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 S ₃ und S ₄ 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 U _D c an, welche beispielsweise von einem Energiespeicher oder einem Energieversorgungsnetz mit entsprechender Gleichrichteranord- nung bereitgestellt wird.

Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen Si, S2 bzw. S ₃ , S ₄ 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 L _R , L _S , L _t und einen Widerstand R _R , R _s und R _T 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 S ₂ , 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 C _AUX und einen Hilfs-Emitteranschluss E _AUX auf. Zwischen dem Hilfs-Kollektoranschluss C _A ux und dem Hilfs-Emitteranschluss E _AUX wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung U _CE I, ··· U _CE 6 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 U _C E I , U _C E 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 _/ ■■·, U _C E 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 U _C E / 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 S ₄ und S6 leitend geschal ^¬ tet. Der Strom teilt sich im Verhältni s I(Si) iI(S ₄ ) 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 S ₄ und S6 aufteilen muss.

Am Schaltelement S6 mit der bekannten Temperatur Ί kann aus der zugehörigen gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung U _C E 6 aus der Kollektorspannungs-/Emitterstrom-Kennlinienschar der über das Schaltelement S6 geführte Strom I _ß errechnet werden. Aus diesem Stromwert I _ß , der Kenntnis des aktuellen Schaltzu ^¬ stands (d.h. der gerade leitend geschalteten Schaltelemente Si und S ₄ ) und dem Verhältnis der Ströme Ii:I ₄ = 1:0,5 können die Ströme Ii und I ₄ ermittelt werden. Der Strom I ₄ muss aufgrund der gegebenen Stromaufteilung dem ermittelten Strom I _ß entsprechen. Der Strom Ii entspricht der Summe der beiden Ströme I ₄ und I _ß . Aus der jeweiligen Kollektorspannungs- /Emitterstrom-Kennlinienschar kann dann auf die entsprechende Temperatur Ti und T ₄ der Schaltelemente Si und S ₄ 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 S ₃ sowie S ₂ und S6 leitend schalten. Es sind wiederum die Stromauftei ^¬ lung I (S3) : I (S2) : I (Sß) = 1:0,5:0,5 sowie die Temperatur T ₆ des Schaltelements S6 bekannt. In der oben beschriebenen Weise können dann die fehlenden Betriebsparameter I2, I3, T ₂ , 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 I _{R ex} t und I _{s ex} t 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 I _R + I _s + I _T = 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, S ₄ und S6.

Durch die Messung der Ströme in den Zweigen R und S sind die Ströme Ii und I4 der Schaltelemente Si und S ₄ 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, S ₄ und S6 die Kollektor-Emitter-Spannungen U _CE I, U _CE4 und U _CE 6 gemessen werden, können unter Verwendung der jeweiligen temperaturabhängigen Kol lektorspannungs- /Emitterstrom-Kenn- linienschar die Temperaturen Ti, T ₄ 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 L ₄ 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 U _CEI , U _CE 6 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 i _A , S i _B , S6 _A , S6B- Beispielhaft sind die Schaltelemente S i _A , S i _B , S6 _A , S6 _B 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 i _A , S i _B , S 2 _A und S 2 _B seriell miteinander zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem zweiten Zweig 16 sind die Schaltelemente S 3 _A , S 3 _B , S _4A und S _4B seriell zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 13, 14 verschaltet. In dem dritten Zweig 17 sind die Schaltelemente S _5A , S _5B , S 6 _A und S 6 _B 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" (N _EUTRAL ) bezeichnet. Zwischen den Versorgungspotentialan- Schlüssen 13, 33 liegt eine Versorgungsspannung U _D c _{+ /} zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 33, 14 eine Spannung U _D c- an .

Die Knotenpunkte zwischen den Schaltelementen S i _B , S 2 _A bzw. S 3 _B , S _4A bzw. S _5B , S 6 _A 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 i _B und S 2 _A des ersten Zweigs 15 angeschlossen. Die Phase S ist an den Knotenpunkt der Schaltelemente S 3 _B und S _4A des zweiten Zweigs 16 angeschlos ^¬ sen. Die dritte Phase T ist an den Knotenpunkt der Schaltele ^¬ mente S _5B und S 6 _A des dritten Zweigs 17 angeschlossen. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist die Last 20 in jeder Phase R, S, T im Ersatzschaltbild eine Induktivität L _R , L _S , L _t und einen Widerstand R _R , R _s und R _T 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 i _A , S i _B bzw. S 3A , S 3B bzw. S _5A , S _5B 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 4 _B bzw. S6 _A , 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 i _A , S i _B , S6 _A , S6 _B um IGBTs. Ein jeweiliger Kollektoranschluss ist der Einfachheit halber lediglich für das Schaltelement S i _B 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 i _A , S _J - _A und S s _A sind mit dem Versorgungspo ^¬ tentialanschluss 13 verbunden. Der Versorgungspotentialanschluss 14 ist mit den Emitteranschlüssen E der Schaltelemente S 2B , S 4B und S6 _B verbunden. Der Einfachheit halber sind lediglich für die Schaltelemente SI _B , S6 _B parasitäre Induktivitäten dargestellt, welche, wie vorstehend bereits beschrieben, zur Strommessung genutzt werden können. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, weisen sämtliche Schaltelemente S i _A , S i _B , S6 _A , S6 _B jeweils einen Hilfskollektoranschluss C _AUX und einen Hilfs-Emitteranschluss E _AUX auf. Zwischen diesen wird mittels eines jeweiligen Spannungsmessmittels (der Übersichtlichkeit halber nicht darge- stellt) eine im Durchlassfall des betreffenden Schaltelements abfallende Kollektor-Emitterspannung U _C EIA, U _C EIB, U _C E6A, U _C E6B 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 U _C EIA, U _C EIB, U _C E6A, U _C E6B 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 Si _A , Si _B , S6 _A , S6 _B 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 Si _A , Si _B , S6 _A , S6 _B er ^¬ folgt gemäß einem vorgegebenen Schalt zustandsmuster mittels der Umrichtersteuerung 11. Diese weist entsprechende Steuer- ausgänge B _(S i _A ), B _(S i _B ), ···, B _(S6 A), B _(S6 B) auf, um die jeweiligen Steueranschlüsse B der Schaltelemente Si _A , Si _B , S6 _A , S6 _B 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 Si _A , SI _E , SeR, S6 _B 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 T _iA , Ti _B , T _6A , T _6B 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 U _C E / 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 Si _A ,

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 Ίβ _Β 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 Ie _Nr 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 U _C E 6B und der gemessenen Temperatur der Strom Ie _B 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 Te _R 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 Si _A , S 3 _A , S _5A 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 Si _B , S 3B , S _5B , 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 Ti _B und T3 _B der Schaltelemente Si _B und S3 _B 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 Si _A und S _J - _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. S2 _B ) auch dem Strom des Schaltelements, dann S2 _A , ent ^¬ spricht. In der oben beschriebenen Weise können dann die Temperaturen T2 _A und T2 _B der Schaltelemente der S2 _A und S2 _B 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 Ί _1Α , Ί _1Β , T _6A , T _6B der Schaltelemente Si _A , Si _B , S6 _A , S6 _B 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 i _A , S _3A , S _5A bzw. S2B, S4B, S6 _B ermittelt werden, während die Temperatur T _IA , T _IB , T _6A , T _6B der mit den Phasen R, S und T verbundenen Schaltelemente S i _B , S3 _B , S _5B und S2A, S _4A , S6 _A 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.