WO2012072317A1 - Wechselrichteranordnung und verfahren zum detektieren eines brückenkurzschlusses in einem halbbrückenzweig eines wechselrichters - Google Patents

Wechselrichteranordnung und verfahren zum detektieren eines brückenkurzschlusses in einem halbbrückenzweig eines wechselrichters Download PDF

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Alexander Becker
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Definitions

  • the invention relates to an inverter arrangement and a method for detecting a bridge short-circuit in a half-bridge branch of an inverter.
  • inverters For the drive in hybrid or electric vehicles, as a rule, electrical machines in the form of induction machines are used, which are operated in conjunction with inverters-frequently also referred to as inverters.
  • the electrical machines are operated either in motor or generator mode.
  • the electric machine During engine operation, the electric machine generates a drive torque which, when used in a hybrid vehicle, supports an internal combustion engine, for example in an acceleration phase.
  • generator mode the electric machine generates electrical energy that is stored in an energy storage such as a battery or a super-cab. Operating mode and power of the electrical machine are set via the inverter.
  • Known inverters comprise a series of switching elements with which the individual phases (U, V, W) of the electrical machine are selectively switched to a high supply voltage potential or to a low supply voltage potential.
  • two series-connected switching elements form a half-bridge branch, wherein a first switching element with the high supply voltage potential and a second switching element with the low supply voltage potential are connected.
  • Each phase of the electrical machine is then connected to a respective half-bridge branch.
  • the switching elements are controlled by an external control unit which, depending on the driver's request (acceleration or braking sen) calculates a desired operating point for the electric machine.
  • the inverter is connected to the control unit and receives from it the corresponding operating data or control commands.
  • the invention provides an inverter arrangement with an inverter, in particular a pulse inverter, which comprises at least one half-bridge branch, which comprises a series circuit of two switching elements, wherein a first switching element with a high supply voltage potential and a second switching element connected to a low supply voltage potential is.
  • each half-bridge branch has at least one current sensor which determines a current in the half-bridge branch or a variable characterizing this current.
  • the invention also provides a method for detecting a bridge short circuit in a half-bridge branch of an inverter, the half-bridge branch comprising a series circuit of two switching elements of which a first switching element is connected to a high supply voltage potential and a second switching element is connected to a low supply voltage potential.
  • a current or a variable characterizing this current is determined in the half-bridge branch.
  • a rate of change of current is determined. If the rate of change of current exceeds a predefinable threshold value, a bridge short-circuit is detected in the corresponding half-bridge branch.
  • the determination and evaluation of the currents directly in the half-bridge branches can reliably detect bridge bridging even if the activation is not active, damaged or even the cause of is the bridge short circuit.
  • phase currents are controlled by output signals from current sensors which detect the current in the connection lines between the inverter and the individual phases of the electric machine.
  • current sensors can be replaced by the present invention arranged in the half-bridge branches current sensors, that is, the output signals of the present invention arranged current sensors can be used directly to control the machine currents.
  • an evaluation unit determines the rate of change of current (current gradient) on the basis of the determined current or the determined variable characterizing the current and detects a bridge short-circuit if the current change rate exceeds a predefinable threshold value. It makes use of the fact that when a bridge short-circuit, the current in the half-bridge branch rises much faster than is possible in normal operation of the inverter.
  • the current sensors arranged according to the invention can also be provided in addition to conventional current sensors in the connecting lines between the inverter and the individual phases of the electrical machine and serve as redundancy for them.
  • the current sensors used can be designed, for example, as a current flow converter or as a measuring resistor.
  • the current sensors can also be implemented directly in the semiconductor of the switching elements. Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figure, which shows a schematic block diagram of a connected to an electric machine according to the invention inverter assembly.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a three-phase electric machine 1, which may be configured for example as a synchronous, asynchronous or reluctance machine, with a pulse inverter connected thereto 2.
  • the pulse inverter 2 includes switching elements 3a-3f in the form of circuit breakers, which with individual phases U, V, W of the electric machine 1 are connected and the phases U, V, W switch either against a high supply voltage potential T + or a low supply voltage potential T-.
  • the switching elements 3a-3c which are connected to the high supply voltage potential T + are also referred to as "high-side switches” and the switches 3d-3f connected to the low supply voltage potential T- are referred to as "low-side switches” and can be referred to, for example
  • the pulse inverter 2 further comprises a plurality of freewheeling diodes 4a-4f, which are each arranged parallel to one of the switching elements 3a-3f.
  • the switching elements 3a and 3d, 3b and 3e and 3c and 3f each form a half-bridge 10a, 10b and 10f, which are each associated with one of the phases U, V, W of the electric machine 1.
  • the pulse-controlled inverter 2 determines the power and operating mode of the electric machine 1 and is controlled accordingly by a control unit, not shown, which may also be integrated in the inverter 2.
  • the electric machine 1 can be operated either in motor or generator mode.
  • the pulse inverter 2 may also comprise a so-called intermediate circuit capacitor, not shown, which essentially serves to stabilize a voltage of an energy store, that is, for example, a battery voltage. Parallel to the DC link capacitor, it is then possible to example, the electrical system of a vehicle to be connected with an energy storage device in the form of a battery.
  • the electric machine 1 is designed in the illustrated embodiment, three-phase, but may also have fewer or more than three phases. Accordingly, the inverter 2 may also include fewer or more than three half-bridge branches 10.
  • a current sensor 1a or 11b or 1 1c eg implemented in the form of a current flow transducer or a measuring resistor or even in the semiconductor of the switch, which determines the current or at least one current characterizing variable at this point.
  • the determined current values will then be used on the one hand to control the currents in the electric machine 1.
  • the determined currents or the variables characterizing them are also supplied to an evaluation unit 12, which is shown only schematically in FIG.
  • the evaluation unit 12 determines a rate of change of current (di / dt), ie a change in the current intensity over time, for the individual half-bridge branches 10a, 10b, 10c and detects a bridge short-circuit in the corresponding one Half-bridge branches 10a, 10b, 10c, when the rate of change of current exceeds a predetermined threshold.
  • the arrangement of the current sensors 11 a, 11 b and 1 1 c shown in FIG. 1 at the outputs of the high-side switches 3a, 3b and 3c facing away from the positive supply voltage potential T + is merely to be regarded as exemplary.
  • the current sensors 11 a, 1 1 b and 1 1 c may also be arranged at any other locations within the half-bridge branches 10 a and 10 b and 10 c. It is also conceivable to provide more than one current sensor in the half-bridge branches in order to provide additional redundancy in this way.
  • connection lines 12-U, 12-V and 12W between the half-bridge branches 10a and 10b and 10c and the phases U and V or W of the electric machine may optionally be provided additional current sensors, not shown, in order to obtain a higher Security integrity level.
  • the collector-emitter voltage to the switching elements 3a-3f are monitored.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter (2), welcher mindestens einen Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) umfasst, der eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen (3a, 3d; 3b, 3e; 3c, 3f) umfasst, wobei ein erstes Schaltelement (3a; 3b; 3c) mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) und ein zweites Schaltelement (3d; 3e; 3f) mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T-) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) mindestens einen Stromsensor (11 a; 11 b; 11 c) aufweist, welcher einen Strom in dem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Detektieren eines Brückenkurschlusses in einem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) eines Wechselrichters ermittelt auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe eine Stromänderungsgeschwindigkeit und detektiert einen Brückenkurzschluss in dem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c), wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.

Description

Beschreibung Titel
Wechselrichteranordnung und Verfahren zum Detektieren eines Brückenkurzschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung und ein Verfahren zum De- tektieren eines Brückenkurzschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters.
Stand der Technik Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein An- triebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden über den Wechselrichter eingestellt.
Bekannte Wechselrichter umfassen eine Reihe von Schaltelementen, mit denen die einzelnen Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine wahlweise gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential oder gegen ein niedriges Versorgungs- spannungspotential geschaltet werden. Dabei bilden jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente einen Halbbrückenzweig, wobei ein erstes Schaltelement mit dem hohen Versorgungsspannungspotential und ein zweites Schaltelement mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbunden sind. Jede Phase der elektrischen Maschine ist dann mit jeweils einem Halbbrücken- zweig verbunden. Die Schaltelemente werden von einem externen Steuergerät angesteuert, das in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Beschleunigen oder Brem- sen) einen Soll-Betriebspunkt für die elektrische Maschine berechnet. Der Wechselrichter ist mit dem Steuergerät verbunden und erhält von diesem die entsprechenden Betriebsdaten bzw. Steuerbefehle. Um einen Brückenkurzschluss, bei welchem beide Schaltelemente eines Halbbrückenzweiges gleichzeitig eingeschaltet sind und somit ein direkter Kurz- schluss zwischen dem hohen und dem niedrigen Versorgungsspannungspotenti- al hergestellt wird, zu erkennen, wird herkömmlicher Weise eine Kollektor- Emitter-Spannung an den Schaltelementen überwacht. Diese Spannung ist ein Maß für den Strom durch das entsprechende Schaltelement. Überschreitet diese
Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird ein Brückenkurzschluss detektiert, woraufhin geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter, insbesondere einem Pulswechselrichter, welcher mindestens einen Halbbrückenzweig umfasst, der eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen um- fasst, wobei ein erstes Schaltelement mit einem hohen Versorgungsspannungs- potential und ein zweites Schaltelement mit einem niedrigen Versorgungsspan- nungspotential verbunden ist. Erfindungsgemäß weist jeder Halbbrückenzweig mindestens einen Stromsensor auf, welcher einen Strom in dem Halbbrückenzweig oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Brücken- kurschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters, wobei der Halbbrückenzweig eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen umfasst, von denen ein erstes Schaltelement mit einem hohen Versorgungsspannungspotential und ein zweites Schaltelement mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbunden ist. Dabei wird in dem Halbbrückenzweig ein Strom oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt. Auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe wird eine Stromänderungsgeschwindigkeit ermittelt. Übersteigt die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert, so wird ein Brückenkurzschluss in dem entsprechenden Halbbrückenzweig detektiert. Vorteile der Erfindung
Im Gegensatz zu einer Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannungen an den Schaltelementen kann durch die Ermittlung und Auswertung der Ströme unmit- telbar in den Halbbrückenzweigen ein Brückenkurschluss auch dann sicher de- tektiert werden, wenn die Ansteuerung nicht aktiv, beschädigt oder selbst die Ursache für den Brückenkurzschluss ist.
Bei herkömmlichen über einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschi- nen werden die Phasenströme anhand von Ausgangssignalen von Stromsensoren geregelt, welche den Strom in den Verbindungsleitungen zwischen dem Wechselrichter und den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine ermitteln. Diese Stromsensoren können durch die erfindungsgemäß in den Halbbrückenzweigen angeordneten Stromsensoren ersetzt werden, das heißt die Ausgangs- Signale der erfindungsgemäß angeordneten Stromsensoren können unmittelbar auch zur Regelung der Maschinenströme verwendet werden.
Dazu kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, welche auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten, den Strom charakterisierenden Größe die Stromänderungsgeschwindigkeit (Stromgradient) ermittelt und einen Brückenkurzschluss detektiert, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Dabei macht man sich zunutze, dass bei Auftreten eines Brückenkurzschlusses der Strom in dem Halbbrückenzweig deutlich schneller ansteigt, als es im normalen Betrieb des Wechselrichters möglich ist.
Um einen höheren Sicherheitsintegritätslevel zu erreichen, können die erfindungsgemäß angeordneten Stromsensoren aber auch zusätzlich zu herkömmlichen Stromsensoren in den Verbindungsleitungen zwischen dem Wechselrichter und den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine vorgesehen werden und als Redundanz für diese dienen.
Die eingesetzten Stromsensoren können z.B. als Stromdurchflusswandler oder auch als Messwiderstand ausgebildet sein. Die Stromsensoren können auch direkt im Halbleiter der Schaltelemente implementiert sein. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Figur, welche ein schematisches Blockschaltbild einer an eine elektrische Maschine angeschlossenen erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung zeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 , welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz- Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der Pulswechselrichter 2 umfasst Schaltelemente 3a-3f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential T+ oder ein niedriges Versorgungsspannungs- potential T- schalten. Die mit dem hohen Versorgungsspannungspotential T+ verbundenen Schaltelemente 3a-3c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential T- verbundenen Schalter 3d-3f als„Low-Side-Schalter" bezeichnet und können beispielsweise als
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 4a-4f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 3a-3f angeordnet sind. Die Schaltelemente 3a und 3d, 3b und 3e sowie 3c und 3f bilden dabei jeweils eine Halbbrücke 10a, 10b bzw. 10f, welche jeweils einer der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind.
Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem nicht dargestellten Steuergerät, welches auch in den Wechselrichter 2 integriert sein kann, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrie- ben werden.
Der Pulswechselrichter 2 kann außerdem einen nicht dargestellten sogenannten Zwischenkreis-Kondensator umfassen, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Spannung eines Energiespeichers, also beispielsweise einer Batterie- Spannung dient. Parallel zum Zwischenkreis-Kondensator kann dann beispiels- weise das Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Energiespeicher in Form einer Batterie geschaltet sein.
Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Dem entsprechend kann der Wechselrichter 2 auch weniger oder mehr als drei Halbbrückenzweige 10 umfassen.
In jedem Halbbrückenzweig 10a, 10b, 10c ist an dem, dem positiven Versor- gungsspannungspotential T+ abgewandeten Ausgang des High-Side-Schalters 3a bzw. 3b bzw. 3c, also am Emitter-Ausgang, ein Stromsensor 1 1a bzw. 11 b bzw. 1 1c, z.B. in Form eines Stromdurchflusswandlers oder eines Messwiderstandes oder auch im Halbleiter des Schalters implementiert, vorgesehen, welcher den Strom oder zumindest eine den Strom charakterisierende Größe an dieser Stelle ermittelt. Die ermittelten Stromwerte werden dann einerseits zur Regelung der Ströme in der elektrischen Maschine 1 genutzt werden. Andererseits werden die ermittelten Ströme oder die sie charakterisierenden Größen aber auch einer Auswerteeinheit 12 zugeführt, welche in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist, zugeführt. Die Auswerteinheit 12 ermittelt dann auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe eine Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt), das heißt eine Veränderung der Stromstärke über der Zeit, für die einzelnen Halbbrückenzweige 10a, 10b, 10c und detektiert einen Brü- ckenkurzschluss in dem entsprechenden Halbbrückenzweige 10a, 10b, 10c, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung der Stromsensoren 11 a, 11 b und 1 1 c an den dem positiven Versorgungsspannungspotential T+ abgewandeten Ausgängen der High-Side-Schalter 3a bzw. 3b bzw. 3c ist dabei lediglich als beispielhaft anzusehen. Die Stromsensoren 11 a, 1 1 b und 1 1c können auch an beliebigen anderen Stellen innerhalb der Halbbrückenzweige 10a bzw. 10b bzw. 10c angeordnet sein. Auch ist es denkbar in den Halbbrückenzweigen mehr als einen Stromsensor vorzusehen, um auf diese Weise eine zusätzliche Redundanz zu schaffen. In Verbindungsleitungen 12-U, 12-V und 12W zwischen den Halbbrückenzweigen 10a bzw. 10b bzw. 10c und den Phasen U bzw. V bzw. W der elektrischen Maschine können optional auch zusätzliche nicht dargestellte Stromsensoren vorgesehen sein, um auf diese Weise einen höheren Sicherheitsintegritätslevel zu erreichen.
Selbstverständlich kann zusätzlich zum erfindungsgemäßen Detektionsverfahren auch die Kollektor-Emitter-Spannung an den Schaltelementen 3a-3f überwacht werden.
Wrd ein Brückenkurzschluss detektiert, können geeignete, an sich bekannte Maßnahmen ergriffen werden, um die einzelnen Schaltungselemente vor einer dauerhaften Beschädigung zu schützen.

Claims

Ansprüche
Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter (2), insbesondere einem Pulswechselrichter, welcher mindestens einen Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) umfasst, der eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen (3a, 3d; 3b, 3e; 3c, 3f) umfasst, wobei ein erstes Schaltelement (3a; 3b; 3c) mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) und ein zweites Schaltelement (3d; 3e; 3f) mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T-) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) mindestens einen Stromsensor (11 a; 11 b; 1 1c) aufweist, welcher einen Strom in dem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt.
Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stromssensor (1 1a; 1 1 b; 11 c) als Stromdurchflusswandler oder als Messwiderstand ausgebildet ist oder in einen Halbleiter eines Schaltelementes (3a, 3d; 3b, 3e; 3c, 3f) integriert ist.
Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (12), welche auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe eine Stromänderungsgeschwindigkeit ermittelt und einen Brückenkurzschluss detektiert, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) über jeweils eine Verbindungsleitung (12-U; 12-V; 12-W) mit einer Phase (U; V; W) einer elektrischen Maschine (1) verbunden ist und in jeder Verbindungsleitung (12-U; 12-V; 12-W) ein zusätzlicher Stromsensor (13-U; 13-V; 13-W) vorgesehen ist.
Verfahren zum Detektieren eines Brückenkurschlusses in einem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) eines Wechselrichters (2), wobei der Halbbrü- ckenzweig (10a; 10b; 10c) eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen (3a, 3d; 3b, 3e; 3c, 3f) umfasst, von denen ein erstes Schaltelement (3a; 3b; 3c) mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) und ein zweites Schaltelement (3d; 3e; 3f) mit einem niedrigen Versorgungsspannungspoten- tial (T-) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) ein Strom oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt wird,
- auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe eine Stromänderungsgeschwindigkeit ermittelt wird und
- ein Brückenkurzschluss in dem Halbbrückenzweig (10a; 10b; 10c) detektiert wird, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
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