekturfaktoren darstellen. Mit einer Festlegung von K1 = K2 = 1/2 erhält man als Spezialfall das oben mit Bezug auf 5 erläuterte Trapezform-Modell.If in this case e.g. If, for example, an arithmetic mean "mean" of this non-trapezoidal curve OUT(t) is to be determined, this can be done e.g. B. be calculated as follows: $$\text{mean}=\left(1/\text{T}\right)\times \left[\text{K}1\left(\text{t}{2}^{\ast }-\text{t}{1}^{\ast }\right)/2+\left(\text{t}{3}^{\ast }-\text{t}{2}^{\ast }\right)+K2\times \left(\text{t}{4}^{\ast }-\text{t}{3}^{\ast }\right)/2\right]\times \left(\text{vs}-\text{GND}\right),$$

where K1 and K2 represent correction factors specified by the model. With a specification of K1 = K2 = 1/2, one obtains the above with reference to as a special case 5 explained trapezoidal shape model.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine neuartige Methode zum Bestimmen einer Ausgangsspannung (z. B. Verlauf oder z. B. Kenngrößen wie Mittelwert etc.) einer Halbbrücke bereitgestellt, die insbesondere z. B. zur Bestimmung einer Stromrichter-Ausgangsspannung bei der Steuerung oder Regelung von Elektroantrieben (beinhaltend eine Drehstrommaschine) verwendet werden kann. Die Ausgangsspannung kann durch eine „indirekte“ Messung (Modellierung) des Spannungsverlaufs durch die Zeitpunkte von mehreren (z. B. vier) charakteristischen Punkten (Stützpunkte) des tatsächlichen Spannungsverlaufs sehr genau bestimmt werden.In summary, the invention provides a novel method for determining an output voltage (e.g. curve or, for example, parameters such as mean value, etc.) of a half-bridge which, in particular, e.g. B. to determine a converter output voltage in the control or regulation of electric drives (including a three-phase machine) can be used. The output voltage can be determined very precisely by an "indirect" measurement (modeling) of the voltage curve using the times of several (e.g. four) characteristic points (interpolation points) of the actual voltage curve.

Claims (9)

Verfahren zum Bestimmen einer Ausgangsspannung (OUT) einer mittels PWM-Ansteuerung angesteuerten Halbbrücke (18), wobei die Halbbrücke (18) aus einer Reihenschaltung von zwei ansteuerbaren Halbleiterschaltern (T1, T2) gebildet ist und die Ausgangsspannung (OUT) an einem Ausgangsknoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern (T1, T2) bereitgestellt wird, wobei die PWM-Ansteuerung durch ein komplementäres Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiterschalter (T1, T2) erfolgt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Überwachen von an den beiden Halbleiterschaltern (T1, T2) jeweils abfallenden Spannungen, um Zeitpunkte (t1, t2, t3, t4) zu detektieren, zu denen diese Spannungen bei einem Einschaltvorgang und/oder bei einem Ausschaltvorgang jeweils einen oder mehrere bestimmte Schwellwerte unterschreiten bzw. überschreiten, - Bestimmen der Ausgangsspannung (OUT) basierend auf einem mathematischen Modell eines zeitabhängigen Verlaufs der Ausgangsspannung (OUT) in Abhängigkeit von den erfassten Zeitpunkten (t1, t2, t3, t4).Method for determining an output voltage (OUT) of a half-bridge (18) controlled by means of PWM control, the half-bridge (18) being formed from a series connection of two controllable semiconductor switches (T1, T2) and the output voltage (OUT) at an output node between the the two semiconductor switches (T1, T2) are provided, with the PWM control taking place by complementary switching the two semiconductor switches (T1, T2) on and off, the method having the following steps: - Monitoring of the voltages falling at the two semiconductor switches (T1, T2) in order to detect points in time (t1, t2, t3, t4) at which these voltages fall below one or more specific threshold values during a switch-on process and/or during a switch-off process or exceed - Determining the output voltage (OUT) based on a mathematical model of a time-dependent curve of the output voltage (OUT) as a function of the recorded times (t1, t2, t3, t4). Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch das Überwachen folgende Zeitpunkte (t1, t2) detektiert werden: - ein erster Zeitpunkt (t1), zu dem die Spannung an einem auszuschaltenden Halbleiterschalter einen ersten Schwellwert überschreitet, - ein zweiter Zeitpunkt (t2), zu dem diese Spannung einen überhalb des ersten Schwellwerts liegenden zweiten Schwellwert überschreitet.procedure after claim 1 , the following points in time (t1, t2) being detected by monitoring: - a first point in time (t1) at which the voltage at a semiconductor switch to be switched off exceeds a first threshold value, - a second point in time (t2) at which this voltage exceeds a of the first threshold lying second threshold exceeds. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Überwachen folgende Zeitpunkte detektiert werden: - ein dritter Zeitpunkt (t3), zu dem die Spannung an einem einzuschaltenden Halbleiterschalter einen dritten Schwellwert unterschreitet, - ein vierter Zeitpunkt (t4), zu dem diese Spannung einen unterhalb des dritten Schwellwerts liegenden vierten Schwellwert unterschreitet.Method according to one of the preceding claims, wherein the following points in time are detected by the monitoring: - a third point in time (t3) at which the voltage at a semiconductor switch to be switched on falls below a third threshold value, - A fourth point in time (t4) at which this voltage falls below a fourth threshold value which is below the third threshold value. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schwellwerte fest vorgegeben sind.Method according to one of the preceding claims, in which the threshold values are fixed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schwellwerte jeweils entweder im Bereich von 0% bis 10% oder im Bereich von 90% bis 100% einer maximal am betreffenden Halbleiterschalter (T1, T2) abfallenden Spannung liegen.Method according to one of the preceding claims, wherein the threshold values are in each case either in the range from 0% to 10% or in the range from 90% to 100% of a maximum voltage drop across the relevant semiconductor switch (T1, T2). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mathematische Modell über eine Schaltperiode der PWM-Ansteuerung betrachtet einen trapezförmigen Verlauf der Ausgangsspannung (OUT) vorsieht.Method according to one of the preceding claims, in which the mathematical model provides a trapezoidal profile of the output voltage (OUT) when viewed over a switching period of the PWM control. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mathematische Modell über einen Ein- und Ausschaltvorgang der PWM-Ansteuerung betrachtet einen nichtlinearen Verlauf der Ausgangsspannung (OUT) vorsieht.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , whereby the mathematical model provides for a non-linear progression of the output voltage (OUT) when viewed over a switch-on and switch-off process of the PWM control. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Bestimmen der Ausgangsspannung (OUT) einer Halbbrücke (18) in einem Stromrichter zur Ansteuerung einer Drehstrommaschine (M).Use of a method according to one of Claims 1 until 7 for determining the output voltage (OUT) of a half-bridge (18) in a power converter for driving a three-phase machine (M). Ansteuereinrichtung (10) zum Ansteuern eines Stromrichters, wobei der Stromrichter eine oder mehrere Halbbrücken (18) aufweist und wobei die Ansteuereinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, für wenigstens eine Halbbrücke (18) des Stromrichters ein Verfahren zum Bestimmen der Ausgangsspannung (OUT) dieser Halbbrücke (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.Control device (10) for controlling a converter, wherein the converter has one or more half-bridges (18) and wherein the control device (10) is designed for at least a half-bridge (18) of the power converter, a method for determining the output voltage (OUT) of this half-bridge (18) according to one of Claims 1 until 7 to execute.

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