用于使逆變器的電容器放電的設備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于操控逆變器的半導體開關的控制設備，具有：開關信號放大裝置，其被設計為對通過逆變器的控制調節(jié)裝置所產生的開關信號進行放大，并且產生以開關運行來操控半導體開關的第一開關控制信號；電流調節(jié)裝置，其與半導體開關的電流傳感器輸出端耦合，并且被設計為產生以線性運行來操控半導體開關的第二開關控制信號；和選擇裝置，其與開關信號放大裝置和電流調節(jié)裝置耦合，并且被設計為根據至少一個運行選擇信號要么輸出第一開關控制信號要么輸出第二開關控制信號來操控半導體開關的控制端子。
【專利說明】用于使逆變器的電容器放電的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于逆變器的半導體開關的控制設備和一種用于操控逆變器、尤其是用于運行處于緊急放電運行中的逆變器的方法。
【背景技術】
[0002]電動和混合動力交通工具常常在牽引電池和電機之間的驅動系統(tǒng)中具有一般構建為電壓中間電路變頻器的功率電子電路部件。在此，直流電壓中間電路充當牽弓I電池和逆變器之間的耦合構件，該逆變器可被操控用于將來自直流電壓中間電路的電功率傳輸給電機。
[0003]逆變器例如可以實施為具有一定數(shù)量的橋式分支的全橋電路，所述橋式分支每個都具有兩個半導體開關。在此，橋式分支的與直流電壓中間電路的第一輸出端子連接的半導體開關可以分別被稱為高壓側開關，并且橋式分支的與直流電壓中間電路的第二輸出端子連接的半導體開關可以分別被稱為低壓側開關。作為半導體開關在此可以例如使用具有反并聯(lián)的二極管的IGBT模塊(具有絕緣柵電極的雙極晶體管)或使用MOSFET (金屬氧化物場效應晶體管)。
[0004]為了操控逆變器使用為半導體開關產生開關信號的控制調節(jié)裝置。在故障情況下出于安全原因對控制調節(jié)裝置提出不同的要求。例如可能需要在故障情況下使電機的發(fā)動機繞組可靠地短路。這可以通過閉合所有的高壓側開關以及斷開所有的低壓側開關(或者相反地)來實現(xiàn)，這也被稱為“主動短路”。
[0005]此外在故障情況下有必要對直流電壓中間電路快速地和可靠地放電，尤其是在控制調節(jié)裝置的供給電壓失靈時也是如此。這可以通過緊急放電來實現(xiàn)。這樣的緊急放電被要求規(guī)范地在5秒鐘的最大緊急放電時間內，以便能夠確保交通工具的電運行安全性。
[0006]文獻US 2005/0231171A1公開了一種具有電發(fā)動機、脈沖逆變器和中間電路電容器的電驅動系統(tǒng)。所述中間電路電容器可以經由脈沖逆變器的對應的開關運行來受控地放電。

【發(fā)明內容】

[0007]根據一個方面，本發(fā)明提供一種用于操控逆變器的半導體開關的控制設備，具有:開關信號放大裝置，其被設計為對通過逆變器的控制調節(jié)裝置所產生的開關信號進行放大，并且產生以開關運行來操控半導體開關的第一開關控制信號；電流調節(jié)裝置，其與半導體開關的電流傳感器輸出端耦合，并且其被設計為產生以線性運行來操控半導體開關的第二開關控制信號；和選擇裝置，其與開關信號放大裝置和電流調節(jié)裝置耦合，并且其被設計為根據至少一個運行選擇信號要么輸出第一開關控制信號要么輸出第二開關控制信號來操控半導體開關的控制端子。
[0008]根據另一方面，本發(fā)明提供一種用于η相電機的驅動系統(tǒng)，其中η >1，該驅動系統(tǒng)具有:中間電路電容器，其與兩個輸入電壓端子連接；具有多個半導體開關的逆變器，該逆變器與中間電路電容器耦合，由該中間電路電容器饋送電能，并且被設計為產生用于所述電機的η相供給電壓；多個根據本發(fā)明的控制設備，這些控制設備分別被設計為產生用于逆變器的半導體開關的開關控制信號；和控制調節(jié)裝置，其與多個控制設備耦合并且被設計為產生用于逆變器的半導體開關的開關信號。
[0009]根據另一方面，本發(fā)明提供一種用于操控逆變器的方法，具有步驟:放大用于逆變器的每一個半導體開關的開關信號以產生多個分別以開關運行來操控半導體開關的第一開關控制信號；測量通過每個半導體開關的電流的電流強度；根據所測量的通過半導體開關的電流的電流強度產生多個分別以線性運行操控半導體開關的第二開關控制信號；以及根據用于每一個半導體開關的至少一個運行選擇信號選擇第一開關控制信號或第二開關控制信號來操控每一個半導體開關的控制端子。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明的構思在于，為電運行交通工具中的逆變器的半導體開關構造控制設備，該控制設備可以實現(xiàn)緊急放電，而不會依賴于附加的組件。緊急放電在此經由在逆變器中無論如何都存在的半導體開關執(zhí)行。由此省去了設置專用的緊急放電電路的必要性，這可以帶來顯著的成本和結構空間節(jié)省。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點是可以如下地操控構造有本發(fā)明控制設備的逆變器(該逆變器包括多個分別具有兩個半導體開關的橋式分支):至少一個運行選擇信號說明逆變器的緊急放電運行。在緊急放電運行中，利用第一開關控制信號來操控逆變器的低壓側開關一也就是每一個橋式分支的橋一側上的半導體開關，并且利用第二開關控制信號來操控逆變器的高壓側開關一也就是每一個橋式分支的橋另一側上的半導體開關。由此得出逆變器的輸入端子與逆變器的對應輸出端子經由以線性運行被操控的半導體開關的耦合，所述半導體開關于是作為電流調節(jié)器來運行。這所提供的優(yōu)點是，連接到逆變器的輸入端子上的中間電路電容器可以經由以線性運行的半導體開關快速和可靠地放電。
[0012]在此特別有利的是，一方面不必構造用于使中間電路電容器放電的另外的電路部件，這節(jié)省了空間和制造成本。另一方面，半導體開關無論如何都要非常良好地與周圍環(huán)境熱連接，從而經由逆變器使中間電路電容器放電不會引起驅動系統(tǒng)過熱。
[0013]根據一個實施方式，控制設備此外可以包括電流監(jiān)視裝置，該電流監(jiān)視裝置與半導體開關的電流傳感器輸出端和開關信號放大裝置耦合，并且被設計為當通過半導體開關的電流超過預定電流閾值時操控開關信號放大裝置以產生斷開半導體開關的第一開關控制信號。所述電流監(jiān)視裝置有利地提供了在操控處于開關運行中的半導體開關時的針對短路的保護。
[0014]根據另一實施方式，所述控制設備被設計用于操控IGBT開關。這所提供的優(yōu)點是，電流調節(jié)裝置與IGBT開關的集電極端子耦合并且由該集電極端子供給運行電壓。由此在操控逆變器時不需要附加的部件。
[0015]本發(fā)明實施方式的其他特征和優(yōu)點從參照附圖的以下描述中得出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出根據本發(fā)明一個實施方式的交通工具的電驅動系統(tǒng)的示意圖；
圖2示出根據本發(fā)明另一個實施方式的用于半導體開關的控制設備的示意圖；以及 圖3示出根據本發(fā)明另一個實施方式的用于操控逆變器的方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出交通工具的電驅動系統(tǒng)100的示意圖。該電驅動系統(tǒng)100包括兩個輸入端子T +和T 一，它們可以例如通過交通工具的儲能裝置如高壓電池或牽引電池被供給高壓。輸入端子T+和T-與具有中間電路電容器2的直流電壓中間電路連接。該中間電路電容器2經由輸出端子與逆變器10、例如脈沖逆變器10的輸入端子連接。圖1中所示的具有中間電路電容器2和逆變器10的電壓中間電路變頻器示例性地示出為三相變頻器，也就是說，逆變器10包括分別具有兩個半導體開關的三個橋式分支。第一橋式分支例如包括半導體開關Ia和ld，第二橋式分支例如包括半導體開關Ib和le，并且第三橋式分支例如包括半導體開關Ic和If。在此，橋一側的半導體開關la、lb、Ic被稱為聞壓側開關,而橋另一側的半導體開關Id、le、lf被稱為低壓側開關。在此應當清楚的是，電壓中間電路變頻器的任何其他的橋式分支數(shù)或相數(shù)同樣是可行的，并且半導體開關Ia至If僅僅是示例性地被選擇稱為高壓側開關和低壓側開關。
[0018]圖1中所示的半導體開關Ia至If在此可以例如具有場效應晶體管(FET)。在一個可能的實施方式中，半導體開關分別是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)，但是同樣可以設置對應形式的其他半導體開關，例如JFET (結型場效應晶體管)或者MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)形式的半導體開關。當半導體開關Ia至If具有IGBT開關時，可以規(guī)定，將IGBT開關中的每一個與在圖1中出于清楚原因而沒有示出的二極管反并聯(lián)。
[0019]電驅動系統(tǒng)100還具有控制調節(jié)裝置50，該控制調節(jié)裝置被設計為產生開關信號5a至5f，所述開關信號對半導體開關Ia至If的開關式操控進行編碼。當半導體開關Ia至If應當斷開時，開關信號5a至5f在此可以例如具有邏輯為低的電平，并且當半導體開關Ia至If應當閉合時，所述開關信號5a至5f可以具有邏輯為高的電平?？刂普{節(jié)裝置50將開關信號5a至5f饋入到對應的控制設備4a至4f中，這些控制設備分別負責半導體開關Ia至If的操控。下面闡述控制設備4a與所分配的半導體開關Ia的耦合，其中其余控制設備4b至4f中的每一個可以對應地耦合。
[0020]控制設備4a具有控制輸出端，經由該控制輸出端操控信號7a可以被輸出到半導體開關Ia的控制端子，以便控制半導體開關Ia的運行。經由電流測量信號9a，控制設備4a可以檢測通過半導體開關Ia的電流的電流強度。此外，控制設備4a可以經由供給線路8a被供給由半導體開關Ia的線路端子所提供的電壓。當半導體開關Ia具有IGBT開關時，可以規(guī)定，供給線路8a與IGBT開關的集電極端子耦合。
[0021]圖2示出用于半導體開關I的控制設備4的示意圖。尤其是在圖2中以較高詳細度示出了控制設備4a至4f以及所屬的半導體開關Ia至If的示例性實施方式。在圖2中所使用的附圖標記在此可以分別配備a至f的字母，以便表示圖1中所示的電驅動系統(tǒng)100的相應部件。
[0022]控制設備4用于操控半導體開關1、尤其是逆變器的半導體開關I。半導體開關I在圖2中示例性地作為IGBT開關示出，該IGBT開關僅具有集電極端子U、發(fā)射極端子12、柵極或控制端子13以及電流傳感器輸出端14。經由電流傳感器輸出端14可以引出電流測量信號9，該電流測量信號說明目前流經IGBT開關I的電流的電流強度。IGBT開關I可以經由控制端子13通過施加具有確定電壓電平的對應操控信號7而被操控在不同的運行模式中。在開關運行中，IGBT開關I可以僅僅在截止或飽和區(qū)域中運行，也就是說，IGBT開關I要么是完全截止的要么是完全導通的。而在線性或激活運行中，IGBT開關I可以在放大區(qū)域中運行，也就是說，通過IGBT開關I的電流的電流強度與施加在控制端子處的電壓成標度比例或者基本上成比例。
[0023]控制設備4具有開關信號放大裝置15，其被設計為放大開關信號5以及產生第一開關控制信號25。開關信號5例如可以通過逆變器100的控制調節(jié)裝置50產生。開關控制信號25用于以開關運行操控半導體開關I。
[0024]控制設備4此外具有電流調節(jié)裝置18，其與半導體開關I的電流傳感器輸出端14耦合并且被設計為產生第二開關控制信號28，該第二開關控制信號以線性運行操控半導體開關I。為此，電流調節(jié)裝置18可以根據流經半導體開關I的電流的電流強度來調節(jié)第二開關控制信號28。有利地，電流調節(jié)裝置18可以為此使用電流測量信號9，該電流測量信號9已經被在下面闡述的電流監(jiān)視裝置16使用。電流調節(jié)裝置18可以例如與IGBT開關I的集電極端子11耦合并且從該集電極端子11被供給運行電壓。這使得電流調節(jié)裝置18能夠與控制調節(jié)裝置5的電壓供給無關地在控制調節(jié)裝置5的故障情況下也按規(guī)定工作。
[0025]控制設備4此外具有選擇裝置17，該選擇裝置與開關信號放大裝置15和電流調節(jié)裝置18耦合。選擇裝置17用于選擇第一開關控制信號25或者第二開關控制信號28以輸出用于半導體開關I的控制端子13的操控信號7。該選擇在此可以根據至少一個運行選擇信號6來進行。一個或多個運行選擇信號6可以例如由電驅動系統(tǒng)100的不同部件產生，這些部件可以表示逆變器10的故障情況并且因此可以表示逆變器10的緊急運行模式的激活。運行選擇信號6例如可以包括控制調節(jié)裝置的控制信號、高壓電池的供給電壓信號或者其他的傳感器信號。
[0026]控制設備4可以具有電流監(jiān)視裝置16，該電流監(jiān)視裝置與半導體開關I的電流傳感器輸出端14和開關信號放大裝置15耦合。電流監(jiān)視裝置16可以實現(xiàn)短路電流監(jiān)視，也就是說，電流監(jiān)視裝置16可以根據電流測量信號9來識別流經半導體開關I的電流的電流強度是否超過預定的電流閾值。當識別出這樣的電路電流時，電流監(jiān)視裝置16可以操控開關信號放大裝置15來產生斷開半導體開關I的開關控制信號25。由此，可以在可能由于過高的電流而出現(xiàn)功率電子器件受損之前斷開半導體開關I。
[0027]利用控制設備4可以要么以線性運行要么以開關運行來操控IGBT開關I。這尤其是使得能夠在這樣被操控的逆變器中建立緊急放電運行，由此可以有利地進行向逆變器饋電的中間電路電容器的快速放電。在此特別有利的是，逆變器的已經存在的部件可以被用于放電，而不必構造如可開關電阻等等的附加的電路或放電元件。
[0028]線性運行例如可以通過如下方式實現(xiàn)，即用于半導體開關I的控制端子13的操控信號7具有如下電壓值，該電壓值位于用于接通半導體開關I的電壓值和用于關斷半導體開關I的電壓值之間?？商鎿Q地，線性運行例如可以通過如下方式來實現(xiàn)，即用于半導體開關I的控制端子13的操控信號7被升高到用于接通的電壓值預定義的短的時間段，并且之后又被降低到用于關斷半導體開關I的電壓值。該時間段在此可以這樣來選擇，即在半導體開關I到達全導通之前再次關斷該半導體開關I。
[0029]圖3示出用于操控逆變器、尤其是圖1中所示的電運行交通工具的電驅動系統(tǒng)100中的逆變器10的方法30的示意圖。該方法30在第一步驟中包括放大用于逆變器的每一個半導體開關的開關信號以產生多個第一開關控制信號，所述開關控制信號分別以開關運行來操控一個半導體開關。在第二步驟中對通過每一個半導體開關的電流的電流強度進行測量。例如可以通過檢測半導體開關的電流測量輸出端的輸出信號來確定通過該半導體開關的電流的電流強度。
[0030]在第三步驟33中根據所測量的、通過半導體開關的電流的電流強度產生多個第二開關控制信號，所述第二開關控制信號分別以線性運行操控一個半導體開關。半導體開關的線性運行可以包括在激活的放大區(qū)域中運行半導體開關，也就是說，半導體開關可以以電流調節(jié)模式運行。
[0031]在第四步驟34中根據用于每一個半導體開關的至少一個運行選擇信號來選擇第一開關控制信號或者第二開關控制信號以用于操控每一個半導體開關的控制端子。所述選擇在此可以如此做出，即在逆變器的所有半導體開關的操控的相互配合中實現(xiàn)確定的運行模式。例如可以通過以開關運行來運行所有的半導體開關——也就是說通過為所有半導體開關分別選擇第一開關控制信號——來激活逆變器的正常運行模式。當不存在故障情況時，所述正常運行模式例如可以包括逆變器的常規(guī)操控。
[0032]同樣地，可以在出現(xiàn)故障以后，例如在控制調節(jié)裝置的電壓供給失靈的情況下、在交通工具發(fā)生事故的情況下或者在危及電驅動系統(tǒng)的運行安全性的其他狀況下，激活多個緊急運行狀態(tài)之一。例如在“主動短路”的模式中，每一個半導體開關都可以以開關運行來運行，使得橋式分支的橋一側的所有半導體開關——例如高壓側開關一一被置于閉合狀態(tài)，而橋式分支的橋另一側的所有半導體開關——例如低壓側開關——被置于斷開狀態(tài)。可以理解，對高壓側開關和低壓側開關的操控也可以分別相反地來進行。
[0033]由此可以經由閉合的半導體開關安全地和可靠地使電機短路。
[0034]可替換地，在故障情況下可以經由逆變器的半導體開關使中間電路電容器快速放電。為此可以將橋式分支的橋一側的所有半導體開關——例如高壓側開關——置于斷開狀態(tài)。其他的半導體開關一例如低壓側開關一在此可以分別替代以開關運行而以線性運行或激活運行來被操控，使得這些半導體開關充當電流調節(jié)器。可以理解，對高壓側開關和低壓側開關的操控也可以分別相反地來進行。
[0035]由此可以經由以線性運行的半導體開關使中間電路電容器放電。半導體開關在此可以與冷卻裝置或電驅動系統(tǒng)的周圍空氣熱連接，使得在放電時形成的熱量可以快速和安全地被引出。
【權利要求】
1.用于操控逆變器(10)的半導體開關(1)的控制設備(4)，具有: 開關信號放大裝置(15)，其被設計為對通過逆變器(100)的控制調節(jié)裝置(50)所產生的開關信號(5)進行放大，并且產生以開關運行來操控半導體開關(1)的第一開關控制信號(25)； 電流調節(jié)裝置(18)，其與半導體開關(1)的電流傳感器輸出端(14)耦合，并且被設計為產生以線性運行來操控半導體開關(1)的第二開關控制信號(28);和 選擇裝置(17)，其與開關信號放大裝置(15)和電流調節(jié)裝置(18)耦合，并且被設計為根據至少一個運行選擇信號(6)要么輸出第一開關控制信號(25)要么輸出第二開關控制信號(28 )來操控半導體開關(1)的控制端子(13 )。
2.根據權利要求1所述的控制設備(4)，其中線性運行通過如下方式實現(xiàn)，即利用如下電壓值來操控半導體開關(1)的控制端子(13)，所述電壓值位于用于接通半導體開關(1)的電壓值和用于關斷半導體開關(1)的電壓值之間，或者其中線性運行通過如下方式實現(xiàn)，即半導體開關(1)的控制端子(13)被升高到用于接通的電壓值預定義的時間段，并且之后又在半導體開關(1)到達全導通之前被降低到用于關斷半導體開關(1)的電壓值。
3.根據權利要求1或2所述的控制設備(4)，此外具有: 電流監(jiān)視裝置(16)，其與半導體開關(1)的電流傳感器輸出端(14)和開關信號放大裝置(15)耦合，并且其被設計為當通過半導體開關(1)的電流超過預定電流閾值時操控開關信號放大裝置(15)以產生斷開半導體開關(1)的第一開關控制信號(25)。
4.根據權利要求3所述的控制設備(4)，其中所述電流監(jiān)視裝置(16)被設計為當以線性運行操控半導體開關(1)時操控開關信號放大裝置(15)來產生斷開半導體開關(1)的第一開關控制信號(25)。
5.根據權利要求1至4之一所述的控制設備(4)，其被設計用于操控IGBT開關(1)。
6.根據權利要求5所述的控制設備(4)，其中電流調節(jié)裝置(18)與IGBT開關(1)的集電極端子(11)耦合并且由該集電極端子(11)供給運行電壓。
7.用于n相電機(3)的驅動系統(tǒng)(100)，其中n≥1，該驅動系統(tǒng)具有: 中間電路電容器(2)，其與兩個輸入電壓端子(Τ+ ；Τ-)連接； 具有多個半導體開關(la，…，1f)的逆變器(10)，該逆變器與中間電路電容器(2)耦合，由該中間電路電容器(2)饋送電能，并且被設計為產生用于所述電機(3)的n相供給電壓； 多個分別根據權利要求1至6之一所述的控制設備(4a，…，4f)，其分別被設計為產生用于逆變器(10)的半導體開關(la，…，1f)的開關控制信號(7a，…，7f);和 控制調節(jié)裝置(50)，其與多個控制設備(4a，…，4f)耦合并且被設計為產生用于逆變器(10)的半導體開關(1a,…，1f )的開關信號(5a,…，5f)。
8.根據權利要求7所述的驅動系統(tǒng)(100)，其中所述半導體開關(la，…，1f)是IGBT開關。
9.用于操控逆變器(100)的方法(30)，具有步驟: 放大(31)用于逆變器(10)的每一個半導體開關(la,…，1f )的開關信號(5a,…，5f)以產生多個分別以開關運行來操控半導體開關(la，…，1f)的第一開關控制信號； 測量(32)通過每個半導體開關(la，…，1f)的電流的電流強度；根據所測量的通過半導體開關(la，…，If)的電流的電流強度產生(33)多個分別以線性運行操控半導體開關(la，…，If)的第二開關控制信號；以及 根據用于每一個半導體開關(la，…，If)的至少一個運行選擇信號(6a，…，6f)選擇(34)第一開關控制信號或第二開關控制信號來操控每一個半導體開關(la，…，If)的控制端子。
10.根據權利要求9所述的方法(30)，其中所述逆變器(10)包括多個分別具有兩個半導體開關(la，…，If)的橋式分支，其中所述至少一個運行選擇信號說明逆變器(10)的緊急放電運行，并且其中分別針對每一個橋式分支的一個半導體開關(la，lb，Ic)選擇第一開關控制信號并且 分別針對每一個橋式分支的另一個半導體開關(ld，le，If)選擇第二開關控制信號來操控相應的控制端子。
【文檔編號】H02M1/32GK103843216SQ201280048829
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年8月10日 優(yōu)先權日:2011年10月4日
【發(fā)明者】A.肖恩克內特 申請人:羅伯特·博世有限公司