CN103427701B - 用于运行变流器的方法和变流器控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行具有至少一个变流器半桥（1、2、3）的变流器（10）的方法，在变流器半桥（1、2、3）中在第一直流电压连接端（B+）和交流电压连接端（U、V、W）之间以及在所述交流电压连接端（U、V、W）和第二直流电压连接端（B‑）之间分别设置有可控的开关元件（11、12）和与该开关元件并联连接在截止方向上的空转二极管（13、14），其中交替地且分别通过控制间隔中断地控制至少一个半桥（1、2、3）的开关元件（11、12），其中基于在至少一个空转二极管（13、14）上所测定的电压降来调节所述控制间隔的持续时间。

Description

用于运行变流器的方法和变流器控制单元

技术领域

本发明涉及用于运行变流器的方法以及用于执行该方法的变流器控制单元。

背景技术

电机、例如同步电机可以在发电机式或发动机式运行中与有源的变流器电路一起运行，这些变流器电路例如构造为桥电路。这类桥电路在下面阐述的图1中示意性示出。这样的变流器通常具有一定数目的、分别带有两个可控开关元件的半桥且可以用于通过发电机产生的交流电流或三相电流的整流和/或用于电动机换向时的逆变。通常，与每个开关元件并联地设置所谓的空转二极管。空转二极管的截止方向与直流电压连接端之间的技术电流方向相应。所述开关元件可以例如构造为金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）。在相应的MOSFET中空转二极管作为反向二极管实现。

不管是在整流运行中还是在逆变运行中（用于电机的发动机式运行），变流器半桥的开关元件都分别被交替地控制，即被切换到导通状态。在此，这些开关元件以一定的开关延迟进行反应，该开关延迟取决于许多影响因素，例如取决于寄生电感、部件公差和直流电压连接端上的当前电流大小。

在开关时应当避免所谓的“热路径”、即两个开关元件的同时导通状态，以阻止短路。为了考虑运行时的开关延迟，可以在针对变流器半桥的开关元件的控制阶段之间设置所谓的死区时间（Totzeit）。所述死区时间指的是间隔时间（Pausenzeit），在该间隔时间内变流器半桥的两个开关元件的任一个都未被控制。因此，交替地且分别通过控制间隔中断地控制变流器半桥的开关元件。

死区时间必须选择得足够长，以保证半桥的一个开关元件闭合前该半桥的另一开关元件已经断开。另一方面该死区时间应当保持得尽可能短，以避免只要两个开关元件断开就会出现的空转二极管上的耗损。因此，本发明尤其是在逆变运行中控制变流器时改进死区时间的调节并且使得可靠的运行成为可能。

发明内容

本发明建议一种用于运行具有至少一个变流器半桥的变流器的方法，在所述变流器半桥中在第一直流电压连接端和交流电压连接端之间以及在所述交流电压连接端和第二直流电压连接端之间分别设置有可控的开关元件和与该开关元件并联连接在截止方向上的空转二极管，其中交替地且分别通过控制间隔中断地控制至少一个半桥的所述开关元件，其中基于在至少一个空转二极管上所测定的电压降来调节所述控制间隔的持续时间，其中所述电压降是在至少一个空转二极管上测定的，并且其中基于所测定的电压降超过阈值来调节所述控制间隔的持续时间。优选拓展方案是以下描述的主题。

本发明的优点

本发明使得用于尤其是在逆变运行中优化对变流器的变流器半桥的开关元件的交替控制之间的死区时间的控制策略成为可能，所述控制策略在简单的分析电子装置情况下实现了鲁棒的控制并且在变化的运行状态下是能起作用的。本发明在机动车发电机（尤其是也发动机式运行的启动器发电机，例如用于启动内燃发动机或用于驱动支持，但是纯发电机也一样（所谓的交流发电机（Lichtmaschine）））情况下显示了特别的优点，因为在现代的机动车桥整流器中无论如何已经实现了或可以简单地实现相应的分析电子装置。

通过所建议的措施可以减少空转二极管中的过度耗损，如由于常规的控制而可能出现的。同时可靠地避免出现“热路径”。通过下面阐述的方法可以分别测定所阐述的死区时间的瞬时最佳值（Optimum）并且因而在开关元件中达成减少耗损功率和阻止短路之间的理想的妥协。

尤其是温度影响、寄生电感、中间电路的连接、开关元件的开关速度、当前的相电流大小和/或所使用的驱动器（Treiber）的供应电压的电压曲线（Spannungslage）对分别需要的死区时间有影响。因为这些参数附加地也会受到部件波动以及外部的影响，所以该死区时间常规地必须被设计成相应地大，以便在最糟情况下仍是足够的。因此，这些开关元件或分配给它们的空转二极管必须始终如此设定规格，使得它们可以引开出现的耗损。这使得常规的装置变得昂贵。相反，利用按照本发明所建议的解决方案可以实现对死区时间的调节（Regelung）。由于较高的时间要求该调节例如可以集成在相应的驱动器中。

如已经阐述的，已知的变流器半桥分别包括可控的开关元件和与所述开关元件并联连接的所谓的空转二极管（例如以反向二极管的形式）。这些二极管的截止方向与直流电压连接端之间的技术电流方向相应。因此如果在变流器半桥的交流电压连接端上施加正电压信号，那么电流在交流电压连接端和第一直流电压连接端（例如正蓄电池极B+）之间流动。在此，该电流或者流经闭合的开关元件或者流经并联连接的二极管。在交流电压连接端上施加负电压信号的情况下，电流以相应的方式在第二直流电压连接端（例如负蓄电池极B-）或接地线和交流电压连接端之间流动，在这里也或者流经闭合的开关元件或者流经并联连接的二极管。借此交流电压连接端上的交流电压可以被整流。针对变流器中的逆变适用以相应方式的阐述。已认识到：这样的交流电压不仅可以在整流运行中出现，而且通过电机的电感也可以在逆变运行中出现并且可以在本发明的范围中使用。

在电流流经开关元件时，由于借此建立的电气连接的低欧姆性仅非常小的电压经由所述开关元件和并联连接的二极管降落，该电压由导通电阻和当前的电流得出。相反在电流流经二极管时，可以确定更明显的电压降。因此经由二极管的电压降的确定可以用于确定分配给二极管的有源开关元件是断开还是闭合。因此如果经由变流器半桥的二极管之一的电压降被探测到，那么可以假定变流器半桥的至少一个有源开关元件是断开的并且借此不存在所谓的“热路径”、即在例如正蓄电池极和接地线之间的连续导通的连接。

本发明利用该认识且建议：在考虑空转二极管之一上的电压降情况下调节之前阐述的控制间隔的持续时间。优选地当该电压降超出阈值时对下一个开关元件进行控制。在此，在使用比较器和由该比较器产生的比较器信号情况下可以测定电压降的大小。该比较器被分配给每个二极管且检测经由该二极管的电压降。该电压降与阈值进行比较。优选相应的比较器配备有预定的滞后特性。利用相应的分析可以分别确定何时对流入反向二极管的相应电流进行换向。只要发生了换向，就可以分别进行对另一开关元件的控制，而不冒“热路径”形式的横向短路风险。

只要电流流经反向二极管或外部的空转二极管，就会由于提高的二极管导通电压而累积与导通状态（der durchgesteuerte Zustand）相比提高的耗损功率。这尤其是在具有SiC二极管的电路中是重要的，所述SiC二极管比Si二极管具有更大的导通电压。如可以用于分析有源的整流且集成在相应的驱动器中的比较器电路提供了该可能性：在该分析基础上动态地调整死区时间且因而减少了开关耗损。因此，本发明可低成本地且简单地集成在现有的系统中。

如尤其是还从下面的附图中得到的，通过比较器电路的相应开关元件的分析还可以在无决定性的相电流分析的系统中推断相应的变流器半桥的交流电压连接端上（所谓的相电流）的电流方向：在交流电压连接端上施加正半波时空转二极管上的电压在正蓄电池极上降落，相反在施加负半波时空转二极管上的电压在负蓄电池极或接地线上降落。因此可以确定在哪个时间窗中发生了相电流的过零点。因此可以可靠地且花费不大地确定相电流的相位。

本发明在一系列其中分别存在电感负载的功率电子装置中显示了它的优点，所述功率电子装置例如是电源设备、整流器、脉冲逆变器等。

按照本发明的变流器控制单元尤其是在程序技术方面设置用于执行按照本发明的方法。具有变流器和这样的变流器控制单元的变流器装置以及具有这样的变流器装置的机动车发电机也是本发明的主题。

以软件形式实现开关元件的控制方法也是有利的，因为这造成特别小的成本，尤其是当执行的控制设备还用于其它任务且因此无论如何都存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。经由计算机网络（因特网、内联网等）下载程序也是可能的。

本发明的其他优点和拓展方案从描述和附图中得出。

可以理解，上述特征且下面仍待阐述的特征不仅可以分别说明的组合，而且可以其他组合或单独使用，而不会脱离本发明的范围。

附图说明

本发明根据附图中的实施例示意性示出并且下面被参考附图详细描述。

图1以示意图示出具有变流器的装置，在该变流器中可以实现按照本发明的方法。

图2以示意图示出按照本发明的特别优选实施方式的变流器半桥。

图3示出了在逆变运行中的多个开关过程情况下具有带比较器的变流器的装置中的电流信号和电压信号。

图4示出了在逆变运行中的一个开关过程情况下具有带比较器的变流器的装置中的电流信号和电压信号。

图5以流程图形式示出按照本发明的特别优选的实施方式的方法。

图6以流程图形式示出按照本发明的特别优选的实施方式的方法。

具体实施方式

附图中相同或作用相同的元件具有相同的参考标记且为了清楚起见不重复阐述。

图1中示出了具有电机M和变流器10的装置、例如机动车发电机且总体用50表示。用于产生控制信号的电路20（例如驱动器控制装置）和相应的控制单元30（例如栅极驱动器（Gatetreiber））作为装置50的其它组件示出。该电路20与控制装置30一起例如构成可以按照本发明构造的变流器控制单元。电机M优选发动机式运行，其中该变流器作为逆变器运行。然而该电机也可以发电机式运行，其中变流器10作为整流器运行。

构造为发电机的电机M经由交流电压连接端U、V、W（所谓的相连接端）分别提供交流电压信号。交流电压连接端U、V、W与变流器半桥1、2、3相连。在示出的装置50中电机M构造为三相，使得存在三个交流电压连接端U、V、W。在相的数目更多的情况下相应地设置更多的交流电压连接端。

下面仅阐述变流器半桥1，然而其它变流器半桥2和3相应地构造且以相同的方式工作。因此下面有关图2至6的阐述涉及所有的变流器半桥1、2、3。

变流器半桥1具有两个可控的开关元件11和12，它们可以将交流电压连接端U在一侧与第一直流电压连接端B+、例如正蓄电池极相连，而在另一侧与第二直流电压连接端B-、例如负蓄电池极或接地线相连。对可控的开关元件11或12的控制借助控制装置30的信号进行。空转二极管13和14与可控的开关元件11和12并联连接。在此，二极管的截止方向与第一直流电压连接端B+和第二直流电压连接端B-之间的技术电流方向相应。可控的开关元件12和13可以与所属的空转二极管13和14一起分别构造成MOSFET，其中空转二极管13和14构造成相应的反向二极管形式。

图2以电路原理图形式的详细视图示出了变流器半桥1、例如图1的那个。开关元件11和12可以与所属的空转二极管13和14构造为晶体管、如同所阐述的例如为MOSFET。给开关元件11和12与空转二极管13和14分别分配比较器14和15。它们例如可以构造成具有0.35V的极限电压。

优选的比较器具有运算放大器，在其反相输入端和同相输入端之间连接空转二极管。可以使用具有例如0.1V的滞后电压的带滞后的比较器14和15（例如所谓的施密特触发器）。在该情况下从开关元件11和12或二极管13和14上的0.45V的输入电压起，这些比较器在输出端16或17上输出以逻辑1或例如1V的电压信号形式的比较器信号。该比较器信号一直输出，直到电压又降到低于0.25V。电感负载、例如定子绕组用4表示。电感负载4连接到连接端5。该连接端指的是接地连接端或也指的是之前阐述的连接端B-。

如果相应的电感负载4例如构造为电机M的定子绕组，则在变流器10的逆变运行中可以将交流电压施加到定子绕组（所谓的相）U、V或W上，以便发动式地运行电机M。

图3示出了在逆变运行中的多个开关过程情况下具有相应的比较器15和16的变流器半桥、例如之前阐述的变流器半桥1的连接端上的电流信号和电压信号。在横坐标以μs为单位的时间上分别绘制出纵坐标以A和V为单位的电流曲线和电压曲线。图3示出了在逆变运行中可控的开关元件、例如前面图的可控的开关元件11和12的在90 μs的时间段期间的多个开关过程。在此，施加在连接端B+和B-上的、在这里由机动车蓄电池提供的直流电压通过变流器的PWM运行被转变成连接端U、V、W上的交流电压，以便发动机式地运行电机。由此内燃发动机可以被启动或在行驶运行中得到支持（例如助推运行Boostbetrieb）。在这里本发明显示了特别的优点，因为在发动机式运行中也可能出现非常高的电流，它可能导致高的耗损功率或高的短路电流。

经过电感负载、例如图2的电感负载4的电流流动用I4表示。在此，电流强度的负值表示从连接端5经由电感负载5至交流电压连接端U的电流流动，即相应的电压信号的正半波。电流强度的正值表示从交流电压连接端U经由电感负载5至连接端5的电流流动，即负半波。在第一种情况下，电流应当从交流电压连接端U流动到连接端B+，在第二种情况下电流应当从连接端B-流动到交流电压连接端U。

利用V11和V12分别示出针对设置在变流器半桥中的可控的开关元件、例如开关元件11和12的控制信号。利用相应的电压信号、例如10V加载之前阐述的MOSFET的栅极连接端且该栅极连接端因而被切换到导通。控制信号V11和V12例如通过上述的用于产生控制信号的电路20（例如驱动器控制装置）和相应的控制装置30限定。如从图3可见，开关元件的接通阶段分别构造为比断开阶段短。同时这些控制信号曲线在时间上彼此错开，从而始终得出如下阶段，在这些阶段中无相应的开关元件11和12被控制且因而导通。这些阶段指的是已经多次提及的死区时间。

如之前阐述的，在死区时间期间导致经过分配给开关元件的空转二极管、例如空转二极管13和14的电流流动。此类电流流动可以经由空转二极管13和14上的相应电压降探测到，例如经由诸如比较器15和16的比较器。

第一比较器、例如比较器15的比较器信号用V15表示，第二比较器、例如比较器16的比较器信号用V16表示。如阐述的，电流流动分别与施加在交流电压连接端U上的电压的极性相应地进行，使得电流分别或者流经空转二极管13或者流经空转二极管14。

按照本发明，当在分配给开关元件11和12的空转二极管13和14的任一个上借助比较器15和16探测到相应的电流流动时，才分别将设置给变流器半桥1的可控的开关元件的开关元件11或12切换到导通。这避免了“热路径”。

通过确定电流流动在哪个空转二极管13和14中进行，也可以无决定性的相电流分析地探测到相应电流的方向。

交流电压连接端U上的相电压用VU说明。如可见的，分别在开关过程前不久导致短暂的电压改变，而且分别根据电流方向导致提高或降低。

图4示出了变流器半桥、例如之前阐述的变流器半桥1的连接端和相应的比较器15和16（如在图3中示出的）上的电流信号和电压信号，然而仅在一个开关过程情况下。在此，该显示详细示出44.5至46 μs的时间段。

如可见的，在这种情况下控制信号V11在仅轻微的负电流值I4情况下首先被断开。借此在相应的二极管、例如二极管13中形成电流流动。因此，比较器、例如比较器15以一定的延迟输出比较器信号V15。相应的比较器信号V16为清楚起见未示出，因为未提及比较器16。

只有在通过比较器信号V16表明相应的开关元件11或12闭合之后，才输出另外的控制信号V12。利用VU重新说明交流电压连接端U上的相电压。

图5和6示出了按照本发明的特别优选的实施方式的方法100。在此，在第一步骤110中分别断开一个开关元件、例如开关元件11或12。在步骤120中等待比较器、例如比较器15或16的信号。然后在步骤130中可以分别控制另一个开关元件、例如开关元件11或12。

如图6中示出，可以设置附加的步骤125，在该步骤125中首先等待另外的时间预留（Zeitvorhalt）。借此可以提供附加的安全缓冲供使用。

Claims (15)

1.一种用于运行具有至少一个变流器半桥（1、2、3）的变流器（10）的方法，在所述变流器半桥（1、2、3）中在第一直流电压连接端（B+）和交流电压连接端（U、V、W）之间以及在所述交流电压连接端（U、V、W）和第二直流电压连接端（B-）之间分别设置有可控的开关元件（11、12）和与该开关元件并联连接在截止方向上的空转二极管（13、14），其中交替地且分别通过控制间隔中断地控制至少一个半桥（1、2、3）的所述开关元件（11、12），其中基于在至少一个空转二极管（13、14）上所测定的电压降来调节所述控制间隔的持续时间，

其中所述电压降是在至少一个空转二极管（13,14）上测定的，并且其中基于所测定的电压降超过阈值来调节所述控制间隔的持续时间。

2.根据权利要求1所述的方法（100），在所述方法（100）中所述变流器（10）在逆变运行中运行，在所述逆变运行中施加在两个直流电压连接端（B+、B-）上的直流电压被转变成交流电压。

3.根据权利要求2所述的方法（100），其中所述交流电压施加在电感负载（4）上。

4.根据权利要求3所述的方法（100），其中所述电感负载（4）是电机（M）的定子绕组。

5.根据前述权利要求之一所述的方法（100），其中至少一个空转二极管（13、14）上的电压降借助比较器（15、16）予以测定。

6.根据权利要求5所述的方法（100），其中使用具有滞后的比较器（15、16）。

7.根据权利要求1至4之一所述的方法（100），在所述方法（100）中所述控制间隔的持续时间通过如下方式调节：当无开关元件（11、12）被控制时，首先一直等待，直到在至少一个空转二极管（13、14）上的电压降被测定为止，并且然后才给所述开关元件（11、12）之一输出控制信号（V11、V12）。

8.根据权利要求1至4之一所述的方法（100），在所述方法（100）中所述控制间隔的持续时间附加地基于预定的和/或所计算的时间预留来调节。

9.根据权利要求1至4之一所述的方法（100），在所述方法（100）中通过确定在哪个空转二极管（13、14）上会降落电压来测定所述交流电压连接端（U、V、W）上的电流的方向。

10.一种变流器控制单元（20、30），所述变流器控制单元（20、30）被设计成借助控制信号（V11、V12）控制在变流器（10）的至少一个变流器半桥（1、2、3）中的可控的开关元件（11、12）并且按照权利要求1至9之一所述的方法（100）调节所述控制信号（V11、V12）之间的控制间隔。

11.一种变流器装置（50），具有变流器（10）和根据权利要求10所述的变流器控制单元（20、30），所述变流器（10）具有至少一个变流器半桥（1、2、3），在所述变流器半桥（1、2、3）中在第一直流电压连接端（B+）和交流电压连接端（U、V、W）之间以及在所述交流电压连接端（U、V、W）和第二直流电压连接端（B-）之间分别设置有可控的开关元件（11、12）和与该开关元件并联连接在截止方向上的空转二极管（13、14）。

12.根据权利要求11所述的变流器装置（50），在所述变流器装置（50）中至少一个可控的开关元件（11、12）与并联连接的空转二极管（13、14）一起构造成MOSFET。

13.一种机动车发电机，具有电机（M）和连接到所述电机（M）的根据权利要求11或12所述的变流器装置（50）。

14.一种用于运行具有至少一个变流器半桥（1、2、3）的变流器（10）的设备，在所述变流器半桥（1、2、3）中在第一直流电压连接端（B+）和交流电压连接端（U、V、W）之间以及在所述交流电压连接端（U、V、W）和第二直流电压连接端（B-）之间分别设置有可控的开关元件（11、12）和与该开关元件并联连接在截止方向上的空转二极管（13、14），所述设备具有：

用于交替地且分别通过控制间隔中断地控制至少一个半桥（1、2、3）的所述开关元件（11、12）的部件，

用于基于在至少一个空转二极管（13、14）上所测定的电压降来调节所述控制间隔的持续时间的部件，

其中用于调节所述控制间隔的持续时间的部件具有用于在至少一个空转二极管（13,14）上测定电压降的部件以及基于所测定的电压降超过阈值来调节所述控制间隔的持续时间的部件。

15.一种机器可读的存储介质，包括存储在该存储介质上的计算机程序，所述计算机程序在变流器控制单元上执行时促使该变流器控制单元实施根据权利要求1至9之一所述的方法。