WO2016046021A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von betriebsparametern von schaltelementen eines umrichters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von betriebsparametern von schaltelementen eines umrichters Download PDF

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WO2016046021A1
WO2016046021A1 PCT/EP2015/071067 EP2015071067W WO2016046021A1 WO 2016046021 A1 WO2016046021 A1 WO 2016046021A1 EP 2015071067 W EP2015071067 W EP 2015071067W WO 2016046021 A1 WO2016046021 A1 WO 2016046021A1
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switching elements
switching
collector
current
emitter
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PCT/EP2015/071067
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Marek Galek
Martin Honsberg-Riedl
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining operating parameters of switching elements of an inverter, in particular a three-phase bridge, for driving a load.
  • Switching modules of power electronics in converters or converter systems are usually designed according to theoretical models.
  • a long-time load profile is inserted taken as a basis, with maximum current loads on the individual Wegmo ⁇ modules are set according to the course of loading.
  • the detection of an over-dimensioning or Unterdi- dimensioning of the switching elements is not fixed ⁇ adjustable during operation since it would be necessary for that purpose, to ken ⁇ nen the temperatures of the switching modules and their respective current profiles.
  • a measurement of these two operating parameters during operation is not made.
  • a method as a device for determining operating parameters of Designate switching elements of an inverter, in particular a rotary ⁇ current bridge, for driving a load which are structurally and / or functionally improved so that an aging analysis and a life expectancy of the individual components of the inverter are possible.
  • the converter comprises a number of switching elements, which are connected in at least two, in particular parallel, branches. Furthermore, the converter comprises a Umrich ⁇ ter devisung for controlling the number of switching elements according to a predetermined switching state pattern.
  • the switching state pattern comprises at least two different switching states of the inverter ⁇ , wherein a switching state to a ge ⁇ given time comprises a first part number of conductive peeled ⁇ th switching elements and a second partial number of blocking connected switching elements.
  • the inverter comprises a number of voltage measuring means, wherein each of the switching elements is associated with a voltage measuring means which is adapted to measure or determine a voltage applied between its collector and emitter collector-emitter voltage during operation of the associated Wegele ⁇ ment.
  • a conductively-connected switching element is to be understood under the term "during operation of the supplied arrange ⁇ th switching element" in the method is determined once for each of the switching elements is a temperature-dependent 96ornapss- / emitter current characteristic curves, and in an as step a).
  • the central processing unit of the inverter Voltage / emitter current characteristic family is characterized before the initial commissioning of the converter for each of the Heidelbergele ⁇ elements, for example by experiments.
  • the collector-emitter voltages are determined during operation for a first switching state for the just-switched switching elements and from known by measurement and / or calculation operating parameters of each of the switching elements for each of the conductive switching ⁇ elements as operating parameters one by the respective
  • Step b) is repeated iteratively for at least one second switching state until all switching patterns have been reached again until the second switching pattern has been reached, and thus all the switching elements have been turned on at least once.
  • the inventive method allows of a few be ⁇ known operating parameters of individual switching elements that are either known by measurement and / or by calculation, in the operation of the inverter in each case all the Be ⁇ powered by the individual switching elements flowing switching ⁇ element currents and switching element temperatures determine which are required for a metrologically based aging analysis of the entire inverter. From a larger number over a longer period measured and calculated switching element currents and switching element temperatures so a relevant life expectancy for each switching element can be generated. This makes it possible to suspend the inverter and its switching elements higher operating loads and to use almost the full switching element life.
  • from the temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic family with known collector-emitter voltage and known temperature of a respective switching element is closed to the current flowing through it.
  • from the temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic curve at known collector-emitter voltage and known Current of a respective switching element are closed at the temperature thereof.
  • Switching element flowing current and the operating temperature be ⁇ known, it can be determined from the temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic set of the third, missing operating parameters. Characterized in that each of the switching elements is assigned a voltage measuring means, in each case, the collector-emitter voltage of each of the switching elements of the inverter is known.
  • Switching elements are processed.
  • an internal temperature sensor can be provided, for example, in one of the switching elements. Regardless of the total number of switching elements of the converter, it is sufficient to provide only one of the switching elements with the temperature sensor. This allows the inverter to be provided at a low cost.
  • At least one current flowing in a branch of the converter or in a branch of the load can be measured and processed.
  • the number of required for this current sensors is measured by the number of branches of the inverter. In the case of a three-phase Richter are two branches with a current sensor to ver ⁇ see in order to detect corresponding currents can.
  • the relative ratio of the current split in at least two branches of the converter can be processed while assuming the same temperatures of the switching elements. Even if in this case no single temperature value is known to a specific extent, the temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic family can be closed by corresponding allocation to the currents to be determined by the respective switching elements.
  • an apparatus for determining operating parameters of the switching elements of an inverter, in particular a rotary ⁇ current bridge, for driving a load proposed.
  • the device comprises a number of switching elements, which are connected in at least two branches.
  • the apparatus for ⁇ further summarizes an inverter controller for controlling the number of shifting elements according to a predetermined switching state pattern, the switching state pattern detected at least two different switching states of the inverter and a switching state at a given time a first partial number of turned-on switching elements and a second sub-number comprises switched on switching elements.
  • the device further comprises a number of voltage measuring means, wherein each of the switching elements is associated with a voltage measuring means which is adapted to measure or determine a voltage applied between the ⁇ sen collector and emitter collector-emitter voltage during operation of the associated switching element.
  • a central processing unit of the device has a memory in that a temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic family is stored for each of the switching elements.
  • the central processing unit is designed to be in operation for each switching state for the just turned on Switching elements (ie in the case of passage) to determine the collector-emitter voltage and determined by measuring and / or calculation of the operating parameters of each of the switching elements for each of the conductive switching elements as operating parameters a current flowing through the respective switching element current and / or temperature ,
  • the device according to the invention has the same advantages as described above in connection with the method according to the invention.
  • One of the switching elements may comprise according to an expedient Substituted ⁇ staltung an internal temperature sensor. It is sufficient if, regardless of the number of switching elements of the inverter, having only a single of the formwork elements Tele ⁇ the internal temperature sensor. Switching elements with internal temperature sensor are known from the prior art.
  • a switching element comprises at least one of the branches an internal current ⁇ measuring means. A current measurement can be performed on or with the aid of the parasitic lead inductance of the relevant switching element, for example, by using the voltage integral is determined during a power pulse rise, which is directly propor tional to ⁇ pulse current. Although only steep Stromschalt ⁇ flanks can be measured correctly, this is easily possible in a converter with fast switching switching elements.
  • one of the branches of the converter comprises an external current measuring means.
  • the external current measuring means may be arranged on the phases to the load.
  • the number of external current measuring devices is based on the number of phases. It is sufficient if only a part number of phases is provided with an external current measuring means.
  • the switching elements are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFETs (Junction Field Effect Transistor) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • the latter can be designed as semiconductor switching elements or as silicon carbide or gallium nitride switching elements.
  • IGBTs have the advantage that they typically already have a protective circuit, which makes it possible to determine the collector-emitter voltage in the passage ⁇ case. This voltage is typically used, an undesirable one
  • an IGBT has a measuring circuit which is connected to collector and auxiliary emitter connections. Anstel ⁇ le to use the appended hereto potential for short circuit detection, they are supplied to the respective, associated voltage measuring means to measure the collector-emitter voltage.
  • the central processing unit in a digital driver is one of
  • Implemented switching elements which can communicate with respective digital drivers of the other switching elements contactless or wired data.
  • the central processing unit may also be arranged outside the converter and is connected for this purpose for data exchange in a suitable manner with the drivers of the switching elements.
  • the converter in particular represents a three-phase converter with two branches. Optionally, this can be designed as a 2-level or 3-level three-phase converter.
  • the invention is based on the consideration of determining the collector-emitter voltages in the on-state of all switching elements during operation of the converter. If IGBTs are used as switching elements, existing current source circuits for short-circuiting can be used today as the respective measuring circuits. Final recognition can be used.
  • a switching element may also comprise a plurality of parallel connected individual switches in modular design.
  • the invention is particularly easy to implement, especially when using digital drivers for the switching elements.
  • the digital driver can be provided with a digital controller for realizing voltage measurement, processing and storage.
  • a digital driver allows data to be exchanged with other inverter digital drivers to determine all operating parameters of a particular switching element based on the collected operating parameters.
  • it allows the com- driver munication with each other or to determine the operating Para ⁇ meters to matching switching times which enable an informed aging analysis of individual switch elements and thus a current life ⁇ permanent forecast of the entire inverter central processing unit.
  • Fig. 1 shows an inventive device according to a ⁇ ers th embodiment variant in which the Radiopa ⁇ parameters can be determined according to a first alternative
  • Figure 2 shows a device according to the invention in accordance with a ers ⁇ th embodiment variant in which the Radiopa ⁇ parameters can be determined in accordance with a second alternative.
  • Figure 3 shows a device according to the invention in accordance with a ers ⁇ th embodiment variant in which the Radiopa ⁇ parameters can be determined in accordance with a third alternative.
  • Fig. 4 shows a device according to the invention in accordance with a ers ⁇ th embodiment variant in which the Radiopa ⁇ parameters can be determined according to a fourth alternative;
  • Fig. 5 shows a variant according to the invention according to a second
  • Figure 6 shows a second variant of the invention according to a second embodiment variant in which the loading ⁇ operating parameters.
  • Fig. 7 shows a third variant of the invention according to a second embodiment variant in which the loading ⁇ operating parameters can be determined according to the third variant
  • Fig. 8 shows a fourth variant of the invention according to a second embodiment variant in which the loading ⁇ operating parameters.
  • FIGS. 1 through 4 show a first Ausmonys ⁇ variant, by way of example as a three-phase bridge (so-called. 2-le-vel-inverter) formed.
  • the inverter in the other Fi is realized in the form of a Dreiticianumrichters (3-level ⁇ To judge) guren.
  • Other circuit topologies are possible.
  • the three-phase converter 10 of FIGS. 1 to 4 comprises six switching elements Si, S6 in a manner known to those skilled in the art.
  • the switching elements Si, S6 are designed as IGBTs (Insolated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the three-phase bridge 10 comprises three parallel to supply ⁇ potential terminals 13, 14 connected branches 15, 16, 17.
  • the switching elements Si and S2 se ⁇ Riell interconnected between theéesspotentialanschlüs ⁇ sen 13, 14 are.
  • the switching elements S 3 and S 4 are serially connected between thepressedspo ⁇ tentialanêtn 13, 14th
  • the switching elements S5 and S6 are connected between the versor ⁇ supply potential terminals.
  • a positive voltage potential is present at the supply potential connection 13
  • a negative voltage potential is present at the supply potential connection 14.
  • a DC voltage U D c which is provided for example by an energy storage or a power supply network with appropriate rectifier.
  • the nodes between the switching elements Si, S2 or S 3 , S 4 or S5, S6 are each provided with a three-phase load 20, For example, a prime mover connected.
  • the load 20 has three phases R, S and T.
  • the phase R is connected to the node ⁇ point of the switching elements Si and S2 of the first branch 15 ⁇ .
  • the phase S is connected to the junction of the switching elements S3 and S4 of the second branch 16.
  • the third phase T is connected to the node of the switching elements S5 and S6 of the third branch 17.
  • the load 20 has in each phase R, S, T in the equivalent circuit diagram an inductance L R , L S , L t and a resistor R R , R s and R T on or is characterized by this electrically.
  • the three phases R, S, T of the load 20 are connected to each other at a star point 24 of the load 20 elek ⁇ .
  • the switching elements Si, S6 are, as already described, IGBTs.
  • a respective collector connection is designated only by reference numeral C in FIG. 1 and a respective emitter connection by the reference symbol E.
  • a control connection (Ba ⁇ sis) is designated by the reference symbol B.
  • the collector terminals C of the switching elements Si, S3 and S5 are connected to the supply potential terminal 13.
  • the supply potential terminal 14 is connected to the emitter terminals E of the switching elements S 2 , S4 and S6.
  • respective parasitic inductances Li, L6 of the switching elements Si, S6 are shown.
  • parasitic diodes Di, De which are connected in parallel to the load path between the respective collector C and emitter E, shown.
  • each of the switching elements Si, S6 has, as is typical for IGBTs, an auxiliary collector terminal C AUX and an auxiliary emitter terminal E AUX .
  • ⁇ U CE 6 is determined by means of a respective voltage measuring means.
  • tension ⁇ voltage measuring equipment measuring circuit
  • tension ⁇ voltage measuring equipment measuring circuit
  • a on the driver of an IGBT today existing power source circuit for short circuit detection can be used.
  • the voltage measuring means 12 which are shown for the sake of clarity ⁇ only for the switching elements Si and S2, can be largely realized in digital form on the power ⁇ driver of the associated switching element Si, S6.
  • the central processing unit 30 can, as shown in FIGS. 1 to 4, be an independent of the voltage measuring means 12 arithmetic unit. It can also be realized on one of the drivers of the switching elements Si, S6. It is understood that for the exchange of data between the central processing unit 30 and the switching elements Si, S6 associated voltage measuring means 12 corresponding communication paths have to be pre see ⁇ . These can be with contact or contactless ⁇ los realized.
  • This has corresponding control outputs B (Si), B (Se) to turn the respective control terminals B of the switching elements Si, S6 according to conductive or blocking ,
  • the outputs of the converter control 11 are shown in the drawing not connected to the corresponding control terminals B of the switching elements Si, S6.
  • ⁇ is knowledge of the collector-emitter voltage UCE I / ⁇ ⁇ , U C E 6 in the conducting case (ie the particular scarf Tele ⁇ element is conductively connected) required , As described, the detection is performed by the voltage measuring means 12. Further, a temperature-dependent collector voltage
  • Emitter current characteristic family U C E / I CE (T) -Kennlinienschar for each switching transistor for example, by appropriate characterization during commissioning known, and preferably stored in the central processing unit 30.
  • the determination of the operating parameters takes place in the following exemplary embodiments in each case with the aid of additionally known, locally available partial information about operating parameters.
  • one of the switching elements Si, S6 is provided with an (internal) Tem ⁇ perature sensor.
  • the switching element S6 should have the temperature sensor, not shown. This makes it possible for the
  • Switching element S6 in the operation of the inverter whose temperature Te to measure. From the circuit topology of the inverter 10 and the load 20 is also known that the respective ge current through the three-phase bridge is performed only by three switching elements simultaneously and that it is divided into a ⁇ voted, fixed ratio. This is considered a
  • Switching state of the predetermined switching state pattern of the inverter 10 designated.
  • the switching states, their times and the current distribution are stored in the arithmetic unit.
  • the switching element ⁇ Si as well as the switching elements S4 and S6 are conductive maral ⁇ tet at a given time.
  • the current is divided in the ratio I (Si) iI (S 4 ) iI (S6) - 1: 0.5: 0.5.
  • the current distribution results from the fact that in the node 24 of the load 20 coming from the branch R stream Ii must be divided in a predetermined ratio to the other two branches S and T and thus by the switching ⁇ elements S 4 and S6.
  • the associated collector-emitter voltages at the current-carrying switching elements can be measured.
  • Switching state for example, the switching elements S 3 and S 2 and S6 turn on.
  • the current component I (S3): I (S2): I (S) 1: 0.5: 0.5 and the temperature T 6 of the switching element S6 are known.
  • the missing operating parameters I2, I3, T 2 , 3 can be determined for the switching elements S3 and S2.
  • three independent, measured switching states in the three-phase bridge 10 are required, in which the measurements must be made to the current-carrying transistors to all temperatures ⁇ , ..., T e and all currents Ii, I e calculate can.
  • at least two of the branches (phases) R, S, T are provided with an external current sensor 21, 22, 23.
  • the currents I R and I t ex ex t s in the phases R and S are ge ⁇ measure.
  • the external current sensor, identified by reference numeral 23, which is in phase T, is not needed to determine the operating parameters since the use of two external current sensors is sufficient due to the circuit topology and current sharing.
  • the external current sensors may, for example, be realized in the form of Hall sensors and are typically present in an inverter 10 by itself.
  • the currents Ii and I4 of the switching elements Si and S 4 are known.
  • the current I e of the switching element S6 can be determined. Since, in turn, the collector-emitter voltages U CE I, U CE4 and U CE 6 are measured for all the switched switching elements, in this case Si, S 4 and S6, the respective temperature-dependent col lector voltage / emitter current characteristic family can be used Temperatures Ti, T 4 and T e are determined.
  • the associated collector-emitter voltage ⁇ measurements are performed on the current-carrying switching elements and the other respective bridge branch currents and the temperatures of these conductive switching elements are determined. Again, three are independently measured
  • the three-phase bridge 10 is required in which the measurements must be made to the current-carrying switching elements in order to ermit ⁇ all operating parameters of all switching elements Si, S6 can.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 3 corresponds in the preceding to the exemplary embodiment described in FIG. 2, wherein the measurement of the currents is not carried out here at the branches to the load 20, but by means of internal current measuring means.
  • the switching elements S2 and S4 have ent ⁇ appropriate current measuring means 18 and 19 in their load paths.
  • the measurement can be carried out, for example, based on a parasitically generated emitter auxiliary voltage. This means that in each case the integral voltage during a current pulse rise is charged across the parasitic lead inductance L2 and L 4 to the switching elements S2 and S4, which is directly proportional to the pulse current. This makes it possible to correctly measure steep current switching edges.
  • There is a certain disadvantage with current duration values which however is not disadvantageous in the case of fast switching power modules in practice.
  • the internal current measurement can also be done in any other way.
  • Corresponding current measuring means are known to the person skilled in the art.
  • the collector-emitter voltages U CEI , U CE 6 of the switching state for a particular switching state switched switching elements S i, S6 are known.
  • the assumption of the same Chiptem ⁇ temperature (which is not known in absolute terms)
  • the three current-carrying transistors can now be found. From the collector-emitter voltage measurements made for these electrically-conductive switching elements and assuming the same chip temperature, the currents through the switched-on switching elements can be calculated using the temperature-dependent collector voltage / emitter current characteristic and the known current ratio.
  • the associated collector-emitter voltage measurements on the current-carrying switching elements can be carried out and the further currents and temperatures can be calculated.
  • the consideration of three independent switching states in the three-phase bridge is required, in which the collector-emitter voltages are performed on the current-carrying switching elements to determine the temperatures and currents for all switching elements. This procedure can be used well, for example, with current sensorless loads.
  • the three-phase converter 10 of FIGS. 5 to 8 is designed in the form of a 3-level converter and comprises 12 switching elements S i A , S i B , S6 A , S6B in a manner known to the person skilled in the art.
  • the switching elements S i A , S i B , S6 A , S6 B formed as IGBTs.
  • the field-effect-controlled semiconductor switching elements or other types of bipolar transistors could be used as a scarf Tele ⁇ ments.
  • this by a group of, for example, connected in parallel with each other, switches can be realized.
  • the three-phase bridge 10 comprises three connected in parallel to the supply potential ⁇ connections 13, 14, branches 15, 16, 17.
  • the switching elements S i A, S i B, S 2, A and S 2 B connected in series with each other between the supply potential terminals 13, 14.
  • the switching elements S 3 A , S 3 B , S 4A and S 4B are connected in series between the supply potential terminals 13, 14.
  • the switching elements S 5A , S 5B , S 6 A and S 6 B are connected between the supply potential terminals 13, 14.
  • At the supply potential terminal 13 is a posi ⁇ tives voltage potential, at the supply potential terminal 14 to a negative voltage potential.
  • a node of the capacitors 31, 32 is connected to a third supply potential terminal 33 (0).
  • the third supply potential connection 33 is referred to as "neutral" (N EUTRAL ) .
  • a supply voltage U D c + / between the supply potential connections 33, 14 is a voltage U D c- between the supply potential connections 13, 33.
  • the nodes between the switching elements S i B , S 2 A and S 3 B , S 4A and S 5B , S 6 A are each with the three-phase load
  • the load 20 again has three phases R, S and T.
  • the phase R is connected to the node of the switching elements S i B and S 2 A of the first branch 15.
  • the phase S is integrally Schlos ⁇ sen to the node of the switching elements S 3, and S 4A B of the second branch sixteenth
  • the third phase T is connected 6 A of the third branch 17 to the junction of the formwork elements Tele ⁇ S 5B and S.
  • the load 20 in each equivalent phase R, S, T in the equivalent circuit diagram has an inductance L R , L S , L t and a resistance R R , R s and R T or is characterized by these electrically.
  • the three phases R, S, T of the load 20 are elec trically ⁇ joined together at the neutral point 24 of the load 20th
  • the nodes between the switching elements S i A , S i B or S 3A, S 3B and S 5A , S 5B are connected via respective diodes 41, 43, 45 to the supply potential terminal 33.
  • the nodes between the switching ⁇ elements S 2A, S 2B and S 4A, S 4 B or S6 A, S 6B through respective Di ⁇ diodes 42, 44, 46 also coupled to the supply potential terminal 33rd
  • a respective anode connection of the diodes 41, 43, 45 and a respective cathode terminal of the diodes 42, 44, 46 is connected to the supply potential terminal 33.
  • the switching elements S i A , S i B , S6 A , S6 B are IGBTs.
  • a respective collector terminal is for the sake of simplicity only for the switching element S i B in Fig. 5 with the reference ⁇ character C and a respective emitter terminal with the reference ⁇ character E marked.
  • a control connection (base) is marked with the reference symbol B.
  • the collector terminals C of the switching elements S i A , S J - A and S s A are connected to theagedspo ⁇ potential terminal 13.
  • the supply potential terminal 14 is connected to the emitter terminals E of the switching elements S 2B, S 4B and S6 B.
  • the central unit 30 to which the collector-emitter voltages U C EIA, U C EIB, U C E6A, U C E6B determined by the voltage measuring means (not shown) are supplied for evaluation.
  • the central arithmetic unit 30 can in turn, as already described in connection with FIGS. 1 to 4, be an arithmetic unit independent of the voltage measuring means 12. It can also be realized on one of the drivers over the switching elements Si A , Si B , S6 A , S6 B.
  • corresponding communication paths are provided for the exchange of data between the arithmetic unit 30 and the voltage measuring means corresponding communication paths are provided. These can be contact-based or contactless.
  • the control of the switching elements Si A , Si B , S6 A , S6 B he ⁇ follows according to a predetermined switching state pattern by means of the inverter control 11. This has corresponding control outputs B (S i A ), B (S i B ), ⁇ ⁇ , B (S6 A), B (S6 B) to turn the respective control terminals B of the switching elements Si A , Si B , S6 A , S6 B respectively conducting or blocking.
  • the outputs of the converter controller 11 in the drawing are not connected to the corresponding control terminals B of the switching elements Si A , SI E , SeR, S6 B.
  • Load 20 is known in principle to the person skilled in the art, so that no further details are given in the present description.
  • the different embodiments for the determination of measured values of the current transistor currents and the prevailing at the time of the switching operation switching elements temperatures T described below iA, Ti B, T 6A, T 6B allow another aging analysis to create based upon a current life prognosis.
  • the exact Knowing the operating parameters also makes it possible to optimally maximize the performance of the switching elements without risking the risk of damage or failure of the inverter.
  • the determination of the corresponding information can be carried out analogously in accordance with the method described in connection with FIGS. 1 to 4. That is, for the determination of the respective operating parameters, the knowledge of the collector-emitter voltages in the on-state (i.e.
  • the operating parameters are determined in each case with the aid of additionally known, locally available partial information about operating parameters.
  • S IB, S 6A, S 6B is provided with an (internal) temperature sensor.
  • the Wegele ⁇ ment S 6B, the temperature sensor, not shown, have on ⁇ . This makes it possible to measure the temperature ⁇ ⁇ for the switching element S 6B during operation of the converter.
  • the lower part of the branch 17, which includes the switching elements S 6A and 6B S carry the same current. This means that the current Ie Nr flowing to the supply potential terminal 33 is 0.
  • the current Ie B can first be measured from the measured collector-emitter voltage U C E 6B and the measured temperature via the known collector voltage-emitter current characteristic family of the switching element S 6B. the. In the switching situation mentioned, this current corresponds to the current of the switching element S 6A, from which the temperature Te R of the switching element S 6A can be calculated by using the known collector-voltage-emitter current characteristic family.
  • At least two of the branches ( phases ) R, S, T are provided with an external current sensor 21, 22, 23. According to the procedure described in connection with FIG. 2, one becomes one with 3-level inverters
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 7 corresponds in the foregoing to the exemplary embodiment described in FIG. 6.
  • Basic ⁇ additionally corresponds to the procedure thus described in United ⁇ connection with FIG. 3, determination of the parameters of the switching elements.
  • the current from one switching element eg S2 B
  • S2 A ent ⁇ speaks.
  • the temperatures T2 A and T2 B of the switching elements of S2 A and S2 B can then be determined.
  • the further current and temperature calculation of all switching elements then takes place successively in the manner described in connection with FIG. 3.
  • the temperature of the respective switching elements S i A , S 3A , S 5A or S2B, S4B, S6 B coupled to the supply potential terminals 13 and 14 can also be determined, while the temperature T IA , T IB , T 6A , T 6B connected to the phases R, S and T switching elements S i B , S3 B , S 5B and S2A, S 4A , S6 A can be determined in each Heidelbergzu ⁇ state.
  • the invention can be implemented, for example, with a locally agie ⁇ - generating digital driver, which includes both knowledge of the switching states and the driver function and makes during operation via the driver voltage and current measurements on the respective switching element, the direct, fast communication option is used to Steu ⁇ tion to hold the correct measuring times ⁇ hold. This opens up the possibility of obtaining relevant load data during real converter operation.
  • the procedure allows to calculate Tempe ⁇ temperatures of a few individual operating Para ⁇ meters (current or temperature of one or more switching elements) each for all switching elements, the currents and the esterification analysis for the metrological based Al of the entire power switching module are erforder ⁇ Lich.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente (S1,.., S6) eines Umrichters (10), insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last (20). Der Umrichter (10) umfasst eine Anzahl an Schaltelementen (S1,.., S6), die in zumindest zwei Zweigen verschaltet sind sowie eine Umrichtersteuerung (11) zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen (S1,.., S6) gemäß einem vorgegebenen Schalt zustandsmuster, wobei das Schalt zustandsmuster zumindest zwei unterschiedliche Schaltzustände des Umrichters (10) umfasst und wobei ein Schaltzustand zu einem gegebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend geschalteten Schaltelementen (S1,.., S6) und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen (S1,.., S6) umfasst, und eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der Schaltelemente (S1,.., S6) ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zugeordneten Schaltelements (S1,.., S6) eine zwischen dessen Kollektor (C) und Emitter (E) anliegende Kollektor-Emitter-Spannung (UCE1,.., UCE6) zu messen oder ermitteln. Bei dem Verfahren wird aus einer bekannten temperaturabhängigen Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinienschar der Schaltelemente und einzelnen durch Messung bekannten Betriebsparametern mancher Schaltelemente im Betrieb iterativ für mehrere Schalt zustände für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente (S1,.., S6) die Kollektor-Emitter-Spannung (UCE1,.., UCE6) ermittelt und, basierend auf der Kennlinienschar, für jedes der leitend geschalteten Schaltelemente als Betriebsparameter ein durch das jeweilige Schaltelement (S1,.., S6) fließender Strom und die Temperatur ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern von Schaltelementen eines Umrichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern von Schaltelementen eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last.
Schaltmodule einer Leistungselektronik in Umrichtern oder Umrichtersystemen, insbesondere für die Nutzung in Antriebssystemen, werden meist nach theoretischen Modellen ausgelegt. Dabei wird ein langjähriger Belastungsverlauf zugrunde ge- legt, wobei maximale Strombelastungen der einzelnen Schaltmo¬ dule entsprechend dem Belastungsverlauf festgelegt werden. Die Erkennung einer Überdimensionierung oder einer Unterdi- mensionierung der Schaltelemente ist im Betrieb nicht fest¬ stellbar, da es hierzu erforderlich wäre, die Temperaturen der Schaltmodule sowie deren jeweilige Stromprofile zu ken¬ nen. Eine Messung dieser beiden Betriebsparameter während des Betriebs wird jedoch nicht vorgenommen. Weicht nun das tat¬ sächliche Belastungsprofil von dem für die Auslegung herange¬ zogenen Belastungsprofil ab, so besteht keine Möglichkeit, die aktuelle, tatsächliche Belastung der Schaltmodule direkt zu ermitteln. Unter ungünstigen Umständen können dabei jedoch Probleme hinsichtlich der Alterung einzelner Schaltmodule und damit der Lebensdauer dieser Schaltmodule und des Umrichters im Gesamten auftreten.
Es wäre wünschenswert, die tatsächliche Belastung der einzel¬ nen Schaltmodule eines Umrichters während des Betriebs zur Erkennung von Einzelmodulüberlastungen zu kennen, um die Möglichkeit einer Alterungsanalyse und einer Lebensdauerprognose vornehmen zu können. ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren so- eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Dreh¬ strombrücke, zum Ansteuern einer Last anzugeben, welche baulich und/oder funktionell derart verbessert sind, dass eine Alterungsanalyse sowie eine Lebensdauerprognose der einzelnen Komponenten des Umrichters ermöglicht werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestal- tungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last vorgeschlagen. Zur Durchführung des Verfahrens umfasst der Umrichter eine Anzahl an Schaltelementen, die in zumindest zwei, insbesondere parallelen, Zweigen verschaltet sind. Weiter umfasst der Umrichter eine Umrich¬ tersteuerung zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen gemäß einem vorgegebenen Schaltzustandsmuster . Das Schaltzu- standsmuster umfasst zumindest zwei unterschiedliche Schalt¬ zustände des Umrichters, wobei ein Schaltzustand zu einem ge¬ gebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend geschalte¬ ten Schaltelementen und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen umfasst. Ferner umfasst der Umrichter eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zugeordneten Schaltele¬ ments eine zwischen dessen Kollektor und Emitter anliegende Kollektor-Emitterspannung zu messen oder ermitteln. Es versteht sich, dass unter dem Begriff „im Betrieb des zugeordne¬ ten Schaltelements" ein leitend geschaltetes Schaltelement zu verstehen ist. Bei dem Verfahren wird als Schritt a) einmalig für jedes der Schaltelemente eine temperaturabhängige Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinienschar ermittelt und in einer zentralen Recheneinheit des Umrichters gespeichert. Die Kollektor- spannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar wird vor der erstma- lingen Inbetriebnahme des Umrichters für jedes der Schaltele¬ mente, beispielsweise durch Versuche, charakterisiert. In einem Schritt b) werden im Betrieb für einen ersten Schaltzu- stand für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente die Kollektor-Emitter-Spannungen ermittelt und aus durch Messung und/oder Berechnung bekannten Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente für jedes der leitend geschalteten Schalt¬ elemente als Betriebsparameter ein durch das jeweilige
Schaltelement fließender Strom und/oder die Temperatur ermittelt. Schritt b) wird iterativ für zumindest einen zweiten Schaltzustand wiederholt, bis sämtliche Schaltmuster bis zum Erreichen des zweiten Schaltmusters wieder erreicht sind, und damit alle Schaltelemente zumindest einmal leitend geschaltet waren.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, aus wenigen be¬ kannten Betriebsparametern einzelner Schaltelemente, welche entweder durch eine Messung und/oder durch eine Berechnung bekannt sind, im Betrieb des Umrichters jeweils alle im Be¬ trieb durch die einzelnen Schaltelemente fließenden Schalt¬ elementströme und Schaltelementtemperaturen zu ermitteln, die für eine messtechnisch basierte Alterungsanalyse des gesamten Umrichters erforderlich sind. Aus einer größeren Anzahl über einen längeren Zeitraum gemessenen und errechneten Schaltelementströmen und Schaltelementtemperaturen kann so eine relevante Lebensdauerprognose für jedes einzelne Schaltelement erzeugt werden. Dies ermöglicht es, den Umrichter und dessen Schaltelemente höheren Betriebsbelastungen auszusetzen sowie nahezu die volle Schaltelementlebensdauer zu nutzen.
Gemäß einer Ausgestaltung wird aus der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar bei bekannter Kollektor-Emitter-Spannung und bekannter Temperatur eines jeweiligen Schaltelements auf den durch ihn fließenden Strom geschlossen. Alternativ oder zusätzlich kann aus der temperaturabhängigen Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinien- schar bei bekannter Kollektor-Emitter-Spannung und bekanntem Strom eines jeweiligen Schaltelements auf dessen Temperatur geschlossen werden.
Sind somit zwei der drei ein Schaltelement charakterisieren- den Größen (die Kollektor-Emitter-Spannung, der durch das
Schaltelement fließende Strom und die Betriebstemperatur) be¬ kannt, so kann aus der temperaturabhängigen Kollektorspan- nungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar der dritte, fehlende Betriebsparameter ermittelt werden. Dadurch, dass jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, ist in jedem Fall die Kollektor-Emitter-Spannung eines jeden der Schaltelemente des Umrichters bekannt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann aus der Schaltungstopo- logie des Umrichters und der Last eine Stromaufteilung in den Zweigen zu einem jeweils betrachteten Zeitpunkt ermittelt werden. Die Stromaufteilung in den Zweigen der Schaltungsto- pologie ermöglicht es, bei Kenntnis lediglich eines einzigen Stromes auf Ströme in einem oder mehreren anderen Zweigen zu schließen. Dadurch können durch sukzessives Messen und Kenntnis der Schaltzustände die fehlenden Betriebsparameter eines jeden Schaltelements ermittelt werden.
In einer ersten Variante kann als bekannter Betriebsparameter ein durch Messung ermittelter Temperaturwert eines der
Schaltelemente verarbeitet werden. Hierzu kann beispielsweise bei einem der Schaltelemente ein interner Temperatursensor vorgesehen werden. Unabhängig von der gesamten Anzahl der Schaltelemente des Umrichters ist es dabei ausreichend, le- diglich eines der Schaltelemente mit dem Temperatursensor zu versehen. Dadurch kann der Umrichter mit geringen Kosten bereitgestellt werden.
Alternativ kann als bekannter Betriebsparameter zumindest ein in einem Zweig des Umrichters oder in einem Zweig der Last fließender Strom gemessen und verarbeitet werden. Die Anzahl der hierzu notwendigen Stromsensoren bemisst sich nach der Anzahl der Zweige des Umrichters. Im Falle eines Drehstromum- richters sind zwei Stromzweige mit einem Stromsensor zu ver¬ sehen, um entsprechende Ströme erfassen zu können.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann als be- kannter Betriebsparameter das relative Verhältnis der Stromaufteilung in zumindest zwei Zweigen des Umrichters bei gleichzeitiger Annahme von gleichen Temperaturen der Schaltelemente verarbeitet werden. Auch wenn hierbei kein einziger Temperaturwert in konkreter Höhe bekannt ist, kann unter Nut- zung der temperaturabhängigen Kollektorspannungs-/Emitter- strom-Kennlinienschar durch entsprechende Verrechnung auf die zu ermittelnden Ströme durch die jeweiligen Schaltelemente geschlossen werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Umrichters, insbesondere einer Dreh¬ strombrücke, zum Ansteuern einer Last, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Anzahl an Schaltelementen, die in zumindest zwei Zweigen verschaltet sind. Die Vorrichtung um¬ fasst weiter eine Umrichtersteuerung zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen gemäß einem vorgegebenen Schaltzu- standsmuster, wobei das Schaltzustandsmuster zumindest zwei unterschiedliche Schaltzustände des Umrichters erfasst und wobei ein Schaltzustand zu einem gegebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend geschalteten Schaltelementen und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der Schaltelemente ein Spannungsmessmittel zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zugeordneten Schaltelements eine zwischen des¬ sen Kollektor und Emitter anliegende Kollektor-Emitter- Spannung zu messen oder ermitteln. Eine zentrale Recheneinheit der Vorrichtung weist einen Speicher auf, indem für je- des der Schaltelemente eine temperaturabhängige Kollektor- spannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar gespeichert ist. Die zentrale Recheneinheit ist dazu ausgebildet, im Betrieb für jeden Schaltzustand für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente (d.h. im Durchlassfall) die Kollektor-Emitter- Spannung zu ermitteln und aus durch Messung und/oder Berechnung bekannten Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente für jedes der leitend geschalteten der Schaltelemente als Betriebsparameter einen durch das jeweilige Schaltelement fließenden Strom und/oder die Temperatur zu ermitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf, wie diese vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsge- mäßen Verfahren beschrieben wurden.
Eines der Schaltelemente kann gemäß einer zweckmäßigen Ausge¬ staltung einen internen Temperatursensor aufweisen. Es ist ausreichend, wenn, unabhängig von der Anzahl der Schaltele- mente des Umrichters, lediglich ein einziges der Schaltele¬ mente den internen Temperatursensor aufweist. Schaltelemente mit internem Temperatursensor sind aus dem Stand der Technik bekannt . Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst ein Schaltelement zumindest eines der Zweige ein internes Strom¬ messmittel. Eine Strommessung kann beispielsweise an bzw. mit Hilfe der parasitären Zuleitungsinduktivität des betreffenden Schaltelements erfolgen, indem das Spannungsintegral während eines Stromimpulsanstiegs ermittelt wird, das direkt propor¬ tional zum Impulsstrom ist. Obwohl nur steile Stromschalt¬ flanken korrekt gemessen werden können, ist dies bei einem Umrichter mit schnell schaltenden Schaltelementen problemlos möglich .
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst einer der Zweige des Umrichters ein externes Strommessmittel. Bei¬ spielsweise kann das externe Strommessmittel an den Phasen zur Last angeordnet sein. Die Anzahl der externen Strommess- mittel bemisst sich nach der Anzahl der Phasen. Es ist ausreichend, wenn lediglich eine Teilanzahl an Phasen mit einem externen Strommessmittel versehen ist. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Schaltelemente IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFETs (Junction Field Effect Transistor) oder MOSFETs (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) . Letztere können als Halbleiterschaltelemente oder als Silizium-Carbid- oder Gallium-Nitrit-Schaltelemente ausgebildet sein. IGBTs weisen den Vorteil auf, dass diese typischerweise bereits über eine Schutzschaltung verfügen, welche es ermöglicht, im Durchlass¬ fall die Kollektor-Emitter-Spannung zu ermitteln. Diese Span- nung wird typischerweise dazu verwendet, ein unerwünschtes
Verhalten bzw. einen unerwünschten Schaltzustand zu detektie- ren und, wenn ein solcher unerwünschter Fall in Form eines Überlaststroms vorliegt, den IGBT zuverlässig abzuschalten. Hierzu verfügt ein IGBT über einen Messkreis, welcher an Kol- lektor- und Hilfsemitteranschlüsse angeschlossen ist. Anstel¬ le die hier anliegenden Potenziale zur Kurzschlusserkennung zu nutzen, werden diese den jeweiligen, zugeordneten Spannungsmessmitteln zugeführt, um die Kollektor-Emitter-Spannung zu messen.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die zentrale Recheneinheit in einem digitalen Treiber eines der
Schaltelemente verwirklicht, der mit jeweiligen digitalen Treibern der übrigen Schaltelemente kontaktlos oder leitungs- gebunden Daten austauschen kann. Alternativ kann die zentrale Recheneinheit auch außerhalb des Umrichters angeordnet sein und ist zu diesem Zweck zum Datenaustausch in geeigneter Weise mit den Treibern der Schaltelemente verbunden. Der Umrichter stellt insbesondere einen Drehstromumrichter mit zwei Zweigen dar. Wahlweise kann dieser als 2-Level- oder als 3-Level-Drehstromumrichter ausgebildet sein.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, im Betrieb des Um- richters die Kollektor-Emitter-Spannungen im Durchlassfall von allen Schaltelementen zu ermitteln. Werden als Schaltelemente IGBTs verwendet, so können hierzu als jeweilige Mess¬ kreise heute bereits vorhandene Stromquellenkreise zur Kurz- Schlusserkennung genutzt werden. Ein Schaltelement kann auch mehrere parallel geschaltete Einzelschalter in Modulbauweise umfassen . Daneben wird die temperaturabhängige Kollektorspannungs-
/Emitter-Kennlinienschar für jeden Schalttransistor ermittelt und in einer zentralen Recheneinheit gespeichert. Anschlie¬ ßend erfolgt eine Messung einzelner Betriebsparameter in unabhängigen Schaltzuständen des Umrichters. Dabei müssen alle Zweige des Umrichters in den unabhängigen Schaltzuständen wenigstens einmal bestromt werden. Anschließend ist es möglich, durch Verarbeitung sämtlicher, gesammelter Betriebsparameter die fehlenden Betriebsparameter für sämtliche Schaltelemente zu ermitteln.
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei der Verwendung von digitalen Treibern für die Schaltelemente besonders einfach verwirklichen. Der digitale Treiber kann mit einer digitalen Steuerung zur Realisierung der Spannungsmessung, Verarbeitung und Speicherung versehen werden. Insbesondere ermöglicht es ein digitaler Treiber, Daten mit anderen digitalen Treibern des Umrichters auszutauschen, um anhand der gesammelten Betriebsparameter sämtliche Betriebsparameter eines jeweiligen Schaltelements zu bestimmen. Insbesondere erlaubt es die Kom- munikation der Treiber untereinander bzw. der zentralen Recheneinheit, zu passenden SchaltZeitpunkten die Betriebspara¬ meter zu ermitteln, welche eine fundierte Alterungsanalyse einzelner Schaltelemente und damit auch eine aktuelle Lebens¬ dauerprognose des gesamten Umrichters ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs¬ beispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ers¬ ten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebspa¬ rameter gemäß einer ersten Alternative ermittelt werden können; Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ers¬ ten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebspa¬ rameter gemäß einer zweiten Alternative ermittelt werden können;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ers¬ ten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebspa¬ rameter gemäß einer dritten Alternative ermittelt werden können;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ers¬ ten Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebspa¬ rameter gemäß einer vierten Alternative ermittelt werden können;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten
Ausgestaltungsvariante, bei der die Betriebsparame¬ ter gemäß der ersten Variante ermittelt werden kön¬ nen;
Fig. 6 eine zweite erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Be¬ triebsparameter gemäß der zweiten Variante ermittelt werden können;
Fig. 7 eine dritte erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Be¬ triebsparameter gemäß der dritten Variante ermittelt werden können; und
Fig. 8 eine vierte erfindungsgemäße Variante gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante, bei der die Be¬ triebsparameter gemäß der vierten Variante ermittelt werden können.
In den nachfolgenden Figuren werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente eines Um- richters zum Ansteuern einer Last beschrieben. Der Umrichter 10 ist in den Fig. 1 bis 4, die eine erste Ausgestaltungs¬ variante zeigen, beispielhaft als Drehstrombrücke (sog. 2-Le- vel-Umrichter) ausgebildet. Der Umrichter in den übrigen Fi- guren ist in Gestalt eines Dreipunktumrichters (3-Level—Um¬ richter) realisiert. Auch andere Schaltungstopologien sind möglich .
Der Drehstromumrichter 10 der Fig. 1 bis 4 umfasst in einer dem Fachmann bekannten Weise sechs Schaltelemente Si, S6. Beispielhaft sind die Schaltelemente Si, S6 als IGBTs (Insolated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet. Grundsätzlich könnten als Schaltelemente auch Feldeffekt-gesteuerte Halbleiterschaltelemente oder andere Arten von
Bipolartransistoren zum Einsatz kommen. Ebenso kann, wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem Schaltelement die Rede ist, dieses durch eine Gruppe von, z.B. parallel miteinander verschalteten Schaltern, realisiert sein. Die Drehstrombrücke 10 umfasst drei parallel an Versorgungs¬ potentialanschlüsse 13, 14 angeschlossene Zweige 15, 16, 17. In dem ersten Zweig 15 sind die Schaltelemente Si und S2 se¬ riell miteinander zwischen den Versorgungspotentialanschlüs¬ sen 13, 14 verschaltet. In dem zweiten Zweig 16 sind die Schaltelemente S3 und S4 seriell zwischen den Versorgungspo¬ tentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem dritten Zweig 17 sind die Schaltelemente S5 und S6 zwischen den Versor¬ gungspotentialanschlüssen 13 und 14 verschaltet. An dem Ver- sorgungspotentialanschluss 13 liegt dabei ein positives Span- nungspotential , an dem Versorgungspotentialanschluss 14 ein negatives Spannungspotential an. Zwischen den Versorgungspo¬ tentialanschlüssen 13, 14 liegt eine Gleichspannung UDc an, welche beispielsweise von einem Energiespeicher oder einem Energieversorgungsnetz mit entsprechender Gleichrichteranord- nung bereitgestellt wird.
Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen Si, S2 bzw. S3, S4 bzw. S5, S6 sind jeweils mit einer dreiphasigen Last 20, z.B. einer Antriebsmaschine, verbunden. Die Last 20 weist drei Phasen R, S und T auf. Die Phase R ist an den Knoten¬ punkt der Schaltelemente Si und S2 des ersten Zweigs 15 ange¬ schlossen. Die Phase S ist an den Knotenpunkt der Schaltele- mente S3 und S4 des zweiten Zweigs 16 angeschlossen. Die dritte Phase T ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S5 und S6 des dritten Zweigs 17 angeschlossen. Die Last 20 weist in jeder Phase R, S, T im Ersatzschaltbild eine Induktivität LR, LS, Lt und einen Widerstand RR, Rs und RT auf bzw. ist durch diese elektrisch charakterisiert. Die drei Phasen R, S, T der Last 20 sind an einem Sternpunkt 24 der Last 20 elek¬ trisch miteinander verbunden.
Bei den Schaltelementen Si, S6 handelt es sich, wie be- reits beschrieben, um IGBTs. Ein jeweiliger Kollektoran- schluss ist der Einfachheit halber lediglich in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen C und ein jeweiliger Emitteranschluss mit dem Bezugszeichen E gekennzeichnet. Ein Steueranschluss (Ba¬ sis) ist dem Bezugszeichen B gekennzeichnet. Die Kollektoran- Schlüsse C der Schaltelemente Si, S3 und S5 sind mit dem Ver- sorgungspotentialanschluss 13 verbunden. Der Versorgungspo- tentialanschluss 14 ist mit den Emitteranschlüssen E der Schaltelemente S2, S4 und S6 verbunden. Ferner sind jeweilige parasitäre Induktivitäten Li, L6 der Schaltelemente Si, S6 dargestellt. Ebenso sind parasitäre Dioden Di, De, welche parallel zur Laststrecke zwischen jeweiligen Kollektor C und Emitter E verschaltet sind, dargestellt .
Jedes der Schaltelemente Si, S6 weist darüber hinaus, wie dies für IGBTs typisch ist, einen Hilfs-Kollektoranschluss CAUX und einen Hilfs-Emitteranschluss EAUX auf. Zwischen dem Hilfs-Kollektoranschluss CAux und dem Hilfs-Emitteranschluss EAUX wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung UCEI, ··· UCE6 ermittelt. Als Span¬ nungsmessmittel (Messkreis) kann hierzu beispielsweise ein auf dem Treiber eines IGBTs heute bereits vorhandener Stromquellenkreis zur Kurzschlusserkennung genutzt werden. Bislang erfolgt jedoch keine Messung der Kollektor-Emitterspannung, sondern die am Kollektor anliegende Spannung wird daraufhin überwacht, ob diese im Falle eines Kurzschlusses eine vorge¬ gebene Spannung übersteigt, um dann durch entsprechende An- steuerung des IGBTs diesen sperrend zu schalten. Die Kurz- schlussdetektion erfolgt mit einer dem Fachmann bekannten StromquellenSchaltung .
Die Spannungsmessmittel 12, welche der Übersichtlichkeit hal¬ ber lediglich für die Schaltelemente Si und S2 eingezeichnet sind, können weitgehend in digitaler Form auf dem Leistungs¬ treiber des zugeordneten Schaltelements Si, S6 realisiert sein.
Die im Durchlassfall durch die Spannungsmessungsmittel 12 er¬ mittelten Kollektor-Emitter-Spannungen UCE I , UCE 6 werden einer zentralen Recheneinheit 30 zur nachfolgend näher be- schriebenen Auswertung übermittelt. Die zentrale Recheneinheit 30 kann, wie dies in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, eine von den Spannungsmessmitteln 12 unabhängige Recheneinheit sein. Sie kann auch auf einem der Treiber der Schaltelemente Si, S6 verwirklicht sein. Es versteht sich, dass zum Austausch von Daten zwischen der zentralen Recheneinheit 30 und den, den Schaltelementen Si, S6 zugeordneten, Spannungsmessmitteln 12 entsprechende Kommunikationspfade vorge¬ sehen sein müssen. Diese können kontaktbehaftet oder kontakt¬ los realisiert sein.
Die Ansteuerung der Schaltelemente Si, S6 gemäß einem vor¬ gegebenen Schaltzustandsmuster erfolgt mittels einer Umrichtersteuerung 11. Diese weist entsprechende Steuerausgänge B(Si), B(Se) auf, um die jeweiligen Steueranschlüsse B der Schaltelemente Si, S6 entsprechend leitend oder sperrend zu schalten. Der Übersichtlichkeit halber sind die Ausgänge der Umrichtersteuerung 11 in der zeichnerischen Darstellung nicht mit den entsprechenden Steueranschlüssen B der Schaltelemente Si, S6 verbunden.
Mit den nachfolgend für die unterschiedlichen Ausführungsva- rianten näher beschriebenen Vorgehen zur Ermittlung von Messwerten der aktuellen Transistorströme Ii, Ie und der zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs herrschenden Schaltelementtempe¬ raturen Ti, ..., Ίβ ist es möglich, eine Alterungsanalyse vor¬ zunehmen, um basierend darauf eine aktuelle Lebensdauerprog- nose zu erstellen. Die genaue Kenntnis der Betriebsparameter ermöglicht es darüber hinaus, die Leistung der Schaltelemente optimiert zu maximieren, ohne hierbei die Gefahr einer Schä¬ digung oder eines Ausfalls des Umrichters zu riskieren. Zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsparameter Ii, Ie und Ti, ..., Ίβ ist die Kenntnis der Kollektor-Emitter-Spannungen UCE I / ■■·, UCE 6 im Durchlassfall (d.h. das betreffende Schaltele¬ ment ist leitend geschaltet) erforderlich. Wie beschrieben, erfolgt die Erfassung durch die Spannungsmessmittel 12. Wei- terhin ist eine temperaturabhängige Kollektor-Spannungs-
Emitterstrom-Kennlinienschar UCE / I CE (T) -Kennlinienschar für jeden Schalttransistor, z.B. durch entsprechende Charakterisierung bei der Inbetriebnahme bekannt, und vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit 30 gespeichert.
Die Ermittlung der Betriebsparameter erfolgt in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils mit Hilfe zusätzlich bekannter, lokal vorhandener Teilinformationen über Betriebsparameter .
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird davon ausgegangen, dass eines der Schaltelemente Si, S6 mit einem (internen) Tem¬ peratursensor versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Schaltelement S6 den nicht näher dargestellten Temperatursensor aufweisen. Damit ist es möglich, für das
Schaltelement S6 im Betrieb des Umrichters dessen Temperatur Te zu messen. Aus der Schaltungstopologie des Umrichters 10 und der Last 20 ist darüber hinaus bekannt, dass der jeweili- ge Strom durch die Drehstrombrücke nur von drei Schaltelementen gleichzeitig geführt wird und dass er sich in einem be¬ stimmten, festen Verhältnis aufteilt. Dies wird als ein
Schalt zustand des vorgegebenen Schalt zustandsmusters des Um- richters 10 bezeichnet. Die Schaltzustände, deren Zeitpunkte und die Stromaufteilung sind in der Recheneinheit hinterlegt. Beispielsweise sind zu einem gegebenen Zeitpunkt das Schalt¬ element Si sowie die Schaltelemente S4 und S6 leitend geschal¬ tet. Der Strom teilt sich im Verhältni s I(Si) iI(S4) iI(S6) — 1:0,5:0,5 auf. Die Stromaufteilung ergibt sich dadurch, dass der im Knoten 24 der Last 20 von dem Zweig R kommende Strom Ii sich in einem vorgegebenen Verhältnis auf die beiden anderen Zweige S und T und damit entsprechend durch die Schalt¬ elemente S4 und S6 aufteilen muss.
Am Schaltelement S6 mit der bekannten Temperatur Ί kann aus der zugehörigen gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung UCE 6 aus der Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar der über das Schaltelement S6 geführte Strom Iß errechnet werden. Aus diesem Stromwert Iß, der Kenntnis des aktuellen Schaltzu¬ stands (d.h. der gerade leitend geschalteten Schaltelemente Si und S4) und dem Verhältnis der Ströme Ii:I4 = 1:0,5 können die Ströme Ii und I4 ermittelt werden. Der Strom I4 muss aufgrund der gegebenen Stromaufteilung dem ermittelten Strom Iß entsprechen. Der Strom Ii entspricht der Summe der beiden Ströme I4 und Iß. Aus der jeweiligen Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinienschar kann dann auf die entsprechende Temperatur Ti und T4 der Schaltelemente Si und S4 geschlossen werden .
Sukzessive können beim nächsten, unabhängigen Schalt zustand die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungen an den Strom führenden Schaltelementen gemessen werden. Der nächste
Schalt zustand kann beispielsweise die Schaltelemente S3 sowie S2 und S6 leitend schalten. Es sind wiederum die Stromauftei¬ lung I (S3) : I (S2) : I (Sß) = 1:0,5:0,5 sowie die Temperatur T6 des Schaltelements S6 bekannt. In der oben beschriebenen Weise können dann die fehlenden Betriebsparameter I2, I3, T2, 3 für die Schaltelemente S3 und S2 ermittelt werden.
Insgesamt sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei unab- hängige, gemessene Schalt zustände in der Drehstrombrücke 10 erforderlich, in denen die Messungen an den stromführenden Transistoren erfolgen müssen, um alle Temperaturen ΤΊ, ..., T e und alle Ströme Ii, I e errechnen zu können. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind zumindest zwei der Zweige (Phasen) R, S, T mit einem externen Stromsensor 21, 22, 23 versehen. Im Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Ströme IR ext und Is ext in den Phasen R und S ge¬ messen werden. Der externe Stromsensor, der mit dem Bezugs- zeichen 23 gekennzeichnet ist und in der Phase T liegt, wird zur Bestimmung der Betriebsparameter nicht benötigt, da aufgrund der Schaltungstopologie und der Stromaufteilung die Verwendung zweier externer Stromsensoren ausreichend ist. Die externen Stromsensoren können beispielsweise in Gestalt von Hallsensoren realisiert sein und sind typischerweise in einem Umrichter 10 von Haus aus vorhanden. Der durch den Zweig T fließende Strom ergibt sich bei bekannten Strömen in den Zweigen R und S aus der Gleichung IR + Is + IT = 0. Aus diesen Stromwerten, der Kenntnis des aktuellen Schaltzustands (auch Pulsmuster genannt) und der Schaltungstopologie der Drehstrombrücke 10 sowie der Last 20 können zunächst die drei stromführenden Transistoren gefunden werden. Dies seien beispielsweise wiederum die Schaltelemente Si, S4 und S6.
Durch die Messung der Ströme in den Zweigen R und S sind die Ströme Ii und I4 der Schaltelemente Si und S4 bekannt. Auf¬ grund des Schalt zustands und der bekannten Stromaufteilung kann der Strom I e des Schaltelements S6 ermittelt werden. Da wiederum für alle leitend geschalteten Schaltelemente, hier Si, S4 und S6 die Kollektor-Emitter-Spannungen UCEI, UCE4 und UCE6 gemessen werden, können unter Verwendung der jeweiligen temperaturabhängigen Kol lektorspannungs- /Emitterstrom-Kenn- linienschar die Temperaturen Ti, T4 und T e bestimmt werden. Sukzessive können bei den folgenden, weiteren unabhängigen Schalt zuständen die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungs¬ messungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden und die weiteren jeweiligen Brückenzweigströme und die Temperaturen dieser leitend geschalteten Schaltelemente ermittelt werden. Wiederum sind drei unabhängig gemessene
Schalt zustände in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Drehstrombrücke 10 erforderlich, in denen die Messungen an den stromführenden Schaltelementen erfolgen müssen, um alle Betriebsparameter sämtlicher Schaltelemente Si, S6 ermit¬ teln zu können.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Vor- gehen dem in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei die Messung der Ströme hier nicht an den Zweigen zu der Last 20, sondern mittels interner Strommessmittel durchgeführt wird. Beispielhaft weisen die Schaltelemente S2 und S4 ent¬ sprechende Strommessmittel 18 und 19 in ihren Lastpfaden auf. Die Messung kann beispielsweise anhand einer parasitär erzeugten Emitter-Hilfsspannung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass an der parasitären Zuleitungsinduktivität L2 und L4 zu den Schaltelementen S2 und S4 jeweils das Spannungsintegral während eines Stromimpulsanstiegs erhoben wird, das direkt proportional zum Impulsstrom ist. Hierdurch ist es möglich, steile Stromschaltflanken korrekt zu messen. Ein gewisser Nachteil besteht bei Stromdauerwerten, was jedoch bei schnell schaltenden Leistungsmodulen in der Praxis nicht nachteilig ist.
Unabhängig von dem hier beschriebenen Beispiel kann die interne Strommessung auch auf beliebige andere Weise erfolgen. Entsprechende Strommessmittel sind dem Fachmann bekannt. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass alle Temperaturen ΤΊ, ..., Ίβ der Schaltelemente Si, S6 gleich sind. Diese Annahme gilt beim Betrieb des Umrichters mit kleinen Frequenzen in einem Bereich von weniger als 5 kHZ bis 10 kHZ . Darüber hinaus sind wiederum die Kollektor-Emitter-Spannungen UCEI, UCE6 der für einen bestimmten Schaltzustand leitend geschalteten Schaltelemente S i , S6 bekannt. Aus dem für einen Schaltzustand bekannten Transistorstromverhältnis, der Annahme der gleichen Chiptem¬ peratur (welche in absoluter Höhe nicht bekannt ist) können nun die drei stromführenden Transistoren gefunden werden. Aus den für diese elektrisch leitend geschalteten Schaltelemente vorgenommenen Kollektor-Emitter-Spannungsmessungen und der Annahme der gleichen Chiptemperatur können die Ströme durch die leitend geschalteten Schaltelemente unter Verwendung des temperaturabhängigen Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kenn- linienschar und des bekannten Stromverhältnisses errechnet werden .
Sukzessive können bei den folgenden, weiteren Schaltzuständen die zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannungsmessungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden und die weiteren Ströme und Temperaturen errechnet werden. Auch hier ist die Betrachtung dreier unabhängiger Schaltzustände in der Drehstrombrücke erforderlich, in denen die Kollektor-Emitterspannungen an den stromführenden Schaltelementen durchgeführt werden, um die Temperaturen und Ströme für alle Schaltelemente zu ermitteln. Dieses Vorgehen ist beispielsweise bei stromsensorlosen Lasten gut einsetzbar.
Der Drehstromumrichter 10 der Fig. 5 bis 8 ist in Gestalt eines 3-Level-Umrichters ausgebildet und umfasst in einer dem Fachmann bekannten Weise 12 Schaltelemente S iA, S iB , S6A, S6B- Beispielhaft sind die Schaltelemente S iA, S iB , S6A, S6B als IGBTs ausgebildet. Grundsätzlich könnten als Schaltele¬ mente auch Feldeffekt-gesteuerte Halbleiterschaltelemente oder andere Arten von Bipolartransistoren zum Einsatz kommen. Ebenso kann, wenn in Bezug auf die Fig. 5 bis 8 von einem Schaltelement die Rede ist, dieses durch eine Gruppe von, z.B. parallel miteinander verschalteten Schaltern, realisiert sein . Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen umfasst die Drehstrombrücke 10 drei parallel an die Versorgungspotential¬ anschlüsse 13, 14 angeschlossene Zweige 15, 16, 17. In dem ersten Zweig 15 sind die Schaltelemente S iA, S iB , S 2A und S 2B seriell miteinander zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem zweiten Zweig 16 sind die Schaltelemente S 3A , S 3B , S4A und S4B seriell zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem dritten Zweig 17 sind die Schaltelemente S5A, S5B, S 6A und S 6B zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. An dem Versorgungspotentialanschluss 13 liegt ein posi¬ tives Spannungspotential, an dem Versorgungspotentialanschluss 14 ein negatives Spannungspotential an. Zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 sind ferner zwei seri- eil miteinander verschaltete Kondensatoren 31, 32 verschal¬ tet. Ein Knotenpunkt der Kondensatoren 31, 32 ist mit einem dritten Versorgungspotentialanschluss 33 (0) verbunden. Der dritte Versorgungspotentialanschluss 33 wird als „Neutral" (NEUTRAL) bezeichnet. Zwischen den Versorgungspotentialan- Schlüssen 13, 33 liegt eine Versorgungsspannung UDc+ / zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 33, 14 eine Spannung UDc- an .
Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S iB , S 2A bzw. S 3B , S4A bzw. S5B, S 6A sind jeweils mit der dreiphasigen Last
20, z.B. einer Antriebsmaschine, verbunden. Die Last 20 weist wiederum drei Phasen R, S und T auf. Die Phase R ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S iB und S 2A des ersten Zweigs 15 angeschlossen. Die Phase S ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S 3B und S4A des zweiten Zweigs 16 angeschlos¬ sen. Die dritte Phase T ist an den Knotenpunkt der Schaltele¬ mente S 5B und S 6A des dritten Zweigs 17 angeschlossen. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist die Last 20 in jeder Phase R, S, T im Ersatzschaltbild eine Induktivität LR, LS , Lt und einen Widerstand RR, Rs und RT auf bzw. ist durch diese elektrisch charakterisiert. Die drei Phasen R, S, T der Last 20 sind an dem Sternpunkt 24 der Last 20 elek¬ trisch miteinander verbunden. Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S iA , S iB bzw. S 3A , S 3B bzw. S5A, S5B sind über jeweilige Dioden 41, 43, 45 mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 verbunden. In ent- sprechender Weise sind die Knotenpunkte zwischen den Schalt¬ elementen S 2A , S 2B bzw. S 4A , S 4B bzw. S6A, S 6B über jeweilige Di¬ oden 42, 44, 46 ebenfalls mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 gekoppelt. Dabei ist ein jeweiliger Anodenan- schluss der die Dioden 41, 43, 45 und ein jeweiliger Katho- denanschluss der Dioden 42, 44, 46 mit dem Versorgungspotentialanschluss 33 verbunden.
Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den Schaltelementen S iA , S iB , S6A, S6B um IGBTs. Ein jeweiliger Kollektoranschluss ist der Einfachheit halber lediglich für das Schaltelement S iB in Fig. 5 mit dem Bezugs¬ zeichen C und ein jeweiliger Emitteranschluss mit dem Bezugs¬ zeichen E gekennzeichnet. Ein Steueranschluss (Basis) ist mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnet. Die Kollektoranschlüsse C der Schaltelemente S iA , SJ-A und S sA sind mit dem Versorgungspo¬ tentialanschluss 13 verbunden. Der Versorgungspotentialanschluss 14 ist mit den Emitteranschlüssen E der Schaltelemente S 2B , S 4B und S6B verbunden. Der Einfachheit halber sind lediglich für die Schaltelemente SIB, S6B parasitäre Induktivitäten dargestellt, welche, wie vorstehend bereits beschrieben, zur Strommessung genutzt werden können. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, weisen sämtliche Schaltelemente S iA , S iB , S6A, S6B jeweils einen Hilfskollektoranschluss CAUX und einen Hilfs-Emitteranschluss EAUX auf. Zwischen diesen wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels (der Übersichtlichkeit halber nicht darge- stellt) eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung UCEIA, UCEIB, UCE6A, UCE6B ermittelt. Hierzu kann beispielsweise wieder ein auf dem Treiber des betreffenden Schaltelements bereits vorhandener Stromquellenkreis zur Kurzschlusserkennung genutzt werden.
Ferner dargestellt ist die zentrale Einheit 30, welcher die von den Spannungsmessmitteln (nicht dargestellt) ermittelten Kollektor-Emitter-Spannungen UCEIA, UCEIB, UCE6A, UCE6B zur Auswertung zugeführt werden. Die zentrale Recheneinheit 30 kann wiederum, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 bereits beschrieben, eine von den Spannungsmessmitteln 12 unab- hängige Recheneinheit sein. Sie kann auch auf einem der Trei¬ ber der Schaltelemente SiA, SiB, S6A, S6B verwirklicht sein. Zum Austausch von Daten zwischen der Recheneinheit 30 und den Spannungsmessmitteln sind entsprechende Kommunikationspfade vorgesehen. Diese können kontaktbehaftet oder kontaktlos rea- lisiert sein.
Die Ansteuerung der Schaltelemente SiA, SiB, S6A, S6B er¬ folgt gemäß einem vorgegebenen Schalt zustandsmuster mittels der Umrichtersteuerung 11. Diese weist entsprechende Steuer- ausgänge B(SiA), B(SiB), ···, B(S6A), B(S6B) auf, um die jeweiligen Steueranschlüsse B der Schaltelemente SiA, SiB, S6A, S6B entsprechend leitend oder sperrend zu schalten.
Der Übersichtlichkeit halber sind die Ausgänge der Umrichter- Steuerung 11 in der zeichnerischen Darstellung nicht mit den entsprechenden Steueranschlüssen B der Schaltelemente SiA, SIE, SeR, S6B verbunden.
Der Betrieb eines derart aufgebauten 3-Level-Umrichters und insbesondere dessen Schalt zustandsmuster zum Ansteuern der
Last 20 ist dem Fachmann prinzipiell bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung nicht näher darauf eingegangen wird. Die nachfolgend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsvarianten zur Ermittlung von Messwerten der aktuellen Transistorströme und der zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs herrschenden Schaltelementetemperaturen TiA, TiB, T6A, T6B ermöglichen wieder eine Alterungsanalyse, um basierend darauf eine aktuelle Lebensdauerprognose zu erstellen. Die genaue Kenntnis der Betriebsparameter ermöglicht es darüber hinaus, die Leistung der Schaltelemente optimiert zu maximieren, ohne hierbei die Gefahr einer Schädigung oder eines Ausfalls des Umrichters zu riskieren.
Die Ermittlung der entsprechenden Informationen kann entsprechend den in Verbindung in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Verfahren analog erfolgen. Dies bedeutet, zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsparameter ist die Kenntnis der Kollektor- Emitter-Spannungen im Durchlassfall (d.h. das betreffende
Schaltelement ist leitend geschaltet) erforderlich. Diese Er¬ fassung erfolgt durch das in Fig. 5 bis 8 beschriebene Span¬ nungsmessmittel. Weiterhin ist eine temperaturabhängige Kol- lektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar UCE / I CE (T) - Kennlinienschar für jeden Schalttransistor, z.B. durch entsprechende Charakterisierung bei der Inbetriebnahme, bekannt und vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit gespeichert.
Die Ermittlung der Betriebsparameter erfolgt in den nachfol- genden Ausführungsbeispielen jeweils mit Hilfe zusätzlich bekannter, lokal vorhandener Teilinformationen über Betriebsparameter .
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird bei Fig. 5 davon ausgegangen, dass eines der Schaltelemente SiA,
S IB , S 6A , S 6B mit einem (internen) Temperatursensor versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Schaltele¬ ment S 6B den nicht näher dargestellten Temperatursensor auf¬ weisen. Damit ist es möglich, für das Schaltelement S 6B im Betrieb des Umrichters dessen Temperatur ΊβΒ zu messen. Beim Betrieb des 3-Level-Drehstromumrichters gibt es Schaltsitua¬ tionen, in dem der untere Teil des Zweigs 17, welcher die Schaltelemente S 6A und S 6B umfasst, den gleichen Strom führen. Dies bedeutet, dass der Strom IeNr der zum Versorgungspoten- tialanschluss 33 fließt, 0 ist. Über die bekannte Kollektor- Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar des Schaltelements S 6B kann zunächst aus der gemessenen Kollektor-Emitterspannung UCE 6B und der gemessenen Temperatur der Strom IeB gemessen wer- den. Dieser Strom entspricht in der genannten Schaltsituation dem Strom des Schaltelements S 6A, woraus unter Nutzung der bekannten Kollektor-Spannungs-Emitterstrom-Kennlinienschar auch die Temperatur TeR des Schaltelements S 6A errechnet wer- den kann.
Aus der Schaltungstopologie des Umrichters 10 und der Last 20 ist darüber hinaus weiter bekannt, dass der jeweilige Strom durch die Drehstrombrücke nur von drei Teilzweigen bzw. sechs Schaltelementen gleichzeitig geführt wird und dass er sich in einem bestimmten festen Verhältnis aufteilt. Diese Schaltzu¬ stände, deren Zeitpunkte und die Stromaufteilung sind, wie in vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben, in der Recheneinheit 30 hinterlegt. Aus der Kenntnis des Stroms in dem unteren Teil des Zweiges 17 und der Kenntnis der Schaltzu¬ stände können damit auch die weiteren Zweigströme und Tran¬ sistortemperaturen errechnet werden.
In der in Fig. 5 gezeigten Topologie eines 3-Level-Drehstrom- Umrichters werden somit Schaltsituationen ausgenutzt, in de¬ nen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt, d.h. zum Versorgungspotentialanschluss 33, führt. Dann ist es auch möglich die Temperaturen der mit dem Versorgungspotentialanschluss 13 gekoppelten Schaltelemente SiA, S 3A , S5A und der mit dem Ver- sorgungspotentialanschluss 14 gekoppelten Schaltelemente S 2B , S 4B , S 6B zu errechnen. Die Bestimmung der Temperaturen der mit den Phasen R, S und T gekoppelten Schaltelemente SiB, S 3B , S5B, S 2A , S 4A und S 6A kann demgegenüber immer ermittelt werden, da diese in jedem Schalt zustand durchflössen werden.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 zumindest zwei der Zweige (Pha¬ sen) R, S, T mit einem externen Stromsensor 21, 22, 23 versehen. Entsprechend der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise macht man sich bei 3-Level-Umrichtern eine
Schaltsituation zunutze, in denen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt bzw. Versorgungspotentialanschluss 33 führt. Über zwei gemessenen Lastströme, z.B. in den Phasen R und S, können z.B. die Temperaturen TiB und T3B der Schaltelemente SiB und S3B bei einem Schalt zustand ohne Neutralstrom zum bzw. vom Versorgungspotentialanschluss 33 errechnet werden. Damit kann dann auch die Temperatur der in den jeweiligen Zweigen liegenden Schaltelemente SiA und SJ-A ermittelt werden.
Unter Anwendung dieses Prinzips, bei dem eine Bestimmung der Temperaturen von Schaltelementen, die mit den Phasen R, S und T verbunden sind, in einem Schalt zustand, in dem ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt führt, wird das Vorgehen für die anderen Schalt zustände wiederholt, wie dies in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde.
Das in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Vor- gehen dem in Fig. 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Grund¬ sätzlich entspricht die Vorgehensweise damit auch der in Ver¬ bindung mit Fig. 3 beschriebenen Ermittlung der Parameter der Schaltelemente. In der vorliegenden Situation der Fig. 7 muss zweifelsfrei aus dem Schalt zustand klar sein, dass im verwen- deten Zeitpunkt kein Neutralstrom zum Versorgungspotentialanschluss 33 fließt, so dass der Strom von einem Schaltelement (z.B. S2B) auch dem Strom des Schaltelements, dann S2A, ent¬ spricht. In der oben beschriebenen Weise können dann die Temperaturen T2A und T2B der Schaltelemente der S2A und S2B ermit- telt werden. Die weitere Strom- und Temperaturerrechnung aller Schaltelemente erfolgt dann sukzessiv in der in Verbindung in Fig. 3 beschriebenen Vorgehensweise.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsvariante, die dem Prinzip nach dem Vorgehen von Fig. 4 entspricht, wird davon ausgegangen, dass alle Temperaturen Ί1Α, Ί1Β, T6A, T6B der Schaltelemente SiA, SiB, S6A, S6B gleich sind. Diese Annahme gilt beim Betrieb des Umrichters mit kleinen Frequenzen in einem Bereich von weniger als 5 kHz bis 10 kHz, bei dem ent- sprechend lange Schaltpausen zwischen zwei Schaltvorgängen gegeben sind. Über die bekannten Laststromverhältnisse und die bekannten Schaltstellungen und der Annahme einer momentan gleichen Temperatur der Schaltelemente können die Transistor- ströme iterativ errechnet werden. Dabei werden Schaltzustände genutzt, in denen ein Zweig keinen Strom zum Neutralpunkt bzw. Versorgungspotentialanschluss 33 führt. Damit kann auch die Temperatur der jeweiligen mit den Versorgungspotentialan- Schlüssen 13 bzw. 14 gekoppelten Schaltelementen S iA, S3A, S5A bzw. S2B, S4B, S6B ermittelt werden, während die Temperatur TIA, TIB, T6A, T6B der mit den Phasen R, S und T verbundenen Schaltelemente S iB , S3B, S5B und S2A, S4A, S6A in jedem Schaltzu¬ stand ermittelt werden kann.
Die Erfindung lässt sich beispielsweise mit einem lokal agie¬ renden digitalen Treiber realisieren, der sowohl Kenntnis über die Schaltzustände als auch die Treiberfunktion umfasst und der während des Betriebs über den Treiber Spannungs- und Strommessungen an dem jeweiligen Schaltelement vornimmt, wobei die direkte, schnelle Kommunikationsmöglichkeit zur Steu¬ erung ausgenutzt wird, um die richtigen Messzeitpunkte einzu¬ halten. Dies eröffnet die Möglichkeit, relevante Belastungs¬ daten während eines realen Umrichterbetriebs zu gewinnen.
Das Vorgehen erlaubt es, aus wenigen einzelnen Betriebspara¬ metern (Strom oder Temperatur eines oder mehrerer Schaltelemente) jeweils für alle Schaltelemente die Ströme und Tempe¬ raturen zu errechnen, die für die messtechnisch basierte Al- terungsanalyse des gesamten Leistungsschaltmoduls erforder¬ lich sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen von Betriebsparametern der Schaltelemente (Si, .. , Se) eines Umrichters (10), insbesondere ei- ner Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last (20), wobei der Umrichter (10) umfasst:
eine Anzahl an Schaltelementen (Si, .. , Ξβ) , die in zumin¬ dest zwei Zweigen verschaltet sind;
eine Umrichtersteuerung (11) zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen (Si, .. , Se) gemäß einem vorgegebenen
Schalt zustandsmuster, wobei das Schalt zustandsmuster zumindest zwei unterschiedliche Schalt zustände des Umrich¬ ters (10) umfasst und wobei ein Schalt zustand zu einem ge¬ gebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend ge- schalteten Schaltelementen (Si, .. , Se) und eine zweite
Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen
(Si, .. , Se) umfasst;
eine Anzahl an Spannungsmessmitteln (12), wobei jedem der Schaltelemente (Si, .. , Se) ein Spannungsmessmittel zuge- ordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zu¬ geordneten Schaltelements (Si, .. , Se) eine zwischen des¬ sen Kollektor (C) und Emitter (E) anliegende Kollektor- Emitter-Spannung (UCEI/ ··, UCE6) zu messen oder ermitteln; bei dem
a) einmalig für jedes der Schaltelemente (Si, .. , Se) eine temperaturabhängige Kol lektorspannungs- /Emitterstrom-Kenn- linienschar ermittelt und in einer zentralen Recheneinheit (30) gespeichert wird;
b) im Betrieb für einen ersten Schalt zustand
- für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente (Si,
.. , Se) die Kollektor-Emitter-Spannung (UCEI, ··, UCE6) ermittelt wird;
aus durch Messung und/oder Berechnung bekannten Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente (Si, .. , Se) für jedes der leitend geschalteten Schaltelemente als Betriebsparameter ein durch das jeweilige Schaltelement (Si, .. , Se) fließender Strom und/oder die Tem¬ peratur ermittelt werden; c) Schritt b) für zumindest einen zweiten Schalt zustand wie¬ derholt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus der temperaturab- hängigen Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar bei bekannter Kollektur-Emitter-Spannung (UCEI, ··, UCE6) und bekannter Temperatur eines jeweiligen Schaltelements ( S i , . . , S e)auf den durch ihn fließenden Strom geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem aus der temperaturabhängigen Kol lektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinien- schar bei bekannter Kollektur-Emitter-Spannung (UCEI, ··, UCE6) und bekanntem Strom eines jeweiligen Schaltelements ( S i , . . , S e)auf dessen Temperatur geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus der Schaltungstopologie des Umrichters und der Last eine Stromaufteilung in den Zweigen zu einem jeweils betrachteten Zeitpunkt ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als bekannter Betriebsparameter ein durch Messung ermittelter Temperaturwert eines der Schaltelemente ( S i , . . , Se) verar¬ beitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als bekannter Betriebsparameter zumindest ein in einem Zweig des Umrichters oder in einem Zweig der Last fließender Strom gemessen und verarbeitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als bekannter Betriebsparameter das relative Verhältnis der
Stromaufteilung in zumindest zwei Zweigen des Umrichters bei gleichzeitiger Annahme von gleichen Temperaturen der Schalt- elemente ( S i , . . , Se) verarbeitet wird.
8. Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsparametern der
Schaltelemente ( S i , . . , S e ) eines Umrichters (10), insbeson- dere einer Drehstrombrücke, zum Ansteuern einer Last (20), umfassend :
eine Anzahl an Schaltelementen (Si, .., Se) , die in zumin¬ dest zwei Zweigen verschaltet sind;
- eine Umrichtersteuerung (11) zur Ansteuerung der Anzahl an Schaltelementen (Si, .., Se) gemäß einem vorgegebenen Schalt zustandsmuster, wobei das Schalt zustandsmuster zumindest zwei unterschiedliche Schalt zustände des Umrich¬ ters (10) umfasst und wobei ein Schalt zustand zu einem ge- gebenen Zeitpunkt eine erste Teilanzahl an leitend ge¬ schalteten Schaltelementen (Si, .., Se) und eine zweite Teilanzahl an sperrend geschalteten Schaltelementen (Si, .. , Se) umfasst ;
eine Anzahl an Spannungsmessmitteln, wobei jedem der
Schaltelemente (Si, .., Se) ein Spannungsmessmittel zuge¬ ordnet ist, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb des zu¬ geordneten Schaltelements (Si, .., Se) eine zwischen des¬ sen Kollektor (C) und Emitter (E) anliegende Kollektor- Emitter-Spannung (UCE I / ··, UCE 6 ) zu messen oder ermitteln; - eine zentrale Recheneinheit (30), in der für jedes der
Schaltelemente (Si, .., Se) eine temperaturabhängige Kol¬ lektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinienschar gespeichert ist und die dazu ausgebildet ist, im Betrieb für jeden Schalt zustand
- für die gerade leitend geschalteten Schaltelemente (Si,
.., Se) die Kollektor-Emitter-Spannung (UCE I , ··, UCE 6 ) zu ermitteln; und
aus durch Messung und/oder Berechnung bekannter Betriebsparametern einzelner der Schaltelemente (Si, .., Se) für jedes der leitend geschalteten Schaltelemente als Betriebsparameter einen durch das jeweilige Schaltelement (Si, .., Se) fließenden Strom und/oder die Tem¬ peratur zu ermitteln.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eines der Schaltele mente (Si, .., Se) einen internen Temperatursensor aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der ein Schaltelement (Si, . . , Se) zumindest eines der Zweige ein internes Strommessmittel umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Schaltelemente (Si, . . , S6) IGBTs , JFETs oder MOSFETs sind .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Spannungsmess- mittel die Kollektor-Emitter-Spannung von einer an den HilfsKollektor- und Hilfs-Emitteranschlüssen (CAux/ E AUX) ange schlossenen Schutzschaltung auskoppeln.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der die zentrale Recheneinheit (30) in einem digitalen Treiber eines der Schaltelemente verwirklicht ist, der mit jeweiligen digitalen Treibern der übrigen Schaltelemente (Si, . . , Se) kontaktlos oder leitungsgebunden Daten austauschen kann.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der der Umrichter (10) ein Drehstromumrichter mit drei Zweigen ist .
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