DE102022201511B4 - Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters, Computerprogramm, Vorrichtung zur Datenverarbeitung, Inverter, Elektroantrieb sowie Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter je Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Totzeit beim Umschalten zwischen zwei Schaltern einer Phase die sich einstellende Spannung erfasst wird, und wenn die erfasste Spannung einer vorgegebenen Zielspannung entspricht, beide Schalter ausgeschaltet bleiben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
  • Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
  • Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern, z.B. SiC-MOSFET, IGBT und parallel geschaltete Freilaufdiode (auch als antiparallele Silizium-Diode bezeichnet). Bevor der leitende Schalter von der Highside zur Lowside oder Lowside zur Highside gewechselt werden kann, ist eine Zeit nötig, in welcher beide Schalter ausgeschaltet sind, die sogenannte Totzeit. Diese Zeit ist nötig, da der Halbleiter (das Halbleiterbauelement) eine gewisse Zeit benötigt, um in den sperrenden Zustand zu wechseln, und ist vom verwendeten Halbleiter abhängig. Erst nach der Totzeit kann der gegenüberliegende Schalter wieder eingeschaltet werden. Während dieser Totzeit wird der Strom durch die Motorwicklung eingeprägt.
  • In elektrischen Antriebssystemen werden Umrichter, insbesondere Pulswechselrichter, eingesetzt, um die Leistung und das Drehmoment einzustellen und zu regeln.
  • Standardmäßig werden Modulationsverfahren wie trägerbasierte Pulsweitenmodulation (mit und ohne Einprägung einer dritten Harmonischen) oder Raumzeigermodulationsverfahren verwendet. Die EMV- und Wirkungsgrad-Eigenschaften werden in diesem Fall vorrangig von der Schaltfrequenz des Umrichters (auch Inverter genannt) bestimmt, die in typischen elektrischen Antriebssystemen zwischen 8kHz und 10kHz liegt.
  • In modernen elektrischen Antriebsystemen spielen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und der Wirkungsgrad eine immer bedeutendere Rolle. So müssen bei Umrichter/Inverter gespeisten Antrieben stets strengere Anforderungen an EMV, Akustik und Effizienz eingehalten werden.
  • Es wurden bereits einige Maßnahmen vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der oben genannten Eigenschaften beitragen. Beispielhaft seien genannt:
    • - Änderung des Maschinendesigns: Das elektromagnetische Design wird dahingehend optimiert, dass mit weniger Strom gleiches Moment gestellt werden kann.
    • - Änderungen der Software/Ansteuerung: Einsatz von Spread Spectrum Methoden. Durch geeignete Anpassung des Modulationsverfahrens werden die spektralen Anteile, die typischerweise bei Vielfachen der Schaltfrequenz maximal sind, reduziert. Durch diese Reduzierung wird das akustische und elektromagnetische Verhalten optimiert.
    • - Einsatz von Filtern: Leitungsgebundene Störungen können durch Hardware-Filterkomponenten reduziert werden.
    • - Gehäusedesign: Geeignetes Gehäusematerial und Gehäusedesign ermöglicht die Abschirmung von Störstrahlung oder reduziert akustische Auffälligkeiten.
  • Aus dem Stand der Technik sind Methoden zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern bekannt. Aus der DE 298 15 331 U1 ist beispielsweise eine Methode zur Aussetzung der Taktung von Schaltvorgängen von Leistungshalbleitern bekannt. Diese findet insbesondere bei drehmomentfreien Leerlauffahrten Anwendung und soll eine geringere betriebsmäßige Belastung der Batterie ermöglichen. Ferner wird dabei eine Grenze für die Batteriespannung im Rekuperationsbetrieb berücksichtigt.
  • Aufgrund der teilweise kostenrelevanten bzw. ressourcenintensiven Lösungsansätze können aber nicht alle wünschenswerten Maßnahmen umgesetzt werden.
  • Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters bereitzustellen, welches eine weitere Verbesserung bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Schaltverlusten bereitstellt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter je Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Totzeit beim Umschalten zwischen zwei Schaltern einer Phase die sich einstellende Spannung erfasst wird, und wenn die erfasste Spannung einer vorgegebenen Zielspannung entspricht, beide Schalter ausgeschaltet bleiben.
  • Während der Totzeit sind beide Schalter einer Phase geschlossen. Wenn in dieser Zeit bereits die Zielspannung anliegt, können durch das Auslassen von Schaltvorgängen zwischen den Schaltern, die auf Basis des Stromvorzeichens eine vorgegebene Zielspannung ohne Einschalten des jeweils anderen Schalters ausgeben, Einschaltverluste und/oder EMV-Störsignale minimiert werden.
  • Ferner wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Ferner wird eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, umfassend Mittel zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
  • Ferner wird ein Inverter mit mindestens einer Phase vorgeschlagen, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter sowie die Vorrichtung zur Datenverarbeitung. In einer Ausführung weist der Inverter drei Phasen auf.
  • Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen beschriebenen Inverter. Außerdem wird ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine für eine Drehfeldmaschine M benötigten Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik.
    • 2 zeigt ein Raumzeigerdiagramm mit Spannungsvektor zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs gemäß dem Stand der Technik.
    • 3 zeigt einen Umschaltvorgang von einem Lowside- zu einem Highside-Schalter in einer Phase gemäß dem Stand der Technik.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters im Automobilbereich, die aktuellen Anforderungen an EMV, Akustik und Effizienz möglichst gut einzuhalten. Dies kann, wie bereits mit Bezug zum Stand der Technik erwähnt, durch unterschiedliche Maßnahmen wie Anpassung der Hardware und/oder Software zu einem gewissen Grad erreicht werden. Aber es ist weiteres Optimierungspotential vorhanden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführung beschrieben, in welcher drei Phasen mit je einem Highside-Schalter 1 und einem Lowside-Schalter 2 vorhanden sind, da dies der häufigste Anwendungsfall ist. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Phasen vorgesehen sein, da sich das Prinzip der Ansteuerung nicht ändert.
  • Das Grundprinzip des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass Schaltvorgänge zwischen den Schaltern 1 und 2 ausgelassen werden, die auf Basis des Stromvorzeichens eine vorgegebene Zielspannung ohne Einschalten des jeweils anderen Schalters 1 bzw. 2 ausgeben.
  • Die Schalter 1 und 2 können beispielsweise als IGBT gebildet sein, wobei auch andere Halbleiterschalter verwendet werden können, um das Verfahren zu implementieren.
  • Während der Totzeit t_tot, die zwischen zwei Schaltvorgängen gegenüberliegender Schalter (Highside 1 und Lowside 2) eingehalten werden muss, wird der Strom durch die Motorwicklung eingeprägt und es stellt sich eine Spannung ein, welche entweder der Ursprungsspannung oder der Zielspannung entspricht, die durch das Umschalten erreicht werden soll. Wenn die Zielspannung bereits anliegt, ist es nicht mehr nötig, auf den anderen Schalter 1 bzw. 2 umzuschalten. Bei einem Umschalten könnten sogar noch negative Effekte wie Einschaltverluste oder EMV-Störsignale erzeugt werden.
  • Deshalb werden erfindungsgemäß die Standard-Pulsmuster, die aus einem der oben genannten Modulationsverfahren (z.B. PWM oder Raumzeiger) erzeugt werden, so manipuliert, dass einzelne Schalthandlungen ausgelassen werden. Da nur diejenigen Schaltvorgänge ausgelassen werden, bei denen die Zielspannung sowieso bereits anliegt, wird die Regelung durch die Ansteuerung nicht negativ zu beeinflusst. Für die Anwendung sind ausschließlich Informationen zum aktuellen und zukünftigen Schaltzustand und das Vorzeichen des Stromes relevant. Auch kann das Verfahren im PWM-Treiber ausgeführt sein. Es ist hierfür vorteilhaft als Software implementiert.
  • Nachfolgend wird das Prinzip der Ansteuerung anhand der Figuren beschrieben. In 1 ist eine schematische Ansicht einer für eine Drehfeldmaschine M benötigten Ansteuerschaltung gezeigt. Hier sind drei Phasen gezeigt, die von jeweils einer Halbbrücke, umfassend jeweils einen Highside 1 Schalter und einen Lowside 2 Schalter angesteuert werden. U_DC ist die Versorgungsspannung.
  • Befindet sich die Spannung (Vektor V), wie im Raumzeigerdiagramm in 2 dargestellt, im ersten Sektor, stellen sich standardmäßig nachfolgend dargestellte Schaltzeiger ein, wobei die Duty Cycles (Verhältnis Impulsdauer/Einschaltzeit zu Periodendauer) durch die Anwendung gängiger Modulationsverfahren bestimmt werden.
  • Das resultierende Schaltmuster wäre im Standardfall also wie folgt: 000 -> 100 -> 110 -> 111 -> 110 -> 100 -> 000, wobei „000“ bedeutet, dass alle Lowside 2 Schalter der drei Phasen eingeschaltet und die zugehörigen Highside 1 Schalter ausgeschaltet sind, und „111“ bedeutet, dass alle Highside 1 Schalter der drei Phasen eingeschaltet und die zugehörigen Lowside 2 Schalter ausgeschaltet sind.
  • Betrachtet man nun beispielhaft das Schaltverhalten in einer Phase und berücksichtigt das Vorzeichen des Phasenstromes, können einzelne Schaltpulse ausgelassen werden ohne die Spannungsausgabe und Regelung negativ zu beeinflussen.
  • 3 zeigt beispielhaft die Umschaltung in einer Phase, z.B. die Umschaltung vom Schaltzustand 110 in den Schaltzustand 111. Die bei der Umschaltung einzuhaltende Totzeit t_tot ist ebenfalls in 2 eingezeichnet. Für die Spannung an der relevanten Phase gibt es zwei Fälle, die sich durch das Phasenstromvorzeichen einstellen können:
    • - Fall 1: Im Bereich der Totzeit t_tot (beide Schalter 1, 2 aus) liegt die Zielspannung an. Beispiel: 11x entspricht 111
    • - Fall 2: Im Bereich der Totzeit t_tot (beide Schalter 1, 2 aus) liegt die Ursprungsspannung an. Beispiel: 11x entspricht 110
  • Das beschriebene Verhalten kann nun dazu genutzt werden, gezielt diejenigen Schaltzustände/Schalthandlungen auszulassen, die auf Basis des Stromvorzeichens die Zielspannung ohne das Einschalten des jeweiligen Highside 1 bzw. Lowside 2 Schalters ausgeben. Dieses Auslassen einzelner Schalthandlung hat zur Folge, dass die effektive Schaltfrequenz des Systems reduziert wird und somit:
    • - Einschaltverluste reduziert werden.
    • - Die EMV Störaussendung aufgrund einer Reduzierung der Schaltflanken reduziert wird.
  • Der Einsatz der Maßnahme ist im gesamten Aussteuerbereich des Inverters möglich. Aufgrund der Tatsache, dass die Zielspannung zu jeder Zeit eingestellt wird, ist keine Änderung am Regler notwendig. Die Änderung kann ausschließlich im PWM-Treiber umgesetzt werden.
  • Das oben beschriebene Verfahren lässt sich mit weiteren Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads und der EMV Eigenschaften verknüpfen, die in Summe zu weiteren Verbesserungen führen können. Weitere Maßnahmen sind beispielsweise die Variation der Schaltfrequenz, eine zufällige Verschiebung der Schaltflanken oder auch Hardwaremaßnahmen.
  • Durch das vorgeschlagene Ansteuerverfahren lässt sich ein hocheffizienter Inverter, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird, erreichen, bei dem die Schaltverluste beim Umschalten von einem aktiven Schalter auf einen anderen aktiven Schalter (High-Side auf Low-Side oder vice versa) verringert sowie EMV-Eigenschaften verbessert werden. Der Inverter kann in einem Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.
  • Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierter Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
  • Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Highside-Schalter
    2
    Lowside-Schalter
    M
    Drehfeldmaschine
    U_DC
    Versorgungsspannung
    T_tot
    Totzeit
    V
    Vektor

Claims (8)

  1. Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside (1) Schalter und einen Lowside (2) Schalterje Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Totzeit (t_tot) beim Umschalten zwischen den Schaltern (1, 2) einer Phase die sich einstellende Spannung erfasst wird, und wenn die erfasste Spannung einer vorgegebenen Zielspannung entspricht, beide Schalter (1, 2) ausgeschaltet bleiben.
  2. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 auszuführen.
  3. Vorrichtung zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, die als PWM-Treiber ausgeführt ist.
  5. Inverter mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside (1) Schalter und einen Lowside (2) Schalter sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 4.
  6. Inverter nach Anspruch 5, aufweisend drei Phasen.
  7. Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter nach Anspruch 6 aufweist.
  8. Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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