逆变器装置和用于逆变器装置的操控方法

逆变器装置和用于逆变器装置的操控方法
【专利摘要】逆变器装置和用于逆变器装置的操控方法。本发明实现对逆变器设备的优化的操控。这样的逆变器设备的逆变器在此可以交替地在二级运行中或者在三级运行中被操控。通过适当选择操控方法，逆变器中的半导体损耗可以被最小化并且可以有针对性地控制所使用的部件的热负荷。利用用于逆变器的所建议的运行方法，在小输出电压以及强电感或电容负荷的情况下也可以进行有效和保护性的逆变器运行。
【专利说明】逆变器装置和用于逆变器装置的操控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种逆变器装置和一种用于运行逆变器装置的操控方法。
【背景技术】
[0002]从直流电压中产生单相或多相交流电压的电逆变器是已知的。例如，使用这样的逆变器来将来自可再生能源(例如光伏设备)的电能馈入电能量供应网络中。此外逆变器还例如在无中断的电流供应设备(USV)中使用。此外逆变器装置还被用于控制电驱动设备，例如在电动车辆中。
[0003]在构建逆变器电路时，要将两点或两级电路与三点或三级电路区分开来。图1示出单相逆变器的两级电路的例子。在该逆变器的输入端上，在点U+与U-之间施加中间电路电压υζκ。通过有针对性地操控两个半导体开关Vltl和V2tl，在输出端A上要么施加正电压U+要么施加负电压U-。在此，与两个半导体开关Vltl和V2tl并联地分别布置空转二极管DlO和D20，这些空转二极管在空转情况下接管电流引导。
[0004]此外三级电路能够调节在输出端上的3个电压级。在此，除了正电压U+和负电压U-之外还可以在逆变器的输出端上施加中性的平均电压。在此通过采用三级电路可以减小逆变器中的开关损耗。此外这样的三级电路与二级电路相比即使在小开关频率的情况下也具有更小的输出电压谐波含量。由于常规的三级电路需要负载电流经过至少两个半导体阀门的电流流动，因此具有空转的电桥支路的拓扑(第二级NPC，NPC-T结构)被证明是有建设性的。该电路装置例如由文献DE102010008426A1已知。该文献公开了一种具有卸载网络的 NPC 逆变器(Neutral-Point-Clamped Wechselrichter,中点甜位型逆变器)。
[0005]在此，三级逆变器电路在高的输出电压和COS(O)的绝对值接近I的情况下在半导体开关元件的负荷方面优于二级电路，因为在这种情况下电路的空转路径仅被相对较小地加载。相反，如果应当展示相对较小的输出电压和/或如果必须通过逆变器提供大份额的视在功率，这对应于绝对值小的COS(O)，则逆变器的空转路径中的半导体器件强烈地参与电流引导。由此在此情况下需要大的半导体结，尤其是因为在空转中两个半导体以串联电路起作用。在此，在小输出电压和/或COS(O)的绝对值相对较小的情况下逆变器的损耗非常强地提高。所述损耗除了导致恶化的效率之外还导致逆变器的热负荷，这需要加大冷却并且也对逆变器的寿命产生负面作用。
[0006]因此存在对以下逆变器装置的需要，该逆变器装置对所有运行情况都具有尽可能小的损耗并且由此尽可能少地使半导体器件加载。

【发明内容】

[0007]本发明根据一个方面实现了一种用于具有至少两个不同运行模式的逆变器的操控方法，其中该操控方法在第一运行模式中以二级运行来操控该逆变器并且在第二运行模式中以三级运行来操控该逆变器。
[0008]根据另一方面，本发明实现了一种逆变器装置，该逆变器装置具有被设计为输出交流电压的逆变器；以及控制设备，该控制设备被设计为在第一运行模式中以二级运行来操控该逆变器并且在第二运行模式中以三级运行来操控该逆变器。
[0009]本发明的想法是，动态地匹配逆变器的运行模式。尤其是在此在逆变器的运行期间在二级运行和三级运行之间变换。由此可以根据相应的框架条件最佳地运行该逆变器。
[0010]一个优点在于，通过本发明匹配逆变器中的运行模式可以分别匹配该运行模式，使得逆变器的半导体器件被尽可能小地加载。在此，尤其是可以分别选择这样的运行模式，在该运行模式情况下空转运行中的电流也引起对半导体器件的尽可能小的加载。
[0011]另一个优点在于，通过本发明匹配运行模式可以减小逆变器内的开关损耗。由此提高逆变器的效率。此外逆变器内的损耗的减小还导致较小的热负荷。由此保护了半导体器件并提高了半导体器件的寿命。
[0012]根据本发明的操控方法的实施方式，依据参数——输出电压、输出电流、待提供的视在功率、输出电压的谐波含量和逆变器的热负荷一中的至少一个来选择运行模式。尤其是在输出电压相对较小的情况下，三级运行导致比二级运行更高的半导体负荷，而随着输出电压的升高该效应倒过来。由此通过依据输出电压来选择运行模式，可以为逆变器电路选择分别最佳的运行模式。通过考虑逆变器内的热负荷，可以通过有针对性地选择对应的运行模式避免对各个器件的过度的热负荷。因此在最有利的情况下，对所有器件可以调节出几乎相同的运行温度。这尤其是导致逆变器的寿命的提高。同样可以通过有针对性地考虑输出电流、待提供的视在功率和输出电压的容许的谐波含量进行运行参数的最优化。
[0013]根据一种实施方式，交替地选择逆变器的第一运行模式和第二运行模式。通过逆变器在二级运行和三级运行中交替地运行，可以实现所使用的所有器件的特别是相同的负荷，由此避免对各个器件的过度负荷。
[0014]根据另一实施方式，在第一运行模式中用第一开关频率来运行逆变器，并且在第二运行模式中用第二开关频率来运行逆变器，其中第二开关频率不同于第一开关频率。由此对于两个运行模式中的每一个可以分别使用优化的开关频率。
[0015]根据一种实施方式，逆变器装置的逆变器被构造为三级中点钳位型逆变器。优选地，逆变器被构造为二级中点钳位型逆变器。这样的逆变器具有特别小的损耗并且由此具有高效率。
[0016]在一种实施方式中，逆变器装置具有多相逆变器。这样的多相逆变器例如特别好地适合于操控多相电驱动装置，或者也适合于向三相电网等馈入电能。
[0017]本发明的一种实施方式包括被设置用于向电能量供应网络馈入能量或者用于改善网络质量的逆变器装置。
[0018]本发明的另一种实施方式包括具有本发明的逆变器装置的电驱动装置。电驱动装置恰好也需要相对较小的输出电压和/或具有绝对值相对较小的C0S(O)的运行。在此，通过本发明的逆变器装置运行可以进行特别有效的操控。
[0019]本发明还包括具有电驱动装置的车辆，尤其是混合动力车辆或电动车辆，所述电驱动装置由本发明的逆变器装置操控。
[0020]本发明的其它特征和优点由以下参照附图的描述得出。
【专利附图】

【附图说明】[0021]图1示出二级逆变器的示意图；
图2示出基于本发明的一种实施方式的三级逆变器装置的示意图；
图3示出用于示意性显示逆变器的输出电压和半导体负荷之间的关系的图表；以及 图4示出根据本发明的实施方式在逆变器的输出端上的脉冲图案的示意图。
【具体实施方式】
[0022]图2示例性地示出三级逆变器的构型。该逆变器利用其上电桥支路与用于正输入电压Uzk+的连接端U+连接。下电桥支路与用于负输入电压UZK_的连接端U-连接。中间电桥支路与用于输入电压的中间抽头的输入连接端N连接。作为输入电压UZK+和UZK_，分别在连接端U+和N之间以及在连接端N和U-之间施加一半的中间电路电压Uzko逆变器I具有在连接端U+与连接端N之间的第一中间电路电容器Cl以及在连接端N与U-之间的第二中间电路电容器C2。此外，逆变器I具有4个开关元件Vl至V4，这些开关元件经由控制装置2被操控。通过这种方式在输出连接端A上施加脉冲式的输出电压。这4个开关元件Vl至V4分别与二极管Dl至D4反并联。第一开关元件Vl和二极管Dl在此位于输入连接端U+与输出端A之间的上电桥支路中。在输入连接端U-与输出端A之间的下电桥之路中存在具有对应二极管D4的第四开关元件V4。在连接端N与输出端A之间的中间电桥支路中串联地存在具有二极管D2的开关元件V2和具有二极管D3的开关元件V3。
[0023]作为开关元件Vl至V4，在此考虑所有类型的合适的开关元件。作为开关元件尤其合适的是半导体开关元件，例如具有绝缘栅极的双极晶体管(IGBT)。替换地，当然也可以使用实现对应的逆变器运行的所有类型的其它开关元件。
[0024]逆变器I以其所示的形式可以首先基本上在三级运行中被操控。在此，控制设备2操控开关元件Vl至V4，使得在逆变器的输出端A上分别施加正中间电路电压UZK+、负中间电路电压UZK_或者中性平均电压。特别是在输出电压与中间电路电压相比比较小的情况下，在该三级运行模式中对所使用的半导体器件、尤其是在中间支路中非常强地加载。在输出电压相对较小的情况下，中间支路高于平均水平地长时间激活。由于在中间支路中电流分别必须流过开关元件V2或V3并且同时还必须流过对应的二极管D2或D3，因此在这种情况下得出所参与的半导体器件的特别高的负荷。
[0025]图3示出一个图表，该图表示出在逆变器中的半导体器件的输出电压与负荷之间的关系。如在此可以看出的，恰好在低输出电压的情况下在三级运行中对空转半导体进行非常高的加载。这导致在输出电压非常小的情况下在三级运行中的半导体负荷之和大于在二级运行中的半导体负荷之和。
[0026]因此为了减小逆变器I中的半导体负荷，替换地还可以在二级运行中运行逆变器
I。在此情况下通过控制设备2不对开关元件V2和V3进行操控。而是在二级运行中仅操控开关元件Vl和V4。由此在二级运行中在逆变器I的输出端A上施加正中间电路电压Uzk+或者负中间电路电压UZK_。由于在中间支路中的开关元件V2和V3以及二极管D2和03在二级运行期间不被一起包括到电流路径中，因此这些器件在二级运行中也不被加载。
[0027]如从图3中看出的，尤其是在要在逆变器上调节出相对较小的输出电压的情况下结果得到的总半导体负荷在二级运行中要小于在三级运行中。由此例如可以根据待调节的输出电压通过控制设备2将逆变器I操控在二级运行中或三级运行中，这要根据哪个运行模式引起更小的半导体负荷而定。
[0028]此外逆变器的空转支路尤其是在COS(O)的绝对值相对较小的情况下、也就是在强电感负荷或强电容负荷的情况下被强烈加载。大的电感负荷例如在操控电驱动装置时出现。这样的驱动装置例如存在于电动车辆中。但是另外的电感或电容负荷也同样导致空转支路中的高电流并由此导致在此涉及的半导体器件的对应负荷。
[0029]由于前面描述的效应，例如对于相对较小的输出电压和/或具有强电感或电容负荷的逆变器的运行，可能发生各个器件的相对较大的负荷。这种大的负荷导致相应器件的强烈的热升温。器件的过度升温在此又导致寿命被剧烈影响。为了抵消各个器件的这种过度升温，可以通过本发明的在二级运行和三级运行之间变换的概念来减小各个器件的过度热负荷。通过有针对性地在两个运行模式之间变换，可以从一个运行模式变换到另一个运行模式并由此有针对性地将负荷分配到多个器件上。各个器件可以被保护免遭过度升温。由此例如可以通过在二级运行和三级运行之间交替地运行而将热损耗功率均匀地分配到所有器件上。为此例如可以建立数学模型并且基于各个器件的这样理论计算的损耗功率在运行模式之间来回变换，使得所有器件尽可能均匀升温。替换地同样可以将温度传感器(未示出)集成到逆变器中并且由此在测量到过度的温度升高时从一个运行模式变换到替换的运行模式中。通过有针对性地控制逆变器以使得所有元件均匀升温，可以避免由于过度温度升高而导致的各个器件的过度老化并由此提高逆变器的寿命。
[0030]在各个运行模式、也就是二级运行和三级运行之间的变换在此不一定在每个脉冲周期之后进行。以下方式是足够的:频繁地执行在各个运行模式之间执行变换，使得由于器件的热惯性而出现近似恒定的运行温度。
[0031]在二级运行和三级运行中交替运行的情况下，也不强制需要两个运行模式的平衡的比例，也就是说，逆变器不需要50%在二级运行中和50%在三级运行中运行。与其它框架条件有关地，两个运行模式的另外的混合比例也是可以的。两个运行模式的比例可以与相应的运行点匹配，以优化半导体的负荷，或者以实现对于相应的运行点来说损耗最佳的运行方式。
[0032]通过在二级模式中的运行，提高了输出电压的谐波含量。逆变器的输出电压的预计的谐波振荡也可以在调节两个运行模式的混合比例时以及在调节时间序列时加以考虑。此外两个运行模式的比例或者对两个模式中仅一个模式的选择例如也可以根据输出电流的大小来做出。
[0033]如果逆变器例如在低负荷运行中运行，其中仅流过相对较小的电流，则在这种情况下不利的运行模式也不会引起逆变器的过度升温。因此在这样的情况下对于相对较小的输出电压也完全可以选择三级运行。
[0034]因此总的来说为了选择相应的运行模式或为了选择在交替运行中的混合比例考虑以下因素:
-输出电流的大小:在输出电流相对较小的情况下，不利的运行模式也不会导致逆变器的过度升温。因此在小输出电流的情况下也可以接受在逆变器中具有较大损耗的运行模式。
[0035]-电感/电容输出负荷:在以相对较小的COS(O)绝对值来对逆变器加载的情况下期望有相对较大的空转电流。所述空转电流在选择运行模式时必须一起加以考虑。[0036]-输出电压的谐波含量:如前所提到的，在二级运行中的谐波含量高于在三级运行中的谐波含量。因此对于输出电压的更小的谐波含量，三级运行是优选的。
[0037]-预期的损耗和逆变器效率。
[0038]-在各个半导体中的温度波动的最小化:通过运行模式之间的受控的变换可以将所使用的所有器件在运行持续时间期间保持在近似恒定的温度，这对逆变器的寿命预期有积极的作用。
[0039]-待调节的输出电压:如从图3中看出的，器件的负荷依据逆变器的待调节的输出电压而变化。
[0040]在输出频率特别小的情况下，可以不再在一个周期上对开关元件的负荷进行平均。在这种情况下必须将开关元件计算到瞬时值的最不利的情况。在三级运行中，在此电负荷集中在空转回路中的半导体对上。在此可以通过在二级运行和三级运行之间的交替运行来实现高的卸载。
[0041]但是三级运行和二级运行的分配不需要沿着输出电压的电角度均匀地进行。尤其是在输出频率非常小的情况下，混合运行可以不同地分配在输出电压-基波振荡的电角度上，以由此实现优化。
[0042]前面描述的逆变器装置的运行可以与根据现有技术的无数已知调制方法一起用于相应的各运行模式。在此优选使用这样的方法或调制载体的相位:所述方法或调制载体的相位在两个运行模式之间的过渡时不需要附加的开关操作，以由此避免附加的开关损耗。
[0043]但是这并不强制意味着:在二级运行中以及在三级运行中原则上都必须使用相同的开关频率。同样可以分别对二级运行和三级运行单独地选择不同的开关频率。如果对二级运行和三级运行选择不同的开关频率，则优选选择在这些开关频率之间具有整数比，使得可以保证运行模式之间的低损耗过渡。
[0044]图4示出在本发明逆变器的输出端上的示例性脉冲图案的示意图。在时间间隔I期间，逆变器在此处于三级运行中，也就是说输出电压分别在中性参考电位与正或负的中间电路电压之间切换。在时间段II期间，逆变器处于二级运行中，也就是说输出电压仅在正中间电路电压和负中间电路电压之间来回切换。
[0045]根据本发明的、在二级运行与三级运行之间变换的逆变器运行在此可以如上所述被用于产生单相交流电压。但是此外还可以将本发明的方法同样应用于多相逆变器，例如三相逆变器。由此例如可以向三相的多相电流网馈电。同样可以通过多相逆变器来操控对应的多相电驱动装置。
[0046]总的来说，本发明涉及对逆变器设备的优化的操控。这样的逆变器设备的逆变器在此可以交替地在二级运行中或者在三级运行中被操控。通过适当选择操控方法，逆变器中的半导体损耗可以被最小化并且可以有针对性地控制所使用的部件的热负荷。利用用于逆变器的所建议的运行方法，在小输出电压以及强电感或电容负荷的情况下也可以进行有效和保护性的逆变器运行。
【权利要求】
1.用于具有至少两个不同运行模式的逆变器(I)的操控方法，其中该操控方法在第一运行模式中以二级运行来操控该逆变器(I)并且在第二运行模式中以三级运行来操控该逆变器(I)。
2.根据权利要求1所述的操控方法，其中该操控方法依据以下参数中的至少一个来选择运行模式:输出电压、输出电流、待提供的视在功率、输出电压的谐波含量和逆变器(I)的热负荷。
3.根据前述权利要求1或2之一所述的操控方法，其中交替地选择第一运行模式和第二运行模式。
4.根据前述权利要求1至3之一所述的操控方法，其中在第一运行模式中用第一开关频率来运行逆变器(I )，并且在第二运行模式中用第二开关频率来运行逆变器(I )，其中第二开关频率不同于第一开关频率。
5.逆变器装置，具有: 被设计为输出交流电压的逆变器(I);以及 控制设备(2)，该控制设备被设计为在第一运行模式中以二级运行来操控该逆变器(I)并且在第二运行模式中以三级运行来操控该逆变器(I)。
6.根据权利要求5所述的逆变器装置，其中所述逆变器(I)被构造为三级中点钳位型逆变器，优选被构造为二级中点钳位型逆变器。
7.根据权利要求5或6所述的逆变器装置，其中该逆变器装置具有多相逆变器。
8.根据权利要求5至7之一所述的逆变器装置，该逆变器装置被设置用于向电能量供应网络馈入能量或者用于改善网络质量。
9.具有根据权利要求5至7之一所述的逆变器装置的电驱动装置。
10.具有根据权利要求9所述的电驱动装置的车辆。
【文档编号】H02M7/487GK103997240SQ201410054287
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】K.施帕诺斯, H.施泰因布赫 申请人:罗伯特·博世有限公司