Verfahren und Steuervorrichtung zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für den Betrieb eines Schaltelementes, einen Wechselrichter, sowie einen elektrischen Antriebsstrang.

Stand der Technik

In elektrischen Antriebssträngen von Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Wechselrichter, bzw. Inverter oder Frequenzumrichter, zur Versorgung einer elektrischen Maschine mit Drehstrom aus einer Gleichstrom-Traktionsbatterie verwendet. Der Wechselrichter wird hierzu zum Stellen des geforderten Maschinendrehmoments eingesetzt. Die Verluste des Wechselrichters tragen signifikant zu den Gesamtverlusten eines Fahrzeugs, oder den Fahrzeugverlusten, bei. Die Fahrzeugverluste beeinflussen direkt die elektrische Fahrzeugreichweite bei ge- gebener Batteriekapazität oder den Energiebedarf aus der Batterie bei vorgegebener geforderter Reichweite. In den nächsten Jahren ist zu erwarten, dass die im Wechselrichter eingesetzten Schaltelemente, insbesondere IGBT- Leistungshalbleiterschalter, durch MOSFET-basierte wide-bandgap- Halbleitertechnologien, wie Silicium-Carbid -MOSFET, oder Halbleiter auf Galli- um-Nitrid-Basis ersetzt werden. FET-basierte Halbleiter bieten gegenüber den etablierten IGBT-Halbleitern insbesondere im Teillastbereich ein erhebliches Effi- zienzsteigerungs- bzw. Verlustleistungsreduktionspotenzial. Aufgrund der Widerstandskennlinien nehmen die Durchlassverluste quadratisch mit dem Strom ab. Im Vergleich zu bipolaren Bauelementen fällt weiterhin der lineare Anteil weg. Weiter können die Schaltverluste aufgrund der höheren Schaltgeschwindigkeiten reduziert werden. Insbesondere ist von Vorteil, dass Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit im Gegensatz zu bipolaren Bauelementen über sehr weite Bereiche leicht über eine Ansteuerbeschaltung einstellbar sind. Zu berücksichtigen ist dabei der signifikante Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die realisierbare Schaltgeschwindigkeit und damit auf das Einsparpotenzial. Aufgrund der parasitären Induktivitäten im Kommutierungskreis entsteht beim Schaltvorgang , insbesondere Ausschaltvorgang, eine transiente Schaltüberspannung an den Halbleitern, die abhängig von der Stromänderung ist. Um eine Zerstörung der Halbleiter zu verhindern muss abhängig von der Induktivität im Kommutierungskreis, dem zu schaltenden Phasenstrom und der am Wechselrichter anliegenden Zwischenkreisspannung die Schaltgeschwindigkeit, insbesondere Ausschaltgeschwindigkeit, derart reduziert werden, dass die spezifizierte maximale Blockierfestigkeit bzw. die maximale Sperrfestigkeit des Schaltelementes nicht überschritten wird. Eine reduzierte Schaltgeschwindigkeit führt jedoch zu höheren Verlusten im Wechselrichter, wodurch das Verbrauchseinsparpotenzial des FET- basierten Schaltelementes teilweise wieder kompensiert wird. Nach dem Stand der Technik werden die Schaltelemente betriebspunktunabhängig mit der gleichen Ansteuerbeschaltung angesteuert. Die Ausschaltgeschwindigkeit ist dabei derart ausgelegt, dass die Blockierfestigkeit der Halbleiter auch im Nennbetrieb bei maximaler Spannung und maximalen Strom ausreichend ist.

Es besteht das Bedürfnis derartige Ansteuerungen zu verbessern, so dass eine Effizienzsteigerung, insbesondere eine Minimierung der Verluste innerhalb des Wechselrichters, insbesondere im Teillastbereich, ermöglicht wird.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

- Erfassen eines Betriebspunktes des Wechselrichters;

- Anpassen einer Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes in

Abhängigkeit des Betriebspunktes;

- Betreiben des Schaltelementes mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit. Es wird somit ein Verfahren bereitgestellt zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Zunächst wird ein Betriebspunkt des Wechselrichters er- fasst. In Abhängigkeit des Betriebspunktes wird eine Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes angepasst. Anschließend wird das Schaltelement mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit betrieben.

Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, welches die betriebspunktabhängige Vorgabe einer Ausschaltgeschwindigkeit der einzelnen Schaltelemente in einem Wechselrichter ermöglicht. Vorteilhaft wird somit die Ausschaltgeschwindigkeit betriebspunktabhängig optimiert beziehungsweise maximiert. Die Verluste innerhalb des Wechselrichters werden dadurch betriebspunktspezifisch minimiert. Somit kann bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zur Erreichung der gleichen Reichweite die Kapazität der Batterie reduziert werden und ggf. auch der Chipflächenbedarf aufgrund der geringeren Verluste der Schaltelemente im Wechselrichter reduziert werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich großen Ausschaltgeschwindigkeiten. Alternativ umfasst das Anpassen der Aus- Schaltgeschwindigkeit das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Ausschaltgeschwindigkeit.

Durch Vorsehen einer anpassbaren Ausschaltgeschwindigkeit, also das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich großen Ausschaltgeschwindigkei- ten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Ausschaltgeschwindigkeit, wird eine Berücksichtigung des Betriebspunktes bei der Vorgabe der Ausschaltgeschwindigkeit eines Schaltelementes ermöglicht. Vorteilhaft kann so betriebspunktabhängig die Ausschaltgeschwindigkeit der Schaltelemente maximiert werden. Gleichzeitig werden dabei die Verluste der Schaltelemente im Wechselrich- ter reduziert.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, erfolgt die Erfassung des Betriebspunktes in Abhängigkeit mindestens eines Messwertes. Insbesondere korreliert der Messwert mit einem Phasenstrom des Wechselrichters, mit der Ein- gangsspannung oder Zwischenkreisspannung des Wechselrichters, mit einer Temperatur des Wechselrichters und/oder mit dem Gradienten des Laststroms durch das Schaltelement Leistungshalbleiter.

Die Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit erfolgt in Abhängigkeit eines Betriebspunktes, welcher mindestens in Abhängigkeit eines Messwertes erfasst wird. Insbesondere wird der Betriebspunkt des Wechselrichters in Abhängigkeit eines Phasenstroms des Wechselrichters, der Eingangsspannung oder Zwi- schenkreisspannung des Wechselrichters, einer Temperatur des Wechselrichters und/oder in Abhängigkeit von dem Gradienten des Laststroms durch das Schaltelement erfasst. Vorteilhaft werden somit mehrere Parameter bereitgestellt, anhand derer der Betriebspunkt des Wechselrichters erfasst werden kann. Für den Fall, dass der Wechselrichter und insbesondere die betriebenen Schaltelemente unterhalb der maximalen Last betrieben werden, wird die Ausschaltgeschwindigkeit angepasst, insbesondere erhöht. Insbesondere wird die Ausschaltgeschwindigkeit mit steigender Last des Wechselrichters reduziert und mit abnehmender Last des Wechselrichters erhöht. Somit werden die Verluste vorteilhaft beim Betrieb, insbesondere im Teillast- oder Niedriglastbereich unterhalb der Nenn- oder Maximallast, des Wechselrichters reduziert.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Erfassung des Betriebspunktes des Wechselrichters das Vergleichen und Bestimmen der Differenz des mindestens einen Messwertes mit mindestens einem entsprechenden Bemessungswert, Nennwert oder Maximalwert des Wechselrichters.

Bei der Erfassung des Betriebspunktes des Wechselrichters wird der berücksichtigte Messwert mit einem entsprechenden Bemessungswert, Nennwert oder Maximalwert des Wechselrichters verglichen. Ein derartiger Bemessungswert ist beispielsweise eine Nenn- oder Maximal-Spannung beziehungsweise -Strom, Leistung und/ oder Temperatur des Wechselrichters. Bei dem Vergleichen wird die Differenz der beiden Werte bestimmt, welche ein Maß für die Belastung oder Auslastung des Wechselrichters ist. Bei einer geringen Differenz wird der Wechselrichter in einem Betriebspunkt betrieben, der nahe an seinem Bemessungswert, oder der zulässigen Vollast oder Maximallast, liegt. Mit steigender Differenz wird der Wechselrichter an Betriebspunkten betrieben, die entfernter des Bernes- sungswert oder der zulässigen Vollast oder Maximallast, liegen. Der Wechselrichter wird somit im Teillast- oder Niedriglastbereich betrieben.

Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches die Bestimmung der Belas- tung des Wechselrichters relativ zu einer Nenn- oder Maximallast ermöglicht.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit das Einstellen einer größeren Ausschaltgeschwindigkeit je größer die bestimmte Differenz ist und das Einstellen einer kleineren Ausschalt- geschwindigkeit je geringer die bestimmte Differenz ist.

Bei der Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit wird eine größere Ausschaltgeschwindigkeit eingestellt, je größer die bestimmte Differenz ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass mit kleiner werdenden Ausgangsstrom oder Phasenstrom des Wechselrichters in Bezug auf den Bemessungs- oder Maximalstrom die

Ausschaltgeschwindigkeit erhöht wird. Ebenso wird verfahren bei kleiner werdender Eingangsspannung in Bezug auf die Bemessungs- oder Maximaleingangsspannung des Wechselrichters. Je höher die Ausschaltgeschwindigkeit desto höher werden die Schaltüberspannungen. Dennoch werden dadurch die Schaltelemente nicht beeinträchtigt oder zerstört, da beispielsweise ein geringerer Phasenstrom des Wechselrichter bei nicht angepasster Ausschaltgeschwindigkeit zu einer Verringerung der Schaltüberspannung führt, da der Wert der Stromänderung über der nicht veränderten Ausschaltzeit reduziert wird. Bei einer verringerten Eingangsspannung ist eine höhere Spannungsreserve bis zum Er- reichen der maximalen Sperrfestigkeit des Schaltelementes verfügbar. Vorteilhaft werden sowohl die Wirkung der Verringerung der Schaltüberspannung bei geringerem Phasenstrom als auch die höhere Spannungsreserve bei verringerter Eingangsspannung mittels der Erhöhung der Ausschaltgeschwindigkeit genutzt und somit die Verluste des Wechselrichters minimiert und die Effizienz gesteigert.

Analog dazu wird bei der Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit eine kleinere Ausschaltgeschwindigkeit eingestellt, je kleiner die bestimmte Differenz ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass mit steigendem Ausgangsstrom oder Phasenstrom des Wechselrichters in Richtung des Bemessungs- oder Maximalstrom die Aus- Schaltgeschwindigkeit reduziert wird. Ebenso wird verfahren bei ansteigender Eingangsspannung in Richtung der Bemessungs- oder Maximaleingangsspan- nung des Wechselrichters. Mit geringerer Ausschaltgeschwindigkeit verringert sich die Schaltüberspannung, sodass die Schaltelemente nicht beeinträchtigt o- der zerstört werden.

Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Effizienz eines Wechselrichters insbesondere im Teillast- und Niedriglastbereich erhöht, da die Verluste minimiert werden. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt:

- Anpassen der Totzeit des Schaltelementes in Abhängigkeit eines Betriebspunktes

Neben der Ausschaltgeschwindigkeit der Schaltelemente wird die Totzeit, also die Wartezeit nach dem Ausschalten des einen Schaltelementes einer Halbbrücke bis zum Einschalten des komplementären Schaltelementes der gleichen Halbbrücke, durch eine Schaltung ebenfalls angepasst. Vorteilhaft werden somit wiederum schädliche Schaltüberspannungen, die aufgrund der parasitären Induktivitäten der Schaltung entstehen können, vermieden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Totzeit das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich lang andauernden Tot- Zeiten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Totzeit.

Durch Vorsehen einer anpassbaren Totzeit, also das Einstellen einer von mindestens zwei unterschiedlich lang andauernden Totzeiten oder das Einstellen einer stufenlos einstellbaren Totzeit, wird eine Berücksichtigung des Betriebspunk- tes bei der Vorgabe der Totzeit eines Schaltelementes ermöglicht. Vorteilhaft kann so betriebspunktabhängig die Totzeit der Schaltelemente minimiert werden. Gleichzeitig wird so die Spannungsausnutzung des Wechselrichters maximiert, die Bauteile des Wechselrichters werden mit maximaler zulässiger beziehungsweise spezifizierter Spannung betrieben. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes,

- das Verbinden einer Gate-Ansteuerung mit einem Steuereingang des Schaltelementes über mindestens einen Gate-Widerstand, der aus einer Mehrzahl von Gate-Widerständen ausgewählt wird;

- das Einstellen eines variablen Gate-Widerstand;

- und/oder das Einstellen eines Gate-Stroms.

Das Anpassen der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes kann unterschiedlich erfolgen. Einerseits besteht die Möglichkeit die Gate-Ansteuerung mit einem Steuereingang des Schaltelementes über einen aus einer Mehrzahl von Gate-Widerständen ausgewählten Gate-Widerstand zu verbinden. Auch das Einstellen eines variablen Gate-Widerstands ist möglich. Andererseits kann auch der Gate-Strom individuell eingestellt werden und somit die Ausschaltgeschwindigkeit angepasst werden. Insbesondere lässt sich die Ausschaltgeschwindigkeit auch über ein Einstellen der Gate-Spannung variieren. Vorteilhaft werden alternative Verfahren zur Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltelementes bereitgestellt.

Weiter bieten die genannten Verfahren zur variablen Ansteuerung der Schaltelemente die Möglichkeit, auf Fehlerfälle des Wechselrichters, beispielsweise unerwartet hohe Zwischenkreisspannungen oder Kurzschlüsse zu reagieren und das System in einen sicheren Zustand zu bringen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das bisher beschriebene Verfahren auszuführen.

Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.

Ferner umfasst die Erfindung eine Steuervorrichtung für den Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren, wie bisher beschrieben, auszuführen. Vorteilhaft wird damit eine Steuervorrichtung bereitgestellt, die derart eingerichtet ist, dass die beschriebenen Verfahren zur Reduktion der Verluste innerhalb des Wechselrichters ausgeführt werden können. Hierzu umfasst die Steuervorrichtung eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Betriebspunktes und eine Logik- und Vorgabeeinheit zur Anpassung einer Ausschaltgeschwindigkeit oder einer Totzeit des Schaltelementes sowie eine Steuereinheit für den Betrieb des Schaltelementes.

Ferner umfasst die Erfindung einen Wechselrichter mit einer beschriebenen Steuervorrichtung. Vorteilhaft wird somit ein Wechselrichter zur Verfügung gestellt, der mit geringeren Verlusten betrieben werden kann.

Ferner umfasst die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einen beschriebenen Wechselrichter. Dieser Antriebsstrang kann insbesondere mit einer Energiequelle, beispielsweise einer Batterie verbunden sein, und/oder einer elektrischen Maschine. Vorteilhaft wird somit ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, dessen Verlusten beim Betrieb minimiert werden.

Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungs- gemäßen Verfahrens entsprechend auf die Steuervorrichtung bzw. den Wechselrichter und den elektrischen Antriebsstrang, und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

Figur 1

Einen elektrischen Antriebsstrang mit einem Wechselrichter und Schaltelementen. Figur 2

Eine Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes mit unterschiedlichen Ausschaltgeschwindigkeiten.

Figur 3 und 4

Alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes mit stufenlos einstellbarer Ausschaltgeschwindigkeit.

Figur 5

Ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltelementes in einem Wechselrichter. Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt einen elektrischen Antriebsstrang 100, welcher einen Wechselrichter INV umfasst. Optional kann an den Gleichspannungsanschluss, an dem die Eingangsspannung U E anliegt, eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, angeschlossen werden. An den Phasenstromanschlüssen IL ⁾ , IV, IW kann eine elektrische Maschine EM angeschlossen werden. Weiter ist eine Steuervorrichtung 110 für den Betrieb eines Schaltelementes LHS, insbesondere eines Leistungshalbleiterschalters, in dem Wechselrichter INV dargestellt. Als Schaltelement eignen sich neben IGBT-Leistungshalbleiterschaltern insbesondere MOSFET-basierte wide-bandgap-Halbleitertechnologien, wie Silicium-Carbid - MOSFET, oder Halbleiter auf Gallium-Nitrid-Basis. Die Steuervorrichtung 110 umfasst Erfassungseinrichtungen UM1, IM1 zur Erfassung eines Betriebspunktes Bl des Wechselrichters in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Erfassungseinrichtungen UM1, IM1. In Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl des Wechselrichters wird in einer Logikeinheit ATA eine Ausschaltgeschwindigkeit TA und/ oder Totzeit TD des Schaltelementes LHS angepasst. Wie mittels eines Pfeils von der Logikeinheit ATA zu einem Steueranschluss G eines Schaltelementes LHS beispielhaft dargestellt, wird das Schaltelement LHS mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit TA oder Totzeit TD betrieben. Ferner ist in der Darstellung die Zwischenkreiskapazität CZK des Wechselrichters dargestellt. An dem Zwischenkreis des Wechselrichters INV liegt die Zwischenkreisspannung UZK an. Weiter sind die Steuereingänge G der einzelnen Schaltelemente LHS dargestellt. Diese werden in Abhängigkeit des Betriebspunktes individuell von der Steuereinrichtung 110 bzw. Logikeinheit ATA angesteuert. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist nur eine Verbindung zwischen der Logikeinheit ATA zu einem Steueranschluss G dargestellt. Figur 2 zeigt eine erste alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines

Schaltelementes LHS mit zwei oder mehreren verschiedenen angepassten Ausschaltgeschwindigkeiten TA. Dargestellt ist die Treiberschaltung DR, welche mit dem Steuereingang G des Schaltelementes LHS gekoppelt wird. Je nachdem welcher der unterschiedlich großen Widerstände, RG1, RG2... RGN zwischen die Treiberschaltung DR und dem Steuereingang G geschaltet wird, ändert sich die

Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS. Hierzu wird in Abhängigkeit des erfassten Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV die Treiberschaltung DR gezielt mit einem der unterschiedlich großen Widerstände RG1, RG2, ... RGn mit dem Steuereingang G verbunden.

Figur 3 zeigt eine zweite Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schaltelementes LHS. Bei dieser Schaltung wird eine Treiberschaltung DR über einen stufenlos einstellbaren Widerstand RGV mit dem Steuereingang G des Schaltelementes LHS verbunden. Da der Widerstand RGV stufenlos einstellbar ist, ist in einem entsprechenden Bereich auch die Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS stufenlos anpassbar. Die Größe des variablen Widerstandes RGV wird in Abhängigkeit des erfassten Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV eingestellt. Figur 4 zeigt eine dritte alternative Ansteuerschaltung zum Schalten eines

Schaltelementes LHS. Die Treiberschaltung DR ist in diesem Fall mit einer Schaltung IS verbunden, die den Gate-Strom IG am Steuereingang G des Schaltelementes LHS einstellen kann. Die Schaltung IS empfängt hierzu eine Information über einen Betriebspunkt Bl aus einer Sensoreinrichtung UM2. Die Sensoreinrichtung UM2 dient der Erfassung des Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV oder insbesondere der Erfassung des Betriebspunktes Bl des Schaltelementes LHS. Insbesondere erfasst hierzu die Sensoreinrichtung UM2 die am Schaltelement LHS anliegende Spannung. Durch Einstellen des Gate- Stroms IG in Abhängigkeit des empfangenen Betriebspunktes Bl wird mittels der Schaltung IS die Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS an- gepasst, optimiert und die Verluste minimiert.

Figur 5 zeigt ein Verfahren 300 zum Betrieb eines Schaltelementes LHS in einem Wechselrichter INV. Mit Schritt 310 beginnt das Verfahren. Das Verfahren um- fasst die folgenden Schritte:

- Erfassen 320 eines Betriebspunktes Bl des Wechselrichters INV.

- Anpassen 330 einer Ausschaltgeschwindigkeit TA des Schaltelementes LHS in

Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl;

- Insbesondere Anpassen 340 der Totzeit TD des Schaltelementes LHS in Abhängigkeit des Betriebspunktes Bl und

- Betreiben 350 des Schaltelementes LHS mit der angepassten Ausschaltgeschwindigkeit TA und/ oder der angepassten Totzeit TD.

Mit Schritt 360 endet das Verfahren.