用于电机的变流器以及用于控制功率开关的方法

用于电机的变流器以及用于控制功率开关的方法
【专利摘要】在此说明了一种用于电机的变流器。功率开关（T1）包括为了形成功率开关而相互连接的至少两个半导体器件（9，10）。至少一个控制电路（C1，C2，14）与至少一个功率开关（T1）关联，并且各与所述至少两个半导体器件（9，10）的控制输入端连接，用于借助相应的开关信号（S1，S2）来选择性地接通和关断所述半导体器件。开关信号（S1，S2）根据功率开关（T1）的开关损耗以及导通损耗来产生。
【专利说明】用于电机的变流器以及用于控制功率开关的方法
[0001]本发明涉及一种用于电机的变流器以及一种用于控制功率开关的方法。
[0002]三相交流电机、尤其是同步电机和异步电机为了其可控的运行而需要交流电压，该交流电压优选在幅度和频率上能够可变地调节。为此，设置了一种功率电子设备，其由直流电压来馈电。直流电压至在幅度和频率方面可变的交流电压的转换例如借助变流器通过脉宽调制来进行。在此，术语变流器和功率电子设备在当前同义地使用。功率电子设备在电机的端子上提供由调节装置预先给定的预定电压。在多相电机的情况下，由功率电子设备相应地提供多个电气相。调节装置借助所测量的电机量例如电压和电流来确定预定值。
[0003]如果电机三相地实施,则功率电子设备例如包括三个半桥，它们分别包括功率开关。为了将直流电压转换为交流电压，功率半导体被按时钟地接通和关断。在运行中，在功率电子设备中形成电损耗，其包括导通损耗和开关损耗。导通损耗通过如下方式引起:功率开关在接通状态中并不是表现为理想的低欧姆值，也就是说，具有不同于O的导通电阻。例如，功率开关具有与电流非线性相关的瞬时电阻。
[0004]而开关损耗的原因在于功率开关中的载流子，其在开关过程期间必须被重新加载。开关损耗尤其是与要切换的电流、直流电压、开关频率以及功率开关的温度相关。
[0005]本发明的任务是，说明一种用于电机的变流器，其尤其是在电机的部分负载范围中能够实现改善效率。此外，本发明的任务是，说明一种用于控制功率开关的方法，其中改善了效率。
[0006]该任务借助独立权利要求的主题来解决。扩展方案和改进方案在从属权利要求中说明。
[0007]在一个实施形式中，说明了一种用于电机的变流器。该变流器包括至少一个功率开关。功率开关包括为了形成其而相互连接的至少两个半导体器件。至少一个控制电路与至少一个功率开关关联，并且各与所述至少两个半导体器件的控制输入端连接。由此可能的是，半导体器件借助相应的开关信号来选择性地并且相互独立地接通或者关断。开关信号根据功率开关的开关损耗以及导通损耗来产生。
[0008]借助所提出的原理，可能的是，实际上改变功率开关的活动(aktive)芯片面积。功率开关的活动芯片面积改变了其导通损耗和其开关损耗。
[0009]包括开关损耗和导通损耗的总损耗可以被最小化，方式是激活相应最有利的数目的半导体器件，并且将功率开关的其他半导体器件分别去激活。仅仅各活动的半导体器件引导负载方面的电流以及将其切换。
[0010]由此可能的是，尤其是在电机的部分负载运行中显著地减少功率电子设备的电损耗。这又改善了效率。
[0011]在所提出的原理的一个实施形式中，在电机的整个工作范围中都存在功率开关的开关损耗和导通损耗的相应的特性曲线，并且存放在存储装置中。存储装置被控制电路所包括。开关信号根据这些特性曲线的分析来产生，其中分别将电损耗(其包括导通损耗和功率损耗)的总值针对电机的相应的工作状态而最小化。
[0012]在一个实施形式中，在第一近似中，代表导通损耗的特性曲线与所述至少一个功率开关的半导体器件的总活动芯片面积成反比。代表开关损耗的特性曲线与所述至少一个功率开关的半导体器件的活动芯片面积之和近似成比例。开关信号被产生为使得功率开关的总损耗分别为最小，其中该总损耗包括导通损耗和开关损耗。这意味着，功率开关的活动晶体管面积分别按照电机的功率要求来改变。
[0013]代表导通损耗和开关损耗的特性曲线例如可以存放在特性曲线族中，或者借助计算单元以及预先确定的计算规则在运行中计算。
[0014]每个功率开关可以关联有二极管。该二极管也称为空转二极管。二极管优选与功率开关并联连接。
[0015]与将功率开关划分为多个优选相互并联的半导体器件一样，也可以将相应的二极管相应地划分为并联连接的子二极管。
[0016]控制电路优选包括多个控制开关，其中每个半导体器件分别关联有控制开关。分别关联的控制开关用于借助相应的开关信号单独地接通和关断关联的半导体器件。控制开关在负载侧连接在驱动器和相应关联的半导体器件的控制输入端之间，并且在控制侧与控制单元连接。驱动器例如可以提供脉宽调制的信号，借助其可以产生可变的交流电压。
[0017]可替选地，每个半导体器件为了其控制可以关联有驱动器，该驱动器又可以由控制电路通过控制开关来单独地接通和关断。
[0018]功率开关的半导体器件例如是IGBT、绝缘栅双极性晶体管。可替选地，可以使用其他功率半导体例如MOSFET或者JFET。
[0019]优选相互并联的、被功率开关所包括的多个半导体器件例如可以全部大小相同或者例如二进制地分级，并且借助相应的代码来控制。
[0020]组合也是可能的，例如借助二进制分级的半导体器件的粗调节和借助同样大小的半导体器件的细调节的组合。在此，大小或者分级分别涉及半导体器件的活动芯片面积，其最终确定导通损耗和开关损耗。
[0021]为了控制三相电机，变流器可以总共包括六个功率开关，他们分别布置在半桥中，并且分别包括两个功率开关的串联电路。在该功率电子设备上的输入侧例如布置有平滑电容器。在该平滑电容器之前可以连接有整流器，使得电容用作中间回路电容器。
[0022]根据所提出的原理的方法在一个实施形式中包括控制功率开关，该功率开关包括多个并联的半导体器件。在此，在确定的工作状态中，确定功率开关的导通损耗以及功率开关的开关损耗，或者事先确定并且存放在特性曲线族中或者存储器中。对于相应的工作状态，将导通损耗与开关损耗比较。根据比较结果激活或者去激活功率开关的各半导体器件。
[0023]由此可能的是，将功率开关中的总的电损耗在整个工作范围上分别保持尽可能小。
[0024]例如，如果导通损耗大于开关损耗时，可以增大功率开关的活动芯片面积，或者如果导通损耗小于或者等于开关损耗时，可以减小功率开关的活动芯片面积。功率开关的活动芯片面积由半导体器件的活动芯片面积之和确定，其被功率开关所包括并且在相应的工作状态中激活。分别被去激活的半导体器件实际上对于当前的导通损耗和开关损耗没有贡献。
[0025]下面借助附图用多个实施例来进一步阐述本发明。在此:
[0026]图1示出了根据所提出的原理的电驱动系统的原理构造，[0027]图2示出了根据所提出的原理的功率电子设备的示例性的构造，
[0028]图3示出了根据所提出的原理的变流器的一个实施例，如其在图1和图2中可以使用的那样，
[0029]图4示出了根据所提出的原理的用于控制功率开关的流程图的一个实施例，
[0030]图5示出了根据所提出的原理的用于控制功率开关的流程图的另一个实施例，
[0031]图6示出了根据所提出的原理的用于控制功率开关的流程图的附加例子。
[0032]图1示出了带有电机I和变流器2的电驱动装置的一般的构造。变流器2也可以称作功率电子设备。此外设置了调节装置3。电机I在该例子中是三相电机，其由三个电气相U、V、W馈电。在电机的输出侧形成转动轴。电机I可以用发电机的方式或者电动机的方式工作。相应地，变流器作为整流器或者逆变器工作。在电动机方式的运行中由直流电压Udc借助变流器2来提供三个电气相U、V、W。直流电压至可变交流电压的转换借助脉宽调制来进行，其中该转换可以在三个相U、V、W中在幅度和频率方面可变地设置。调节装置3检测电机I的所测量的量例如在所有三个相U、V、W中的电流和电压，并且由此确定针对三个相U、V、W的电压和频率的预定值。
[0033]图2用一个例子示出了图1的变流器2。在输入侧示出了平滑电容器。该平滑电容器例如用于将高次谐波平滑，其中这些高次谐波会通过变流器中的功率开关Tl至T6的按时钟运行而形成。
[0034]变流器包括三个半桥4、5、6。每个半桥4、5、6包括两个功率开关Tl、T2 ;Τ3、Τ4 ；Τ5、Τ6的串联电路，其分别包括至少一个晶体管。每个功率开关!1、了2、了3、了4、了5、了6都反向并联有二极管。分别形成半桥的功率开关的串联电路在其所控制的段方面串联并且连接在供电电势端子7和参考电势端子·8之间。直流电压UDC降落在这些电势之间。在半桥4、
5、6的串联连接的功率开关之间的相应中央截取节点上形成变流器的三个输出端子，在其上可以截取在电压和频率的大小方面能够调节的三个电气相U、V、W。
[0035]二极管的反向并联电路在此意味着，二极管在其极性上与直流电压UDC的极性相反地连接。
[0036]通过功率开关Tl至Τ6的适当的开关，将直流电压UDC转换为三相的交流电压U、V、W。在此，使用脉宽调制。所示的功率开关Tl至T6分别包括至少一个作为IGBT(绝缘栅双极性晶体管)实施的功率半导体，其在此称为半导体器件。功率开关Tl至T6在功率电子设备中也称为阀(Ventil)。每个阀通过自己的驱动电子设备来被供给电能，如稍后还要具体阐述的那样。在此，在IGBT的栅极接触部和发射极接触部之间存在的用于接通功率半导体的电容被充电到例如15V，并且为了关断例如以-15V来放电或者接地。如图2所示，在三相功率电子设备情况下需要六个驱动模块，其与六个阀关联。
[0037]阀由于其作为半导体的构造而在接通状态中并非表现为理想地低阻值。其具有不同于零的导通电阻。功率开关具有与电流非线性相关的瞬时电阻。该特性也适于二极管。
[0038]通过功率电子设备的按时钟运行此外还出现开关损耗，其通过在功率半导体中的载流子的重新加载过程而引起。开关损耗主要取决于要切换的电流的大小、中间回路的直流电压、半导体芯片的开关频率和温度。
[0039]在端子7、8上的直流电压理解为中间回路电压，因为其通常由交流电压网的交流电压产生。为此，可以将另一变流器连接到供电网络和端子7、8之间。[0040]导通损耗和开关损耗导致对功率开关的加热。所形成的热必须通过热耦合到冷却系统来散发，由此不超过在功率半导体中的所允许的最高温度，并且由此可以避免损毁功率半导体。
[0041]图3示出了根据图2的阀的实施形式。示例性地，示出了第一阀包括功率开关Tl和并联的二极管D1。其他的功率开关T2至T6同样可以如图3中所示的构建。
[0042]图3中的功率开关在该例子中包括四个相互并联的半导体器件9、10、11、12。它们分别作为IGBT实施，即作为带有绝缘的控制电极(栅极)的双极性晶体管来实施，其中所有发射极端子和所有集电极端子分别相互连接。半导体器件9至12的栅极端子能够借助相应的开关信号S1、S2、S3、S4单独地控制。二极管Dl包括四个并联的二极管。半导体器件9至12的栅极端子通过控制开关C1、C2、C3、C4与驱动器13的输出端连接。控制开关Cl、C2、C3、C4的控制端子单独地与控制单元14连接。控制单元14例如可以由调节装置3根据电机的实际量来控制。该控制稍后还要进一步阐述。
[0043]在可替选的实施形式中并且因为二极管不能被单独地控制并且由此改变活动芯片面积不可能，续流路径也可以通过四倍芯片面积的唯一的分立二极管来实现。
[0044]借助所提出的将功率开关分为多个半导体器件，可能的是，改变要连接的晶体管的数目及其芯片大小。因此，可以使用分别相同芯片面积的晶体管9至12。可替选地，晶体管9至12可以具有不同的芯片面积，例如二进制地分级。进一步可替选的是，可能的是，将半导体器件9至12的活动芯片面积与不同的、可确定的工作点的停留可能性匹配。
[0045]关于上面阐述的功率开关的导通损耗方面已经确定的是，其具有与电流非线性相关的瞬时电阻。功率开关的导通特性曲线可以通过切线来近似，并且由此用解析方法来计算。在此假设的是，在正弦形电压馈入的情况下电机以正弦形电流来反应，这在正弦形馈电的电机情况下是允许的。由此，可以确定代表导通损耗的特性曲线，其良好近似地与功率开关Tl的半导体器件9至12的活动芯片面积之和成反比。
[0046]相应地，可以关于开关损耗方面分别与电流和温度相关地提供特性曲线族，借助其可以确定开关损耗。开关频率和中间回路电压的影响在此可以线性地模仿。代表开关损耗的特性曲线在第一近似中与功率开关Tl的半导体器件9至12的活动芯片面积之和成比例。
[0047]在一个传统的功率电子设备情况下，在部分负载区域中的效率随着变小的功率而明显降低。随着电机的较小的电功率虽然导通损耗不成比例地降低，然而开关损耗并不与驱动功率相同程度地下降。这是在该部分负载范围中功率电子设备的效率劣化的一个主要原因。在此，消除了该问题。每个阀的并联的半导体器件的数目并非在电机的整个工作范围上是恒定的，而是在运行期间例如根据负载而改变。开关损耗与半导体器件中的要重新加载的载流子成比例。其与半导体器件的芯片面积成比例。较小的活动芯片面积于是也意味着较小的开关损耗。在该方式中，虽然导通损耗在相同的相电流情况下由于减小了活动芯片面积而变得略微更高，然而在该部分负载范围中的升高具有明显小于开关损耗降低的影响。
[0048]在实际的构造中，所描述的控制方法意味着在功率电子设备的功率路径中以及在驱动模块上没有改变。仅仅在功率开关的半导体器件之前设置了附加的具有较低功效的开关，即控制开关Cl至C4。此外，对于附加的开关Cl至C4的控制装置是必须的，其设置有附图标记14，并且例如具有用于根据工作状态来将功率电子设备的总损耗优化的算法。可替选地，在那里可以存放特性曲线族。借助所提出的原理，可以相应地将根据图1的带有控制装置的电机和根据图2的功率电子设备的基本构造保持不变，这保证了成本低廉的实施。
[0049]所提出的解决方案不需要附加的无源器件和另外的功率半导体。所描述的原理在根据图1的配置情况下能够选择性地在电流调节装置或者转速调节装置中运行。因为大多数的驱动装置并非持续地在最大功率点或者额定功率点中运行，所以在部分负载范围中改善的效率是特别有利的。由此，整体上可以明显改善电机的效率。
[0050]在控制单元14中用于控制活动芯片面积的控制算法匹配时，可以进行与晶体管配置的匹配，以便实现功率电子设备的最优效率。可以任选地附加地一同考虑晶体管的热特性。例如，可以在提高负载情况下始终将相同的晶体管接通。由此在功率电子设备模块上(其可以包括根据图3的功率电子设备)不均匀的热形成会由不均匀的冷却来对抗。可替选地，相同分布的或者随机的接通是可能的。
[0051]在变流器中除了导通损耗和开关损耗之外还出现的驱动器损耗对于当前的考察方式而言被忽略。
[0052]所基于的出发点是，功率开关的开关频率例如在直至20kHz的范围中。
[0053]所提出的控制装置14的原理的工作原理在下面要借助示例性的流程图来进一步阐述。如已经表明的那样，控制单元14可以包括基于硬件和/或软件的、用于分别损耗优化地确定活动芯片面积的实现。这可以通过一个或者多个特性曲线族和/或算法来实现。图4在一个实施例中示出了这种情况。功率电子设备的状态量用作第一步骤41中的输入量。对于稳定的运行，当前的量、即实际值是足够的。任选地，可以附加地采用预定值、即瞬时过渡的所希望的状态。在借助一个或者多个特性曲线族来实现的情况中，最优的活动芯片面积借助输入量通过特性曲线族直接在步骤42中确定。在步骤43中实现的控制装置的输出确定了活动芯片面积的最优大小，并且确定了如下选择:半导体器件9至12的哪些被激活并且哪些被去激活。相应地，控制其他的、具有相应的根据图3的构造的阀。
[0054]当对此可替选地借助算法来确定活动芯片面积时，设置有两种可能性。在图5中所示的第一实现可能性中，从在步骤51中所确定的输入量出发，确定开关损耗和导通损耗(步骤52)。开关损耗和导通损耗在此相互分离地确定。该确定可以基于特性曲线族或者计算。在接下来的步骤53中，根据步骤52的结果来决定是否以及借助何种符号来改变活动芯片面积，也即是否将活动芯片面积减小、增大或者维持。如果开关损耗大于导通损耗，则减小芯面积。而如果开关损耗小于导通损耗，则增大芯片面积。活动芯片面积的变化在步骤54中进行。随后，对于改变的芯片面积又确定开关损耗并且与此独立地确定导通损耗，使得得到迭代的过程。在多次迭代之后，出现最优的活动芯片面积。这可以称为逐次逼近。前提是，输入量相对于迭代速度仅仅缓慢地变化。
[0055]对于这种方式的一种可替选方案在图6中示出。在第一步骤61中，如已经针对图4借助步骤41以及针对图5借助步骤51所描述的那样，确定输入量。在随后的步骤62中，针对不同的活动芯片面积计算总损耗，尤其是借助当前的芯片面积A、增大的芯片面积A +ΔΑ以及减小的芯片面积Α-ΛΑ来计算总损耗。如果借助增大的芯片面积的总损耗小于借助当前芯片面积的总损耗，则增大活动芯片面积。而如果借助较小的芯片面积的总损耗小于当前的芯片面积，则减小当前的芯片面积(步骤63，64)。接着，在步骤62中又针对变化的活动芯片面积确定总损耗。在此也设置了迭代过程，其中在足够频繁的重复情况下设置最优的活动芯片面积。这里也给出了如下前提条件:输入量仅仅缓慢地相对于迭代速度而变化。
[0056]在图5的实施形式中以及在图6的实施形式中都进行了对由于半导体器件的离散数目导致的活动芯片面积的可能分级的化整(Rundung)，其中进行化整而保证了可靠的运行。而在根据图4的基于特性曲线族的方法中，可以在特性曲线族中已经包含这种化整或者相应的量化。
[0057]附图标记表
[0058]I 电机
[0059]2 变流器
[0060]3 调节装置
[0061]4 半桥
[0062]5 半桥
[0063]6 半桥
[0064]7 直流电压端子
[0065]8 参考电压端子
[0066]9 半导体器件
[0067]10半导体器件
[0068]11半导体器件
[0069]12半导体器件
[0070]13驱动器
[0071]14控制单元
[0072]Cl控制开关
[0073]C2控制开关
[0074]C3控制开关
[0075]C4控制开关
[0076]SI开关信号
[0077]S2开关信号
[0078]S3开关信号
[0079]S4开关信号
[0080]41确定输入量
[0081]42根据特性曲线族确定损耗
[0082]43确定最有利的芯片面积
[0083]51输入量确定
[0084]52确定开关损耗和导通损耗
[0085]53确定芯片面积的改变
[0086]54改变芯片面积
[0087]61输入量确定
[0088]62确定总损耗[0089]63确定芯片面积的改变
[0090]64改变芯片面积
【权利要求】
1.一种用于电机的变流器，包括: 一至少一个功率开关(Tl)，该功率开关包括为了形成功率开关而相互连接的至少两个半导体器件(9，10)， 一至少一个控制电路(Cl，C2，14)，其与所述至少一个功率开关(Tl)关联，并且分别与所述至少两个半导体器件(9，10)的控制输入端连接，用于借助相应的开关信号(S1，S2)来选择性地接通和关断所述半导体器件， 一其中所述开关信号(SI，S2)根据功率开关(Tl)的开关损耗以及导通损耗来产生。
2.根据权利要求1所述的变流器， 其中所述至少一个控制电路(C1，C2，14)包括存储装置，其中存放有在电机的部分负载范围中功率开关的开关损耗和导通损耗的相应的特性曲线，并且所述开关信号(SI，S2)根据对这些特性曲线的分析而产生。
3.根据权利要求2所述的变流器， 其中代表导通损耗的特性曲线与所述至少一个功率开关(Tl)的半导体器件(9，10)的活动芯片面积之和成反比，并且其中代表开关损耗的特性曲线与所述至少一个功率开关(Tl)的半导体器件(9，10)的活动芯片面积之和成比例，并且所述开关信号(S1，S2)被产生为使得功率开关(Tl)的总损耗为最小。
4.根据权利要求2或3所述的变流器， 其中所述特性曲线存放在至少一个特性曲线族中。
5.根据权利要求2或3·所述的变流器， 其中所述特性曲线在运行时在计算单元中借助预先确定的计算规则来计算。
6.根据权利要求1至5之一所述的变流器， 其中为了形成功率开关(Tl)而相互连接的至少两个半导体器件(9，10)相互并联。
7.根据权利要求1至6之一所述的变流器， 其中每个功率开关(Tl)关联有二极管(D1)，并且所述二极管与功率开关(Tl)并联连接。
8.根据权利要求1至7之一所述的变流器， 其中控制电路(Cl，C2，14)包括至少两个控制开关(Cl，C2)，其中每个控制开关(Cl，C2)分别关联有半导体器件(9，10)，并且用于借助相应的开关信号(SI，S2)选择性地接通和关断半导体器件(9，10)，其中控制开关(C1，C2)在负载侧连接在驱动器(13)和相应关联的半导体器件(9，10)的控制输入端之间，并且在控制侧与控制单元(14)连接。
9.根据权利要求1至8之一所述的变流器， 其中所述半导体器件(9，10)是绝缘栅双极性晶体管类型。
10.根据权利要求1至9之一所述的变流器， 其中为了形成功率开关(Tl)而相互连接的至少两个半导体器件(9，10)大小相同。
11.根据权利要求1至9之一所述的变流器， 其中为了形成功率开关(Tl)而相互连接的至少两个半导体器件(9，10)相对于彼此具有二进制分级的芯片面积。
12.根据权利要求1至11之一所述的变流器， 其包括三个半桥(4，5，6)，其中每个半桥(4，5，6)关联有电气相(U，V，W)，并且各具有两个功率开关(Tl，T2 ；Τ3, Τ4 ；Τ5, Τ6)。
13.一种用于控制功率开关(Tl)的方法，该功率开关包括并联的多个半导体器件(9，10),所述方法包括: 一确定(52)功率开关的导通损耗， 一确定(52)功率开关的开关损耗， 一将导通损耗与开关损耗比较(53)， 一根据比较结果来激活或者去激活所述功率开关中的各半导体器件(54)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中 一如果导通损耗大于开关损耗，则将功率开关的活动芯片面积增大， 一如果导通 损耗小于或者等于开关损耗，则将功率开关的活动芯片面积减小。
【文档编号】H02M7/00GK103858330SQ201280013286
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年3月12日 优先权日:2011年3月16日
【发明者】克劳斯·米尔鲍尔 申请人:菲艾姆股份有限公司