Die Erfindung betrifft ein Wechselrichtersystem mit einem mehrphasigen Wechselrichter und einer Steuereinrichtung. Ferner betrifft Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems.

Anwendung finden kann die Erfindung bei einem Aktuator für ein Steer-by-Wire-System oder für einen Wankstabilisator. Bei derartigen Anwendungen ist das Wechselrichtersystem typischerweise in einer gewissen Entfernung von dem Aktuator angeordnet, der durch das Wechselrichtersystem angesteuert wird. Hierdurch sind in der Regeln Kabelverbindungen gewisser Länge zwischen dem Wechselrichtersystem und dem Aktuator erforderlich. Solche Kabelverbindungen sind generell anfällig dafür, unerwünschten Abstrahlungen hervorzurufen, so dass Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), insbesondere im Automobilbereich, oftmals nicht eingehalten werden können.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die elektromagnetische Verträglichkeit eines Wechselrichtersystems zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wechselrichtersystem mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichter, der mindestens drei Halbbrückenschaltungen umfasst, die parallel mit einem positiven Potentialanschluss und mit einem negativen Potentialanschluss verbunden sind, wobei alle Halbbrückenschaltungen jeweils einen zwischen dem positiven Potentialanschluss und einem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten High-Side- Schalter und einen zwischen dem negativen Potentialanschluss und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Low-Side-Schalter umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Halbbrückenschaltungen einen zwischen dem negativen Potentialanschluss und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Shunt- Widerstand zur Strommessung umfassen, und mit einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen, die dazu konfiguriert ist, die Halbbrückenschaltungen zur Erzeugung von Spannungsraumzeigern in aufeinanderfolgenden Schaltperioden derart anzusteuern, dass die Spannungsraumzeiger durch eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulation erzeugt werden, bei welcher mindestens einer der Low-Side-Schalter der mindestens zwei Halbbrückenschaltungen, die einen Shunt- Widerstand umfassen, innerhalb der jeweiligen Schaltperiode mindestens einmal leitend geschaltet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichtersystem werden die Halbbrückenschaltungen im Gegensatz zu einem mit herkömmlicher Pulsweitenmodulation gesteuerten Wechselrichtersystem nicht derart angesteuert, dass die Schalter der Halbbrücken in alle ihnen mögliche Zustände versetzt werden können. Vielmehr erfolgt die Ansteuerung derart, dass in jeder Schaltperiode eine der Halbbrücken keinen Schaltvorgang durchführt - der jeweilige Low-Side-Schalter bleibt über die gesamte Schaltperiode leitend geschaltet. Hierdurch wird die Anzahl an Schaltvorgängen reduziert, so dass sich unerwünschte elektromagnetische Abstrahlungen aufgrund von Schaltvorgängen verringern. Die elektromagnetische Verträglichkeit kann durch diese Maßnahmen verbessert werden. Ferner erfolgt die Ansteuerung in einer Weise, dass in jeder Schaltperiode mindestens einer der Low-Side-Schalter derjenigen Halbbrückenschaltungen, die einen Shunt-Widerstand umfassen, mindestens einmal leitend geschaltet ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass in jeder Schaltperiode einer der Shunt-Widerstände zumindest zu einem Zeitpunkt stromdurchflossen ist, sodass zu diesem Zeitpunkt eine Strommessung, beispielsweise zur Regelung des Wechselrichters bzw. des Aktuators, möglich ist.

Bevorzugt erfolgt eine Strommessung mit dem jeweiligen Shunt-Widerstand immer zu einem Zeitpunkt, zu dem der Low-Side-Schalter der Halbbrücke, dessen Teil der Shunt-Widerstand ist, leitend geschaltet ist. Besonders bevorzugt erfolgt eine solche Strommessung in jeder Schaltperiode mindestens einmal, so dass die Frequenz, mit welcher die Strommessungen durchgeführt werden, im Wesentlichen der durch die Steuereinrichtung vorgegebenen Schaltfrequenz (also dem Kehrwehrt der Periodendauer der Schaltperioden) entspricht. Auf diese Weise kann eine quasi-kontinuierliche Strommessung, beispielsweise zur Regelung des Wechselrichters bzw. des Aktuators, erfolgen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation mindestens einer der Low-Side-Schalter für die gesamte Dauer der jeweiligen Schaltperiode durchgehend leitend geschaltet ist. Hierdurch kann die Anzahl von Schaltvorgängen weiter reduziert werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass alle Halbbrückenschaltungen des Wechselrichters einen zwischen dem negativen Potentialanschluss und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Shunt-Widerstand zur Strommessung umfassen. Bei einer derartigen Ausgestaltung können alle Halbbrückenschaltungen des Wechselrichters gleichberechtigt angesteuert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen dazu konfiguriert ist, dass die Schaltperioden eine Periodendauer im Bereich von 50 is bis 100 is aufweisen. Eine Periodendauer in diesem Bereich entspricht einer Schaltfrequenz im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz und ermöglicht eine weitere Reduktion von Schaltvorgängen zur Verringerung von unerwünschten Abstrahlungen. Zudem verringert eine Schaltfrequenz in diesem Bereich akustische Belastungen durch Schaltfrequenzen in dem von Menschen wahrnehmbaren Frequenzbereich. Bevorzugt liegt die Periodendauer im Bereich von 50 is bis 75 .s, besonders bevorzugt bei 50 .s.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die High-Side- Schalter und die Low-Side-Schalter als MOSFETs (engl. metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor) oder IGBTs (engl. insulated-gate bipolar transistor) ausgebildet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die High-Side- Schalter und die Low-Side-Schalter einen Durchlasswiderstand aufweisen, der im Bereich von 3 mQ bis 30 mQ liegt. Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter können die Low- Side-Schalter, welche in einer Halbbrücke mit Shunt-Widerstand angeordnet eine über einen längeren Zeitraum stromleitend geschaltet sein als bei einer herkömmlichen Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation. Durch eine derartige Auswahl des Durchlasswiderstands können Durchlassverluste verringert und ein unerwünschtes Erwärmen der Low-Side-Schalter reduziert werden. Bevorzugt liegt der Durchlasswiderstand im Bereich von 3 mQ bis 20 mQ, besonders bevorzugt im Bereich von 3 mQ bis 10 mQ, beispielsweise bei 3 mQ.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Aktuator für ein Steer-by-Wire-System oder für einen Wankstabilisator mit einer elektrischen Maschine und einem vorstehend beschriebenen Wechselrichtersystem.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichter, der mindestens drei Halbbrückenschaltungen umfasst, die parallel mit einem positiven Potentialanschluss und mit einem negativen Potentialanschluss verbunden sind, wobei alle Halbbrückenschaltungen jeweils einen zwischen dem positiven Potentialanschluss und einem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten High-Side-Schalter und einen zwischen dem negativen Potentialanschluss und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Low-Side- Schalter umfassen, wobei mindestens zwei der Halbbrückenschaltungen einen zwischen dem negativen Potentialanschluss und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Shunt-Widerstand zur Strommessung umfassen, wobei die Halbbrückenschaltungen zur Erzeugung von Spannungsraumzeigern in aufeinanderfolgenden Schaltperioden derart angesteuert werden, dass die Spannungsraumzeiger durch eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulation erzeugt werden, bei welcher mindestens einer der Low-Side-Schalter der mindestens zwei Halbbrückenschaltungen, die einen Shunt-Widerstand umfassen, innerhalb der jeweiligen Schaltperiode mindestens einmal leitend geschaltet ist.

Bei dem Aktuator und dem Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Wechselrichtersystem beschrieben worden sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Shunt-Widerstände Ströme gemessen werden und anhand der gemessenen Ströme die Spannungsraumzeiger in Abhängigkeit von den gemessenen Strömen erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Regelung des Wechselrichtersystems bzw. des durch das Wechselrichtersystems angesteuerten elektrischen Maschine erfolgen.

Bei dem Aktuator und dem Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems können alternativ oder zusätzlich auch die im Zusammenhang mit dem Wechselrichtersystem beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale, allein oder in Kombination, Anwendung finden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktuators in einem Blockdiagramm;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichtersystems in einem Schaltbild;

Fig. 3 eine exemplarische Darstellung von Raumzeigern; Fig. 4 ein Pulsverlauf zur Erzeugung eines Raumzeigers in Sektor 1 gemäß einer herkömmlichen Pulsweitenmodulation; und

Fig. 5 ein Pulsverlauf zur Erzeugung eines Raumzeigers in Sektor 1 gemäß der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Aktuators 1 gezeigt, der als Aktuator für ein Steer- by- Wire-System oder für einen Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein kann. Der Aktuator 1 ist an einem Versorgungsnetz 2, beispielsweise einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, angeschlossen, so dass der Aktuator 1 aus dem Versorgungsnetz 2 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Sofern das Versorgungsnetz 2 als Bordnetze eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, kann dieses eine Versorgungsspannung von 12 V oder 48 V bereitstellen.

Der Aktuator 1 umfasst eine elektrische Maschine 4, beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine, sowie ein Wechselrichtersystem 3 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 4. Das Wechselrichtersystem 3 umfasst einen Wechselrichter 7 mit mehreren Halbbrückenschaltungen sowie eine Steuereinrichtung 8 zur Ansteuerung dieser Halbbrückenschaltungen. Weitere Bestandteile des Wechselrichtersystems 3 sind ein EMV- Filter 5 sowie ein Gleichspannungszwischenkreis 6. Der Wechselrichter 7 ist einerseits mit diesem Gleichspannungszwischenkreis 6 und andererseits mit Zuleitungen 9 für die elektrische Maschine 4 verbunden.

Bei dem Aktuator 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Wechselrichtersystem 3 nicht in unmittelbarer Nachbarschaft der elektrischen Maschine 4, sondern in einer gewissen Entfernung von dem Antrieb 4 angeordnet, so dass die Zuleitungen 9 zwischen dem Wechselrichtersystem 3 und der elektrischen Maschine 4 eine nicht unerhebliche Länge aufweisen und elektromagnetische Abstrahlungen hervorrufen können. Bei dem Wechselrichtersystem 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind daher Maßnahmen ergriffen, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Aktuators 1 zu verbessern. Diese sollen nachfolgend anhand der Darstellungen in Fig. 2 bis 5 erläutert werden.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau des Wechselrichters 7 des Wechselrichtersystems 3. Dargestellt sind ferner der Gleichspannungszwischenkreis 6, der bei einer Gleichspannung VDC betrieben wird, die Steuereinrichtung 8 und die elektrische Maschine 4, die eine dreiphasige Wicklung L umfasst. Der Wechselrichter 7 ist als dreiphasiger Wechselrichter mit drei Halbbrückenschaltungen ausgebildet, die parallel mit einem positiven Potentialanschluss P und mit einem negativen Potentialanschluss N verbunden sind. Die Halbbrückenschaltungen umfassen jeweils einen zwischen dem positiven Potentialanschluss und einem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten High-Side-Schalter HS1, HS2, HS3 und einen zwischen dem negativen Potentialanschluss N und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneten Low-Side-Schalter LS1, LS2, LS3. Die High-Side-Schalter HS1, HS2, HS3 und die Low-Side-Schalter LS1, LS2, LS3 sind bei dem Ausführungsbeispiels als MOSFETs ausgebildet, können alternativ aber als IGBTs ausgestaltet sein. Der Durchlasswiderstand High-Side-Schalter HS1 , HS2, HS3 und die Low-Side-Schalter LS1 , LS2, LS3 liegt im Bereich von 3 mQ bis 30 mQ.

Ferner ist bei mindestens zwei der Halbbrückenschaltungen, hier bei allen Halbbrückenschaltungen, ein zwischen dem negativen Potentialanschluss N und dem Ausgang der Halbbrückenschaltung angeordneter Shunt-Widerstand R zur Strommessung vorgesehen. Die Strommessung kann über einen nicht dargestellten Spannungssensor erfolgen. Die Daten der Strommessung werden der Steuereinrichtung 8 bereitgestellt, welche unter anderem in Abhängigkeit dieser Strommessungen die High-Side-Schalter HS1 , HS2, HS3 und Low-Side-Schalter LS1 , LS2, LS3 des Wechselrichters 7 ansteuert, beispielsweise um ein Drehmoment der elektrischen Maschine 4 zu regeln.

Die Steuereinrichtung 8 ist ferner derart konfiguriert, die Halbbrückenschaltungen zur Erzeugung von Spannungsraumzeigern in aufeinanderfolgenden Schaltperioden derart anzusteuern, dass die Spannungsraumzeiger durch eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulation erzeugt werden, bei welcher mindestens einer der Low-Side-Schalter LS1 , LS2, LS3 innerhalb der jeweiligen Schaltperiode mindesten einmal leitend geschaltet ist. Im vorliegenden Fall ist mindestens einer der Low-Side-Schalter LS1 , LS2, LS3 sogar für die gesamte Dauer der jeweiligen Schaltperiode durchgehend leitend geschaltet. Der entsprechende Shunt-Widerstand ist dann stromführend und kann daher zur Strommessung verwendet werden. Zudem reduziert diese Schaltstrategie die Häufigkeit von Schaltvorgängen und liefert dadurch einen Beitrag zu weniger schaltbedingten elektromagnetischen Abstrahlungen.

Die Fig. 3 zeigt eine exemplarische Darstellung von Raumzeigern RZ in sechs unterschiedlichen Sektoren S1-S6. Die Grenzen der Sektoren sind durch bestimmte eine dreistellige Angabe der Schaltstellung der Halbbrücken gekennzeichnet, wobei eine Halbbrücke, deren High-Side-Schalter H1, H2, H3 leitend ist mit „+“ und eine Halbbrücke, deren Low-Side Schalter L1 , L2, L3 leitend ist mit ,,-“ referenziert ist. In Fig. 4 ist eine Pulsfolge einer Schaltperiode dargestellt, die nach einem herkömmlichen Verfahren der Pulsweitenmodulation dazu geeignet ist, einen Raumzeiger in Sektor S1 zu erzeugen. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms und auf der Ordinate das Ausgangspotential in V aufgetragen. Dabei sind die am Ausgang der jeweiligen Halbbrücke bereitgestellten Potentiale V(a), V(b), V(c) und die entsprechenden Schaltstellungen der Halbbrücken mit der zuvor erläuterten „+/-“-Notation angegeben. Es ist erkennbar, dass gemäß dieser herkömmlichen Schaltstrategie die Halbbrücken des Wechselrichters derart schalten, dass zu einem Zeitpunkt keiner der drei Low-Side-Schalter leitend ist („+++“). Die Fig. 5 zeigt hingegen eine Pulsfolge gemäß der in dem erfindungsgemäßen Wechselrichtersystem 3 verwendeten Schaltstrategie. Auf der Abszisse ist die Zeit in is und auf der Ordinate das Ausgangspotential in V aufgetragen. Hier ist ein Low-Side-Schalter L1, L2, L3 einer der Halbbrücken durchgehend leitend geschaltet, so dass die diesen Low-Side- Schalter L1 , L2, L3 enthaltenden Halbbrücke durchgehend das Ausgangspotential 0V liefert. In der Fig. 5 ist ferner erkennbar, dass die Schaltperioden eine Periodendauer T im Bereich von 50 .s bis 100 is aufweisen, hier 50 .s.

Das vorstehend erläuterte Wechselrichtersystem weist ein verbessertes EMV-Verhalten auf.

Bezugszeichenliste

1 Aktuator

2 Versorgungsnetz

3 Wechselrichtersystem

4 elektrische Maschine

5 EMV-Filter

6 Gleichspannungszwischenkreis

7 Wechselrichter

8 Steuerungseinrichtung

9 Zuleitungen

HS1. HS2, HS3 High-Side-Schalter

LS1 , LS2, LS3 Low-Side-Schalter

L Wicklung

N negativer Potentialanschluss

P positiver Potentialanschluss

R Shunt-Widerstand

S1-S6 Sektor

V(a), V(b), V(c) Ausgangspotential einer Halbbrücke DC Versorgungsspannung