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DE102020208381A1 - Power converter and method for operating a power converter - Google Patents

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DE102020208381A1
DE102020208381A1 DE102020208381.9A DE102020208381A DE102020208381A1 DE 102020208381 A1 DE102020208381 A1 DE 102020208381A1 DE 102020208381 A DE102020208381 A DE 102020208381A DE 102020208381 A1 DE102020208381 A1 DE 102020208381A1
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DE
Germany
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switching
switch
converter
time
frequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102020208381.9A
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German (de)
Inventor
Benedikt Kohlhepp
Jens Heubeck
Thomas Dürbaum
Michael Kopf
Daniel Kübrich
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Siemens AG
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2021/068116 priority patent/WO2022003081A1/en
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Abstract

Ein Stromrichter mit einer Halbbrücke umfassend wenigstens zwei Leistungshalbleiter, eingerichtet zur Pulsweitenmodulation mittels der Halbbrücke, ferner ausgestaltet, durch eine individuelle Anpassung der Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter ein spannungsfreies Schalten durchzuführen, ist eingerichtet, die Leistungshalbleiter mit einer festlegbaren maximalen Frequenz zu schalten.A power converter with a half-bridge comprising at least two power semiconductors, set up for pulse width modulation by means of the half-bridge, also designed to carry out voltage-free switching by individually adapting the switching times of the power semiconductors, is set up to switch the power semiconductors at a definable maximum frequency.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zur elektrischen Wandlung zwischen einer ersten und mindestens einer zweiten Spannung, wobei der Stromrichter wenigstens zwei Leistungshalbleiter umfasst, die eine Halbbrücke bilden und wobei der Stromrichter ein LC-Filter umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für einen solchen Stromrichter.The invention relates to a power converter for electrical conversion between a first and at least one second voltage, the power converter comprising at least two power semiconductors which form a half bridge and the power converter comprising an LC filter. The invention also relates to an operating method for such a converter.

Stromrichter mit nachgeschaltetem LC-Filter werden häufig zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktors, beispielsweise einer drehenden elektrischen Maschine eingesetzt. Sie werden auch als netzspeisende oder netzgespeiste Umrichter verwendet. Im einfachsten Fall umfasst der Stromrichter zwei seriell zu einer Halbbrücke zusammengeschaltete Leistungshalbleiter, die mit einer Pulsweiten-Modulation betrieben werden und so eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umwandeln. Für den häufigen Fall eines dreiphasigen Betriebs können drei Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungshalbleitern zur Erzeugung eines Dreiphasensystems verwendet werden.Converters with a downstream LC filter are often used to operate an electromagnetic actuator, for example a rotating electrical machine. They are also used as line-feeding or line-fed converters. In the simplest case, the converter comprises two power semiconductors connected in series to form a half-bridge, which are operated with pulse width modulation and thus convert an input voltage into an output voltage. In the frequent case of three-phase operation, three half-bridges, each with two power semiconductors, can be used to generate a three-phase system.

Für den Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors kann der Stromrichter auch als dreiphasiger Frequenzumrichter aufgebaut und betrieben werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiter wird in diesem Fall ein variabelfrequentes Dreiphasensystem erzeugt, mit dem der Motor oder das Netz gespeist wird.To operate a three-phase electric motor, the converter can also be set up and operated as a three-phase frequency converter. By appropriately controlling the power semiconductors, a variable-frequency three-phase system is generated in this case, with which the motor or the network is fed.

Die Pulsweiten-Modulation kann prinzipiell mit einer festen Schaltfrequenz für die Leistungshalbleiter arbeiten, wobei die feste Schaltfrequenz beispielsweise 5 kHz oder 30 kHz beträgt. In diesem Fall werden die Leistungshalbleiter unter Spannung eingeschaltet und die entstehenden Schaltverluste in Kauf genommen.The pulse width modulation can in principle work with a fixed switching frequency for the power semiconductors, the fixed switching frequency being, for example, 5 kHz or 30 kHz. In this case, the power semiconductors are switched on under voltage and the resulting switching losses are accepted.

Alternativ ist es möglich, die Leistungshalbleiter stets spannungslos einzuschalten. Dadurch werden die auftretenden Schaltverluste deutlich reduziert. Zum spannungslosen Einschalten müssen die Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter für jeden Schaltvorgang geeignet gewählt werden, was basierend auf Berechnungen und/oder Messungen erfolgen kann. Die sich ergebenden Schaltzeitpunkte und die sich aus den Schaltzeitpunkten ergebende Schaltfrequenz sind dabei unter anderem abhängig vom Betrag der erzeugten Ausgangsspannung des Stromrichters, der verwendeten Zwischenkreisspannung, dem Ausgangsstrom, und Bauteil-Kennwerten. Dabei kommt es nachteilig vor, dass die erforderliche Schaltfrequenz so hoch ist, dass sie von den Leistungshalbleitern und/oder deren Ansteuerung nicht mehr geleistet werden kann. In solchen Betriebsbereichen ist nachteilig die korrekte Funktion des Stromrichters beeinträchtigt.Alternatively, it is possible to always switch on the power semiconductors in a de-energized state. This significantly reduces the switching losses that occur. To switch on without voltage, the switching times of the power semiconductors must be selected appropriately for each switching process, which can be done on the basis of calculations and / or measurements. The resulting switching times and the switching frequency resulting from the switching times depend, among other things, on the amount of the output voltage generated by the converter, the intermediate circuit voltage used, the output current, and component parameters. It is disadvantageous that the required switching frequency is so high that it can no longer be performed by the power semiconductors and / or their control. The correct functioning of the converter is adversely affected in such operating ranges.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromrichter und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, mit denen die eingangs genannten Nachteile vermindert werden.It is the object of the present invention to specify a converter and a method for its operation with which the disadvantages mentioned at the outset are reduced.

Diese Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens besteht eine Lösung in einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10.This object is achieved by a power converter with the features of claim 1. With regard to the method, one solution consists in a method having the features of claim 10.

Der erfindungsgemäße Stromrichter zur elektrischen Wandlung umfasst eine Serienschaltung einer ersten und einer zweiten Schalteinrichtung und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen.The converter according to the invention for electrical conversion comprises a series connection of a first and a second switching device and a control device for controlling the switching devices.

Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, die angesteuerten Schalteinrichtungen mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz zu schalten und die Schaltzeitpunkte für die Schalteinrichtung so zu bestimmen, dass ein spannungsfreies Einschalten bei einer möglichst kleinen Stromwelligkeit erreicht wird, wenn dabei ein festlegbarer zeitlicher Mindestabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Einschaltzeitpunkten oder zwei aufeinander folgenden Ausschaltzeitpunkten einer der Schalteinrichtungen (14, 15) nicht unterschritten wird, und im anderen Fall die Schaltzeitpunkte so zu bestimmen, dass ein spannungsfreies Einschalten unter Einhaltung des festlegbaren zeitlichen Mindestabstands zwischen den aufeinander folgenden Einschaltzeitpunkten oder zwei aufeinander folgenden Ausschaltzeitpunkten derselben Schalteinrichtung (14, 15) eingehalten wird.The control device is designed to switch the activated switching devices with a frequency of at least 10 Hz and to determine the switching times for the switching device in such a way that a voltage-free switch-on is achieved with the smallest possible current ripple if there is a definable minimum time interval between two successive switch-on times or two consecutive switch-off times one of the switching devices (14, 15) is not undershot, and in the other case the switching times must be determined in such a way that a voltage-free switch-on in compliance with the definable minimum interval between the consecutive switch-on times or two consecutive switch-off times of the same switching device ( 14, 15) is complied with.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters zur elektrischen Wandlung bilden eine erste und eine zweite Schalteinrichtung eine Serienschaltung. Die Schalteinrichtungen werden mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz geschaltet. Dabei werden Schaltzeitpunkte für das Einschalten und/oder Ausschalten für eine der Schalteinrichtungen bestimmt, wobei aus einem vorangehenden Einschaltzeitpunkt für die Schalteinrichtung ein nächstfolgender Einschaltzeitpunkt für dieselbe Schalteinrichtung oder aus einem vorangehenden Ausschaltzeitpunkt für die Schalteinrichtung ein nächstfolgender Ausschaltzeitpunkt für dieselbe Schalteinrichtung ermittelt wird, der ein spannungsfreies Schalten bei möglichst kleiner Stromwelligkeit ermöglicht, für diesen Einschaltzeitpunkt geprüft wird, ob er in einem festlegbaren zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Einschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt oder für diesen Ausschaltzeitpunkt geprüft wird, ob er in einem festlegbaren zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Ausschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt und wenn das nicht der Fall ist, den nächstfolgenden Schaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung so festlegt, dass er den zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Schaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt.In the method according to the invention for operating a converter for electrical conversion, a first and a second switching device form a series circuit. The switching devices are switched with a frequency of at least 10 Hz. Switching times for switching on and / or switching off one of the switching devices are determined, with a subsequent switching-on time for the same switching device being determined from a preceding switching-on time for the switching device, or a subsequent switching-off time for the same switching device being determined from a previous switching-off time for the switching device, which is a voltage-free Switching with the smallest possible current ripple possible, it is checked for this switch-on time whether it is within a definable time interval after the previous switch-on time of the same switching device or for this switch-off time it is checked whether it is a definable minimum time interval after the preceding switch-off time the same switching device and, if this is not the case, defines the next switching time of the same switching device so that it lies the minimum time interval after the previous switching time of the same switching device.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass sich die Schwierigkeiten mit der variablen Schaltfrequenz, die sich beim reinen spannungsfreien Schalten ergeben, dadurch vermindert werden können, dass zwischen zwei aufeinander folgenden Schaltzeitpunkten stets ein zeitlicher Mindestabstand eingehalten wird. For the invention, it was recognized that the difficulties with the variable switching frequency, which arise with pure voltage-free switching, can be reduced by always maintaining a minimum time interval between two successive switching times.

Dabei wird dieser zeitliche Mindestabstand stets zwischen zwei Schaltzeitpunkten desselben Schalters eingehalten, die denselben Typ von Schaltvorgang betreffen, d.h. zwischen zwei Ausschaltvorgängen oder zwischen zwei Einschaltvorgängen. Der zeitliche Abstand zwischen einem Ausschaltvorgang und einem Einschaltvorgang oder umgekehrt kann dagegen weiterhin sehr kurz bleiben, da dieser Abstand für die Einstellung der Ausgangsspannung verantwortlich ist, also für die Pulsweiten-Modulation verwendet wird.This minimum time interval is always maintained between two switching times of the same switch that relate to the same type of switching process, i.e. between two switch-off processes or between two switch-on processes. On the other hand, the time interval between a switch-off process and a switch-on process or vice versa can remain very short, since this interval is responsible for setting the output voltage, that is to say is used for the pulse width modulation.

Durch die Einhaltung des zeitlichen Mindestabstands zwischen zwei Einschaltzeitpunkten oder zwei Ausschaltzeitpunkten desselben Schalters wird eine obere Grenze für die Schaltfrequenz bewirkt, die während des Betriebs nicht überschritten wird. Dadurch werden Probleme mit den Schalteinrichtungen, die bei zu hoher Schaltfrequenz auftreten, vorteilhaft vermieden. Dabei wird das spannungslose Schalten vorteilhaft beibehalten. Die Anforderung des Schaltens mit einer möglichst hohen Frequenz, um den sich ergebenden Stromrippel gering zu halten und die auftretenden Leitverluste zu vermindern, wird dagegen zweitrangig behandelt. Gleichzeitig wird so in den Bereichen, in denen ein spannungsloses Schalten ohne eine Unterschreitung des zeitlichen Mindestabstands möglich ist, das spannungslose Schalten, insbesondere das spannungslose Einschalten, umgesetzt, was zu einer hohen Effizienz des Stromrichters führt.Compliance with the minimum time interval between two switch-on times or two switch-off times of the same switch results in an upper limit for the switching frequency that is not exceeded during operation. This advantageously avoids problems with the switching devices that occur when the switching frequency is too high. In this case, the de-energized switching is advantageously retained. The requirement of switching with as high a frequency as possible in order to keep the resulting current ripple low and to reduce the conduction losses that occur is treated as secondary. At the same time, in the areas in which voltage-free switching is possible without falling below the minimum time interval, voltage-free switching, in particular voltage-free switching on, is implemented, which leads to a high efficiency of the converter.

Es versteht sich, dass in allen Fällen der geforderte momentane Strommittelwert stets eingehalten wird.It goes without saying that the required current mean value is always maintained in all cases.

Der Stromrichter kann dabei einphasig oder mehrphasig ausgeführt sein, beispielsweise dreiphasig. Ein dreiphasiger Stromrichter kann drei parallel geschaltete Halbbrücken mit jeweils zwei Schalteinrichtungen aufweisen. Die Steuereinrichtung des dreiphasigen Stromrichters kann weiterhin ausgestaltet sein, ein dreiphasiges Spannungssystem zu erzeugen, also Spannungen, die um 120° zueinander phasenversetzt sind. The converter can be single-phase or multi-phase, for example three-phase. A three-phase converter can have three half-bridges connected in parallel, each with two switching devices. The control device of the three-phase converter can furthermore be designed to generate a three-phase voltage system, that is to say voltages which are phase-shifted by 120 ° with respect to one another.

In einem mehrphasigen Stromrichter, insbesondere einem dreiphasigen, ist die Steuereinrichtung bevorzugt ausgestaltet, die Halbbrücken erfindungsgemäß anzusteuern. Dabei wird die beschriebene Vorgehensweise bevorzugt in unabhängiger Weise für die Halbbrücken umgesetzt, d.h. die ermittelten Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter einer ersten der Halbbrücken beeinflussen nicht die Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter der anderen Halbbrücken.In a polyphase converter, in particular a three-phase converter, the control device is preferably designed to control the half-bridges according to the invention. The procedure described is preferably implemented independently for the half bridges, i.e. the determined switching times of the power semiconductors of a first of the half bridges do not influence the switching times of the power semiconductors of the other half bridges.

Der Stromrichter wird bevorzugt als Wechselrichter betrieben oder ist Teil eines Umrichters, insbesondere eines Frequenzumrichters. Dabei liegt eine Eingangsspannung an den Außenanschlüssen der Serienschaltung der zwei Schalteinrichtungen an, üblicherweise eine Zwischenkreis-Gleichspannung. An seinem Ausgang erzeugt der Stromrichter dann eine Wechselspannung, entweder mit Netzfrequenz, also mit beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, oder mit einer variablen Frequenz, mit der beispielsweise ein Elektromotor angesteuert wird.The converter is preferably operated as an inverter or is part of a converter, in particular a frequency converter. In this case, an input voltage is applied to the external connections of the series connection of the two switching devices, usually an intermediate circuit direct voltage. At its output, the converter then generates an alternating voltage, either with a mains frequency, for example 50 Hz or 60 Hz, or with a variable frequency with which an electric motor is controlled, for example.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Ausführungsformen der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen sein:

  • Die Steuereinrichtung des Stromrichters kann ausgestaltet sein, die Schalteinrichtungen unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation zu schalten. Dadurch kann in verhältnismäßig einfacher Weise jede Art der Ausgangsspannung, beispielsweise eine Wechselspannung von beliebiger Schwingungsform und beliebiger Frequenz unterhalb der Schaltfrequenz der Schalteinrichtungen erzeugt werden.
Further advantageous configurations of the device according to the invention and the method according to the invention emerge from the dependent claims. The embodiments of the independent claims can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those from several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided:
  • The control device of the converter can be designed to switch the switching devices using pulse width modulation. As a result, any type of output voltage, for example an alternating voltage of any waveform and any frequency below the switching frequency of the switching devices, can be generated in a relatively simple manner.

Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als maximale Frequenz eine Frequenz von weniger als 500 kHz zu verwenden. Dadurch werden Probleme bei der Ansteuerung der meisten Leistungshalbleiter vermieden, aber ein spannungsloses Schalten trotzdem beibehalten.The control device can be designed to use a frequency of less than 500 kHz as the maximum frequency. This avoids problems with the control of most power semiconductors, but still maintains voltage-free switching.

Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, eine maximale Frequenz von weniger als 150 kHz zu verwenden. Hierdurch wird erreicht, dass die Emission von elektromagnetischen Störungen in einem Frequenzbereich oberhalb von 150 kHz verringert wird, wodurch die Einhaltung von verhältnismäßig strikten EMV-Standards, die beispielsweise in einem Frequenzband von 150 kHz bis 30 MHz vorliegen, erleichtert wird.The control device can be designed to use a maximum frequency of less than 150 kHz. This means that the emission of electromagnetic interference is reduced in a frequency range above 150 kHz, which makes it easier to comply with relatively strict EMC standards, which are available, for example, in a frequency band from 150 kHz to 30 MHz.

Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die Schaltzeitpunkte, insbesondere die Einschaltzeitpunkte für die Leistungshalbleiter für jede Schalthandlung zu berechnen. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, den jeweils nächstfolgenden Schaltzeitpunkt laufend aus aktuellen Daten zu berechnen. Dadurch wird stets ein bestmöglicher Schaltzeitpunkt erreicht, der im Rahmen der Vorgaben, beispielsweise spannungsloses Schalten und Einhaltung des zeitlichen Mindestabstands, möglich ist.The control device can be designed to calculate the switching times, in particular the switch-on times for the power semiconductors for each switching action. In other words, the control device is designed to continuously calculate the next following switching time from current data. As a result, the best possible switching time is always achieved, which is possible within the framework of the specifications, for example de-energized switching and compliance with the minimum time interval.

Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die Schaltzeitpunkte durch eine oder mehrere Strommessung(en) zu bestimmen. Beispielsweise können die Umschaltschwellen (positiv und negativ) durch Komparatoren mit Digital-Analog-Wandlern vorgegeben werden. Dadurch sind beide Schaltzeitpunkte der Schalteinrichtungen durch die Umschaltschwellen der Komparatoren vorgegeben.The control device can be designed to determine the switching times by means of one or more current measurements. For example, the switching thresholds (positive and negative) can be specified by comparators with digital-to-analog converters. As a result, both switching times of the switching devices are predetermined by the switching thresholds of the comparators.

Die Steuereinrichtung kann ferner ausgestaltet sein, die Schaltzeitpunkte durch eine Strommessung in Kombination mit einer Berechnung zu bestimmen.The control device can also be designed to determine the switching times by means of a current measurement in combination with a calculation.

Die Schalteinrichtungen umfassen Leistungshalbleiterschalter, insbesondere einen GaN-basierten Schalter oder einen SiC-basierten Schalter. Besonders die Wide-Bandgap-Schalter erlauben eine hohe Schaltfrequenz und ermöglichen es so, den festlegbaren zeitlichen Mindestabstand sehr gering zu wählen. The switching devices include power semiconductor switches, in particular a GaN-based switch or a SiC-based switch. The wide bandgap switches in particular allow a high switching frequency and thus make it possible to select the definable minimum time interval to be very small.

Dadurch kann eine Minimierung des Stromrippels und somit eine Minimierung der Leitverluste in einem möglichst weiten Bereich der Betriebszustände durchgeführt werden.As a result, the current ripple can be minimized and the conduction losses can be minimized in the broadest possible range of operating states.

Die Schalteinrichtungen können jeweils genau einen Leistungshalbleiter umfassen. Damit sind sie als minimale Halbbrücke ausgeführt.The switching devices can each include exactly one power semiconductor. This means that they are designed as a minimal half bridge.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben und erläutert.The invention is described and explained in more detail below with reference to the figures of the drawing in connection with an exemplary embodiment.

Dabei zeigen

  • 1 einen einphasigen Stromrichter mit einer Halbbrücke,
  • 2 einen dreiphasigen Stromrichter,
  • 3 Kurvenformen für den zeitlichen Verlauf von Formen der Schaltfrequenz,
  • 4 und 5 Kurvenformen für den zeitlichen Verlauf von Strömen und Spannung im Stromrichter.
Show it
  • 1 a single-phase converter with a half bridge,
  • 2 a three-phase converter,
  • 3 Waveforms for the temporal course of forms of the switching frequency,
  • 4th and 5 Waveforms for the temporal course of currents and voltage in the converter.

1 zeigt einen einphasigen, einfachen Stromrichter 10. Der Stromrichter 10 umfasst eine Halbbrücke 12, die eine Serienschaltung von einem oberen Leistungshalbleiter 14 und einem unteren Leistungshalbleiter 15 aufweist. Die Leistungshalbleiter sind in diesem Beispiel Si-MOSFETs, können aber in anderen Ausführungen auch IGBT-, GaN- oder SiC-basierte Schalter sein. 1 shows a single-phase, simple power converter 10. The power converter 10 comprises a half bridge 12, which has a series connection of an upper power semiconductor 14 and a lower power semiconductor 15. In this example, the power semiconductors are Si-MOSFETs, but in other designs they can also be IGBT, GaN or SiC-based switches.

Ein oberer Anschluss der Halbbrücke 12 bildet dabei einen ersten Anschluss 17 des Stromrichters 10 aus, der in Anwendungen häufig mit dem positiven Pol einer Gleichspannung, beispielsweise des in 1 gezeigten Gleichspannungs-Zwischenkreises 13 verbunden wird.An upper connection of the half bridge 12 forms a first connection 17 of the converter 10, which in applications is often connected to the positive pole of a DC voltage, for example the one in 1 DC voltage intermediate circuit 13 shown is connected.

Ein unterer Anschluss der Halbbrücke 12 bildet einen zweiten Anschluss 18 des Stromrichters 10 aus, der in Anwendungen häufig mit dem negativen Pol der Gleichspannung, beispielsweise des Gleichspannungs-Zwischenkreises 13 oder einem anderen Bezugspotential verbunden wird.A lower connection of the half bridge 12 forms a second connection 18 of the converter 10, which in applications is often connected to the negative pole of the DC voltage, for example the DC voltage intermediate circuit 13 or another reference potential.

Der Potentialpunkt 11, der zwischen dem oberen Leistungshalbleiter 14 und dem unteren Leistungshalbleiter 15 liegt, ist mit einer Drossel 21 verbunden, die zusammen mit einem Kondensator 22 ein LC-Filter 23 ausbildet. Der Potentialpunkt zwischen der Drossel 21 und dem Kondensator 22 bildet einen dritten Anschluss 19 des Stromrichters 10. Der dritte Anschluss 19 ist in Anwendungen des Stromrichters 10 häufig ein Wechselspannungs-Anschluss. Im in 1 dargestellten Beispiel ist der Stromrichter 10 mit einer Last, beispielsweise einem Motor 26 verbunden.The potential point 11, which lies between the upper power semiconductor 14 and the lower power semiconductor 15, is connected to a choke 21 which, together with a capacitor 22, forms an LC filter 23. The potential point between the choke 21 and the capacitor 22 forms a third connection 19 of the converter 10. In applications of the converter 10, the third connection 19 is often an AC voltage connection. In the in 1 In the example shown, the converter 10 is connected to a load, for example a motor 26.

Das Bezugspotential, mit dem der Kondensator 22 abseits vom dritten Anschluss 19 verbunden ist, ist der Mittelpunkt 24 des Gleichspannungszwischenkreises 13. Dieses Bezugspotential wird auch für den Anschluss des Motors 26 verwendet.The reference potential to which the capacitor 22 is connected apart from the third connection 19 is the center point 24 of the DC voltage intermediate circuit 13. This reference potential is also used for the connection of the motor 26.

Wird der Stromrichter 10 als Wechselrichter oder als Teil eines Umrichters eingesetzt, dann wird die zu erzeugende Wechselspannung typischerweise durch eine Pulsweiten-Modulation der beiden Leistungshalbleiter 14, 15 ausgebildet. Bei der Pulsweiten-Modulation sind die beiden Leistungshalbleiter 14, 15 im Wesentlichen, abgesehen von relativ kurzen Totzeiten, abwechselnd eingeschaltet. Dadurch liegt abwechselnd die am ersten Anschluss 17 des Stromrichters 10 und die am zweiten Anschluss 18 des Stromrichters 10 angeschlossene Spannung am Potentialpunkt 11 zwischen den Leistungshalbleitern 14, 15 an.If the power converter 10 is used as an inverter or as part of a converter, the alternating voltage to be generated is typically formed by pulse width modulation of the two power semiconductors 14, 15. In the case of pulse width modulation, the two power semiconductors 14, 15 are essentially switched on alternately, apart from relatively short dead times. As a result, the voltage connected to the first connection 17 of the converter 10 and the voltage connected to the second connection 18 of the converter 10 are alternately applied to the potential point 11 between the power semiconductors 14, 15.

Die Schaltfrequenz, mit der die Leistungshalbleiter geschaltet werden, ist dabei hoch gegenüber der Frequenz der auszugebenden Wechselspannung. Typischerweise ist die Schaltfrequenz im kHz-Bereich, beispielsweise 5 kHz oder 20 kHz, wenn die zu erzeugende Wechselspannung netzfrequent ist. Der verwendete Tastgrad (duty cycle) der beiden Leistungshalbleiter 14, 15 bestimmt dabei das mittlere Spannungsniveau am Potentialpunkt 11. Die nachfolgende Tiefpass-Filterung, beispielsweise mit dem LC-Filter 23, wird verwendet, um die hochfrequenten Spannungsanteile, die der Wechselspannung aufgeprägt sind, zu reduzieren, also die Wechselspannung zu glätten.The switching frequency with which the power semiconductors are switched is high compared to the frequency of the alternating voltage to be output. Typically the switching frequency is im kHz range, for example 5 kHz or 20 kHz, if the alternating voltage to be generated is mains frequency. The duty cycle used of the two power semiconductors 14, 15 determines the mean voltage level at the potential point 11. The subsequent low-pass filtering, for example with the LC filter 23, is used to reduce the high-frequency voltage components that are impressed on the alternating voltage, to reduce, i.e. to smooth the alternating voltage.

2 zeigt einen dreiphasigen Stromrichter 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der dreiphasige Stromrichter kann beispielsweise zum Betrieb eines Motors mit variabler Drehfrequenz eingesetzt werden. Wie beim einphasigen Stromrichter 10 von 1 ist an die Anschlüsse 17, 18 beim dreiphasigen Stromrichter 50 typischerweise ein Gleichspannungs-Zwischenkreis 13 geschaltet, der in 2 nicht dargestellt ist. 2 shows a three-phase converter 50 according to a further exemplary embodiment of the invention. The three-phase converter can be used, for example, to operate a motor with a variable rotational frequency. As with the single-phase converter 10 of 1 a DC voltage intermediate circuit 13 is typically connected to the connections 17, 18 in the three-phase converter 50, which is shown in FIG 2 is not shown.

Weiterhin sind parallel zueinander zwischen die Anschlüsse 17, 18 drei Halbbrücken mit jeweils zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern 51...56 geschaltet. Diese Halbbrücken entsprechen in der Funktion der Halbbrücke 12 des einphasigen Stromrichters 10, wobei jede der Halbbrücken hier einer der Phasen der Ausgangsspannung zugeordnet ist.Furthermore, three half-bridges, each with two power semiconductors 51... 56 connected in series, are connected in parallel to one another between the connections 17, 18. The function of these half-bridges corresponds to the half-bridge 12 of the single-phase converter 10, each of the half-bridges here being assigned to one of the phases of the output voltage.

Die Mittelpunkte 59a...c der Halbbrücken sind jeweils mit einem LC-Filter verbunden. Dieser umfasst pro Phase eine Drossel 57a...c und zwei Kondensatoren 58a...f, von denen jeweils einer mit dem ersten Anschluss 17 und einer mit dem zweiten Anschluss 18 verbunden ist. Der Potentialpunkt zwischen der jeweiligen Drossel 57a...c und den jeweiligen Kondensatoren 58a...f bildet einen Lastanschluss 60a...c für die jeweilige Phase.The center points 59a ... c of the half bridges are each connected to an LC filter. This includes a choke 57a ... c and two capacitors 58a ... f for each phase, one of which is connected to the first connection 17 and one to the second connection 18. The potential point between the respective choke 57a ... c and the respective capacitors 58a ... f forms a load connection 60a ... c for the respective phase.

Durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiter 51...56 wird ein variabelfrequentes Dreiphasensystem erzeugt, mit dem der Motor gespeist wird. Der Motor erhält so ein sinusförmiges Dreiphasensystem mit nur geringem Oberschwingungsanteil.By activating the power semiconductors 51 ... 56 accordingly, a variable-frequency three-phase system is generated, with which the motor is fed. This gives the motor a sinusoidal three-phase system with only a small proportion of harmonics.

In vielen Anwendungen wird dabei eine feste Schaltfrequenz 41 verwendet, um die Pulsweiten-Modulation durchzuführen, wobei die genaue Frequenz von der Art der eingesetzten Leistungshalbleiter 14, 15 und vielen anderen Parametern abhängt. Dabei können die Leistungshalbleiter hart geschaltet werden, also ohne Rücksicht darauf, ob beispielsweise beim Einschalten eine Spannung über dem Leistungshalbleiter 14, 15 anliegt oder nicht. Dadurch ergeben sich merkliche Schaltverluste.In many applications, a fixed switching frequency 41 is used in order to carry out the pulse width modulation, the exact frequency depending on the type of power semiconductors 14, 15 used and many other parameters. In this case, the power semiconductors can be switched hard, that is to say regardless of whether, for example, a voltage is present across the power semiconductor 14, 15 when switched on or not. This results in noticeable switching losses.

Der Verlauf der Schaltfrequenz 41 in diesem einfachen Fall ist über etwa eine Periodendauer der Wechselspannung in 3 gezeigt, wobei auf der x-Achse der 3 die Zeit aufgetragen ist.The course of the switching frequency 41 in this simple case is over approximately one period of the alternating voltage in 3 shown, where on the x-axis the 3 the time is plotted.

Die sich beim harten Einschalten der Leistungshalbleiter 14, 15 ergebenden Schaltverluste können gesenkt werden, wenn die Schaltzeitpunkte so gewählt werden, dass stets ein spannungsloses Einschalten der Leistungshalbleiter 14, 15 durchgeführt wird. Wird dabei eine feste Schaltfrequenz 41 beibehalten, ergibt sich aber ein erheblicher Stromrippel, der zu Leitungsverlusten führt.The switching losses that result when the power semiconductors 14, 15 are switched on hard can be reduced if the switching times are selected so that the power semiconductors 14, 15 are always switched on without voltage. If a fixed switching frequency 41 is maintained, however, there is a considerable current ripple which leads to line losses.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn von der festen Schaltfrequenz 41 abgegangen wird und stattdessen eine variable Schaltfrequenz 42 verwendet wird. Ein beispielhafter Verlauf dieser variablen Frequenz 42 ist ebenfalls in 3 dargestellt.A further improvement results if the fixed switching frequency 41 is abandoned and a variable switching frequency 42 is used instead. An exemplary course of this variable frequency 42 is also shown in FIG 3 shown.

In 4 ist der Verlauf des sich ergebenden Stroms 31 der Drossel 21 dargestellt, zusammen mit dem Verlauf des geglätteten Stroms 32 und der Wechselspannung 33 zwischen dem dritten Anschluss 19 und dem Bezugspotential am Zwischenkreismittelpunkt 24. Der Strom 31 der Drossel 21 ist als Fläche dargestellt, da er einen Ripple mit einer deutlich höheren Frequenz als die Motorstromfrequenz aufweist. Der Stromripple in der Drossel 21 entsteht durch die an der Drossel 21 anliegende Spannung, die sich aus der am ersten und zweiten Anschluss 17, 18 anliegenden Spannung, beispielsweise einer Zwischenkreisspannung und der Motorspannung 33 und der Modulation bestimmen lässt.In 4th the course of the resulting current 31 of the choke 21 is shown, together with the course of the smoothed current 32 and the alternating voltage 33 between the third connection 19 and the reference potential at the intermediate circuit center 24. The current 31 of the choke 21 is shown as an area because it has a ripple with a significantly higher frequency than the motor current frequency. The current ripple in the choke 21 arises from the voltage applied to the choke 21, which can be determined from the voltage applied to the first and second terminals 17, 18, for example an intermediate circuit voltage and the motor voltage 33 and the modulation.

Der Mittelwert des Stroms 31 entspricht bei Vernachlässigung des kapazitiven Umladestroms der Filterkapazität dem Motorstrom 32 Dabei erfolgt die Einstellung der Schaltfrequenz 42 und des Tastgrads der Halbbrücke 12 so, dass sich ein Stromverlauf ausbildet, der es erlaubt, beide Leistungshalbleiter 14, 15 über die gesamte Motorstromperiode spannungslos einzuschalten. Um dies zu erreichen, muss der Strom 31 zum Einschaltzeitpunkt des oberen Leistungshalbleiters 14 ein negatives und zum Einschaltzeitpunkt des unteren Leistungshalbleiters 15 ein positives Vorzeichen haben. Das stellt allerdings nur ein notwendiges, nicht jedoch ein hinreichendes Kriterium für spannungsloses Einschalten dar. Um spannungsloses Schalten zu gewährleisten, muss die Totzeit entsprechend gewählt und die Ausgangskapazität vor dem Einschalten des jeweiligen Leistungshalbleiters 14, 15 (und ebenfalls die des gegenüber liegenden Leistungshalbleiters 14, 15) umgeladen werden.If the capacitive charge reversal current of the filter capacitance is neglected, the mean value of current 31 corresponds to motor current 32 to be switched on without voltage. In order to achieve this, the current 31 must have a negative sign when the upper power semiconductor 14 is switched on and a positive sign when the lower power semiconductor 15 is switched on. However, this is only a necessary, but not a sufficient criterion for de-energized switching on. To ensure de-energized switching, the dead time must be selected accordingly and the output capacitance must be adjusted before switching on the respective power semiconductor 14, 15 (and also that of the opposite power semiconductor 14, 15) to be reloaded.

Erst bei einer in etwa auf 0 V entladenen (und auf die Zwischenkreisspannung des jeweils anderen Leistungshalbleiters 14, 15 aufgeladenen) Ausgangskapazität darf der Leistungshalbleiter 14, 15 eingeschaltet werden, um spannungsloses Schalten zu garantieren. Typischerweise wird der Strom 31 so geformt, dass spannungsloses Schalten sicher erreicht wird und gleichzeitig nicht zu große Stromwerte auftreten, da diese Leitverluste hervorrufen.The power semiconductor 14, 15 may only be switched on when the output capacitance is discharged to approximately 0 V (and charged to the intermediate circuit voltage of the other power semiconductor 14, 15) in order to guarantee voltage-free switching. Typically stream 31 will be like this shaped so that de-energized switching is safely achieved and at the same time not too high current values occur, as these cause conduction losses.

Der Mittelwert des Stroms 31 über einer Schaltperiode muss bei Vernachlässigung des kapazitiven Umladestroms des Kondensators 22 dem Motorstrom entsprechen. Dadurch ergibt sich beispielsweise der in 4 dargestellte Kurvenverlauf des Stroms 31. Die variable Schaltfrequenz 42 in 3 weist im Bereich der Maxima und Minima der Motorspannung und des Motorstroms den geringsten Wert auf. Im Nulldurchgang des Motorstroms tritt hingegen das Maximum der variablen Schaltfrequenz 42 auf. Die dort erreichten Schaltfrequenzen können sehr hoch werden und bis in den MHz-Bereich oder darüber hinaus reichen.The mean value of the current 31 over a switching period must correspond to the motor current if the capacitive charge reversal current of the capacitor 22 is neglected. This results, for example, in the in 4th The curve profile of the current 31 shown. The variable switching frequency 42 in 3 has the lowest value in the range of the maxima and minima of the motor voltage and the motor current. In contrast, when the motor current crosses zero, the maximum of the variable switching frequency 42 occurs. The switching frequencies achieved there can be very high and extend into the MHz range or beyond.

Ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Stromrichter 10, 50 erläutert. Eine Anpassung der Topologien ist dabei nicht notwendig. Die für das Ausführungsbeispiel der Erfindung nötigen Anpassungen finden in einer Steuereinrichtung 16 statt, die die Steuerung, also die Schalthandlungen der Leistungshalbleiter 14, 15, 51...56 vornimmt.An exemplary embodiment for the invention will now be explained with reference to the power converters 10, 50. It is not necessary to adapt the topologies. The adaptations required for the exemplary embodiment of the invention take place in a control device 16 which carries out the control, that is to say the switching operations, of the power semiconductors 14, 15, 51... 56.

Die Steuereinrichtung 16 ist so gestaltet, dass sie für die Schalthandlungen ein vorgebbares Maximum der Schaltfrequenz einhält. Das Maximum der Schaltfrequenz soll in diesem Ausführungsbeispiel 500 kHz betragen.The control device 16 is designed in such a way that it maintains a specifiable maximum switching frequency for the switching operations. In this exemplary embodiment, the maximum switching frequency should be 500 kHz.

Steigt also die variable Schaltfrequenz 42 im Laufe einer Motorstromperiode an und erreicht das vorgebbare Maximum der Schaltfrequenz, beispielsweise im Bereich des Sinusnulldurchgangs, dann erlaubt die Steuereinrichtung 16 keine weitere Steigerung der Schaltfrequenz. Es wird also in dem Bereich, in dem die variable Schaltfrequenz 42 oberhalb des Maximums der Schaltfrequenz liegt, stets mit einer Schaltfrequenz geschaltet, die dem Maximum der Schaltfrequenz entspricht, also in diesem Beispiel 500 kHz. Die Leistungshalbleiter 14, 15, 51...56 werden also so angesteuert, dass zwischen zwei aufeinander folgenden Einschaltvorgängen desselben Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 oder zwischen zwei aufeinander folgenden Ausschaltvorgängen desselben Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 stets ein zeitlicher Mindestabstand verbleibt, der dem Kehrwert der maximalen Schaltfrequenz entspricht, also in diesem Beispiel 2 µs. Für diese Bereiche ergibt sich für die betroffene Halbbrücke also ein festfrequenter Betrieb. Es ergibt sich eine Schaltfrequenz 43, deren Verlauf in 3 dargestellt ist.If the variable switching frequency 42 increases in the course of a motor current period and reaches the predeterminable maximum of the switching frequency, for example in the region of the sine zero crossing, then the control device 16 does not allow any further increase in the switching frequency. Thus, in the range in which the variable switching frequency 42 is above the maximum of the switching frequency, switching is always carried out at a switching frequency which corresponds to the maximum of the switching frequency, that is to say 500 kHz in this example. The power semiconductors 14, 15, 51 There is always a minimum time interval that corresponds to the reciprocal of the maximum switching frequency, i.e. 2 µs in this example. For these areas there is therefore a fixed-frequency operation for the half-bridge concerned. The result is a switching frequency 43, the course of which in 3 is shown.

Sobald die variable Schaltfrequenz 42 wieder unter das Maximum der Schaltfrequenz sinkt, wird wieder mit einer Schaltfrequenz 43 gearbeitet, die der variablen Schaltfrequenz 42 entspricht. Die Leistungshalbleiter 14, 15 werden also in einem Teilbereich der Motorstromperiode mit variabler Schaltfrequenz geschaltet, während in einem anderen Teilbereich der Motorstromperiode festfrequent geschaltet wird. Typischerweise tritt der Betrieb mit variabler Schaltfrequenz in den Bereichen des Motorstromsinus auf, in denen dieser verhältnismäßig große Beträge annimmt. Daher erfolgt der Betrieb der Schaltung mit variabler Frequenz vorrangig in den Sinusminima und -maxima. In den Bereichen um die Nulldurchgänge des Motorstromsinus arbeitet der Umrichter aufgrund der hohen sich ergebenden variablen Schaltfrequenz 42 festfrequent bei der maximalen Schaltfrequenz, wodurch sich der Verlauf für die Schaltfrequenz 43 gemäß 3 ergibt.As soon as the variable switching frequency 42 falls again below the maximum switching frequency, a switching frequency 43 which corresponds to the variable switching frequency 42 is used again. The power semiconductors 14, 15 are thus switched with a variable switching frequency in one sub-area of the motor current period, while the motor current period is switched at a fixed frequency in another sub-area. Operation with variable switching frequency typically occurs in those ranges of the motor current sine in which it assumes relatively large amounts. Therefore, the variable frequency circuit is operated primarily in the sine minima and maxima. In the areas around the zero crossings of the motor current sine, the converter works at a fixed frequency at the maximum switching frequency due to the high resulting variable switching frequency 42, whereby the curve for the switching frequency 43 is shown in FIG 3 results.

Für die Umsetzung des beschriebenen Verfahrens können die Einschaltzeitpunkte verwendet werden, d.h. für die Frequenz wird der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Einschaltzeitpunkte desselben Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 betrachtet. Es können aber auch die Ausschaltzeitpunkte verwendet werden, also der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Ausschaltzeitpunkte desselben Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 betrachtet werden. Der jeweils andere Schaltzeitpunkt des betrachteten Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 ergibt sich dann durch die Vorgabe des mittleren Stromwerts. Die Schaltzeitpunkte für den in der Halbbrücke zugeordneten anderen Leistungshalbleiter 14, 15, 51...56 ergeben sich aus der generellen Arbeitsweise des Stromrichters 10, 50, d.h. die Ausschaltzeitpunkte des einen Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56 entsprechen den Einschaltzeitpunkten des anderen Leistungshalbleiters 14, 15, 51...56, abgesehen von Totzeiten, in denen beide Leistungshalbleiter 14, 15, 51...56 ausgeschaltet sind.The switch-on times can be used to implement the method described, i.e. the time interval between two successive switch-on times of the same power semiconductor 14, 15, 51 ... 56 is considered for the frequency. However, the switch-off times can also be used, that is to say the time interval between two consecutive switch-off times of the same power semiconductor 14, 15, 51... 56 can be considered. The respective other switching time of the power semiconductor 14, 15, 51... 56 under consideration is then obtained by specifying the mean current value. The switching times for the other power semiconductor 14, 15, 51 other power semiconductors 14, 15, 51 ... 56, apart from dead times in which both power semiconductors 14, 15, 51 ... 56 are switched off.

Bei Vorgabe der maximal zulässigen Schaltfrequenz von in diesem Ausführungsbeispiel 500 kHz ergeben sich beim gleichen Betriebspunkt des Umrichters wie in 4 die in 5 dargestellten Verläufe von Strom 31 in der Drossel 21, Motorstrom 32 und Motorspannung 33. Bei Betrachtung des Ripples des Drosselstroms 31 fällt auf, dass dieser im Vergleich zu 4 im Bereich der Nulldurchgänge des Motorstromsinus eine Aufweitung aufweist. Diese Aufweitung resultiert aus der Vorgabe der maximalen Schaltfrequenz von 500 kHz. Durch die geringere Schaltfrequenz in diesem Bereich verglichen zum Betrieb ohne Vorgabe einer Maximalfrequenz, also dem Betrieb mit der variablen Schaltfrequenz 42, ergibt sich bei gleicher Induktivität und Spannungsverhältnissen ein höherer Stromripple. Dadurch steigt auch der Effektivwert des Drosselstroms 31, was in den Leistungshalbleitern 14, 15 zu leicht erhöhten Verlusten führen kann.If the maximum permissible switching frequency of 500 kHz is specified in this exemplary embodiment, this results in the same operating point of the converter as in FIG 4th in the 5 shown curves of current 31 in the choke 21, motor current 32 and motor voltage 33. When looking at the ripple of the choke current 31, it is noticeable that this compared to 4th has a widening in the area of the zero crossings of the motor current sine. This expansion results from the specification of the maximum switching frequency of 500 kHz. The lower switching frequency in this range compared to operation without specifying a maximum frequency, that is to say operation with the variable switching frequency 42, results in a higher current ripple with the same inductance and voltage ratios. This also increases the effective value of the inductor current 31, which can lead to slightly increased losses in the power semiconductors 14, 15.

Die Formung des Spulenstroms, also die Festlegung der Umschaltzeitpunkte, kann durchverschiedene Methoden erfolgen. So kann eine Bestimmung der erforderlichen Schaltfrequenz und des Tastgrades, also der Schaltzeitpunkte der Halbbrücke 12 ausschließlich durch Berechnungen an einer idealen (verlustlosen) Halbbrücke 12 vorgenommen werden. Dadurch ist keine Messung des Spulenstroms notwendig. Die Berechnungen werden vorzugsweise in jeder Schaltperiode durchgeführt, können aber alternativ auch weniger häufig, beispielsweise alle n Schaltperioden durchgeführt werden, wobei n eine ganze Zahl > 1 ist.The shaping of the coil current, i.e. the determination of the switching times, can be done by various methods. The required switching frequency and the duty cycle, that is to say the switching times of the half-bridge 12, can thus be determined exclusively by means of calculations on an ideal (lossless) half-bridge 12. This means that there is no need to measure the coil current. The calculations are preferably carried out in each switching period, but can alternatively also be carried out less frequently, for example every n switching periods, where n is an integer> 1.

Alternativ können die Umschaltschwellen (positiv und negativ) durch Komparatoren mit entsprechenden Digital-Analog-Wandlern vorgegeben werden. Dadurch sind beide Schaltvorgänge (Zeitpunkte) der Halbbrücke durch die Umschaltschwellen der Komparatoren vorgegeben. In einer weiteren Alternative kann auch eine Kombination der beiden vorher genannten Verfahren genutzt werden. Dazu erfolgt in der positiven Halbschwingung des Motorstromsinus die Vorgabe des Einschaltzeitpunktes des oberen Leistungshalbleiters 14 durch die Detektion mithilfe eines Komparators. Der andere Schaltzeitpunkt wird durch Rechnung an einer idealen Halbbrücke 12 bestimmt. In der negativen Halbschwingung erfolgt die Umschaltung analog, allerdings mit verdrehten Schaltaktionen. Auch bei diesem Verfahren kann der Einschaltzeitpunkt des unteren Leistungshalbleiters 15 in jeder Schaltperiode oder alternativ alle n Schaltperioden berechnet werden.Alternatively, the switching thresholds (positive and negative) can be specified by comparators with corresponding digital-to-analog converters. As a result, both switching processes (times) of the half bridge are specified by the switching thresholds of the comparators. In a further alternative, a combination of the two aforementioned methods can also be used. For this purpose, the switch-on time of the upper power semiconductor 14 is specified in the positive half-oscillation of the motor current sine by detection with the aid of a comparator. The other switching time is determined by calculation on an ideal half bridge 12. In the negative half-oscillation, the switchover takes place analogously, but with twisted switching actions. With this method, too, the switch-on time of the lower power semiconductor 15 can be calculated in every switching period or, alternatively, every n switching periods.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

10, 5010, 50
StromrichterPower converter
11, 59a...c11, 59a ... c
Potentialpunkt zwischen den LeistungshalbleiternPotential point between the power semiconductors
1212th
HalbbrückeHalf bridge
1313th
ZwischenkreisIntermediate circuit
14, 15, 51...5614, 15, 51 ... 56
LeistungshalbleiterPower semiconductors
1616
SteuereinrichtungControl device
17, 18, 1917, 18, 19
Anschlüsseconnections
21, 57a...c21, 57a ... c
Drosselthrottle
22, 58a...f22, 58a ... f
Kondensatorcapacitor
2323
LC-FilterLC filter
2424
Zwischenkreis-MittelpunktDC link center point
3131
DrosselstromChoke current
3232
MotorstromMotor current
3333
MotorspannungMotor voltage
4141
feste Schaltfrequenzfixed switching frequency
4242
variable Schaltfrequenzvariable switching frequency
4343
Schaltfrequenz mit MaximumSwitching frequency with maximum
60a...c60a ... c
LastanschlussLoad connection

Claims (13)

Stromrichter (10, 50) zur elektrischen Wandlung umfassend eine Serienschaltung einer ersten und einer zweiten Schalteinrichtung (14, 15) und eine Steuereinrichtung (16) zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen (14, 15), wobei die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, die angesteuerten Schalteinrichtungen (14, 15) mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz zu schalten und die Schaltzeitpunkte für die Schalteinrichtungen (14, 15) so zu bestimmen, dass ein spannungsfreies Einschalten bei einer möglichst kleinen Stromwelligkeit erreicht wird, wenn dabei ein festlegbarer zeitlicher Mindestabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Einschaltzeitpunkten oder zwei aufeinander folgenden Ausschaltzeitpunkten einer der Schalteinrichtungen (14, 15) nicht unterschritten wird, und im anderen Fall die Schaltzeitpunkte so zu bestimmen, dass ein spannungsfreies Einschalten unter Einhaltung des festlegbaren zeitlichen Mindestabstands zwischen den aufeinander folgenden Einschaltzeitpunkten oder den aufeinander folgenden Ausschaltzeitpunkten derselben Schalteinrichtung (14, 15) eingehalten wird.Converter (10, 50) for electrical conversion comprising a series connection of a first and a second switching device (14, 15) and a control device (16) for controlling the switching devices (14, 15), the control device (16) being designed to control the To switch switching devices (14, 15) with a frequency of at least 10 Hz and to determine the switching times for the switching devices (14, 15) so that a voltage-free switch-on is achieved with the smallest possible current ripple, if there is a definable minimum time interval between two successive switch-on times or two consecutive switch-off times of one of the switching devices (14, 15) is not undershot, and in the other case to determine the switching times so that a voltage-free switch-on while observing the definable minimum time interval between the successive switch-on times or the aufei nander following switch-off times of the same switching device (14, 15) is observed. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, die Schalteinrichtungen (14, 15) unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation zu schalten.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to switch the switching devices (14, 15) using pulse width modulation. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, als maximale Frequenz eine Frequenz von weniger als 500 kHz zu verwenden.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to use a frequency of less than 500 kHz as the maximum frequency. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, eine maximale Frequenz von weniger als 150 kHz zu verwenden.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to use a maximum frequency of less than 150 kHz. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, eine maximale Frequenz von wenigstens 10 kHz, insbesondere wenigstens 100 kHz zu verwenden.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to use a maximum frequency of at least 10 kHz, in particular at least 100 kHz. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, die Schaltzeitpunkte für die Leistungshalbleiter (14, 15) für jede Schalthandlung zur berechnen.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to set the switching times for to calculate the power semiconductors (14, 15) for each switching operation. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, die Schaltzeitpunkte durch zwei Strommessungen zu bestimmen.Converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to determine the switching times by two current measurements. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, die Schaltzeitpunkte durch eine Strommessung in Kombination mit einer Berechnung zu bestimmen.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the control device (16) is designed to determine the switching times by means of a current measurement in combination with a calculation. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine oder beide Schalteinrichtungen (14, 15) einen Leistungshalbleiter umfassen, insbesondere einen GaN-basierten Schalter oder einen SiC-basierten Schalter.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which one or both switching devices (14, 15) comprise a power semiconductor, in particular a GaN-based switch or a SiC-based switch. Stromrichter (10, 50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalteinrichtungen (14, 15) jeweils genau einen Leistungshalbleiter umfassen.Power converter (10, 50) according to one of the preceding claims, in which the switching devices (14, 15) each comprise exactly one power semiconductor. Einphasiger Stromrichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Single-phase converter (10) according to one of the preceding claims. Dreiphasiger Stromrichter (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Three-phase converter (50) according to one of the Claims 1 until 10 . Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters (10, 50) zur elektrischen Wandlung, bei dem - eine erste und eine zweite Schalteinrichtung (14, 15) eine Serienschaltung bilden und mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz geschaltet werden, - Schaltzeitpunkte für das Einschalten und/oder Ausschalten für eine der Schalteinrichtungen (14, 15) bestimmt werden, wobei aus einem vorangehenden Einschaltzeitpunkt ein nächstfolgender Einschaltzeitpunkt oder aus einem vorangehenden Ausschaltzeitpunkt ein nächstfolgender Ausschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung ermittelt wird, der ein spannungsfreies Schalten bei möglichst geringer Stromwelligkeit ermöglicht, für diesen Einschaltzeitpunkt geprüft wird, ob er in einem festlegbaren zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Einschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt oder für diesen Ausschaltzeitpunkt geprüft wird, ob er in einem festlegbaren zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Ausschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt und wenn das nicht der Fall ist, den nächstfolgenden Einschaltzeitpunkt oder Ausschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung so festlegt, dass er den zeitlichen Mindestabstand nach dem vorangehenden Einschaltzeitpunkt oder Ausschaltzeitpunkt derselben Schalteinrichtung liegt.Method for operating a converter (10, 50) for electrical conversion, in which - a first and a second switching device (14, 15) form a series circuit and are switched with a frequency of at least 10 Hz, - Switching times for switching on and / or switching off one of the switching devices (14, 15) are determined, with a subsequent switching-on time being determined from a preceding switching-on time or a subsequent switching-off time of the same switching device being determined from a previous switching-off time, which enables voltage-free switching with the lowest possible current ripple makes it possible to check for this switch-on time whether it lies within a definable minimum time interval after the previous switch-on time of the same switching device or for this switch-off time it is checked whether it is within a definable minimum time interval after the previous switch-off time of the same switching device and if this is not the case , determines the next switch-on time or switch-off time of the same switching device in such a way that it sets the minimum time interval after the previous switch-on time or off switching time of the same switching device.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2148429A1 (en) 2008-07-25 2010-01-27 Honda Motor Co., Ltd. Inverter generator
US20120181997A1 (en) 2009-09-22 2012-07-19 Ragnar Jonsson Method and system for hysteresis control of a power circuit

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8503195B1 (en) * 2009-10-15 2013-08-06 Power-One, Inc. System and method for zero volt switching of half bridge converters during startup and short circuit conditions
CN109565239B (en) * 2016-03-19 2021-08-06 川斯普公司 Time-domain and frequency-domain signal conditioning apparatus, circuit arrangement, and method of making the same
EP3484040A1 (en) * 2017-11-09 2019-05-15 CE+T Power Luxembourg SA Inverter with ac forward bridge and improved dc/dc topology

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2148429A1 (en) 2008-07-25 2010-01-27 Honda Motor Co., Ltd. Inverter generator
US20120181997A1 (en) 2009-09-22 2012-07-19 Ragnar Jonsson Method and system for hysteresis control of a power circuit

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