三相逆变器的中间电路电容器借助于轮作的半导体短路的主动放电

技术领域

本发明涉及一种用于三相逆变器的控制装置、一种具有这样的控制装置的三相逆变器、一种这样的控制装置，以及一种用于车辆驱动机的三相逆变器的中间电路的主动放电的方法。

背景技术

电机驱动系统在机动车中驱动力的提供中起到越来越大的作用。在所述电机驱动系统中高压驱动电池的采用和具有高电容的直流中间电路电容器的存在提高了对在这样的机动车的行驶运行中且特别是在碰撞事故中的电气安全性的要求。

在用于现代电动车辆中典型的电气驱动机的逆变器的运行期间，对中间电路电容器充电和放电，以便缓存能量且使得电压尖峰平滑化。

如果为了安全运行、例如在碰撞情况下借助于电池开关关断高压驱动电池，那么中间电路电容器连同在剩余的电路中的其他电容接着还具有可能超过40J的相关的剩余电荷，并且电容器的端电压与电池的输出电压一样大。典型的车辆驱动电池的电压位于250V至450V之间。在具有在650V至850V之间的电池电压的同样应用的800V系统中，能量含量(半电容)几乎倍增。

该电压水平在碰撞情况下可能对于机动车的乘客(在绝缘失效的情况下)或对于救援人员是有害的。

因此必要的是，将在该电容中存储的能量为了安全运行快速减小到最高60V的安全水平上或者完全耗散。

为此，在电气车辆驱动系统中为了安全运行而规定中间电路此外借助于驱动机的主动驱控的短路的主动放电，其目的在于在两秒内、与情况有关地必要时也在三、四或五秒内的足够的放电。

如果车辆转变到安全运行中，那么按零向量的电路的意义这样的主动短路(AKS)由已知的电机控制部或逆变器控制部在车辆中确定的紧急情况下、例如在车辆碰撞的情况下主动地驱控。但是零向量电路可以在没有对于仍充了电的中间电路电容器(ZKK)的附加的放电装置的情况下导致参与人员的受伤。

根据AKS用于给ZKK放电的通常的方法是通过“制动斩波器(brake chopper)”、与中间电路电容器并联可连接的电阻放电。在安全运行下，接通电阻且将电容器能量紧接着通过功率电阻转变为热。功率消耗在此是可观的，从而需要用于开关和/或电阻的附加的散热装置。散热装置是昂贵的且需要结构空间，这减小了逆变器的功率密度。

另一根据AKS用于给ZKK放电的通常的方法是通过电机绕组放电；能量可以通过三相电机的两个或三个相放电。

放电电流通过电机绕组的等效电阻转变为热。为此不需要附加的组件。不过无法在所有情况下确保足够快速的放电。再者，放电电流可以通过电机绕组感应出不期望的电机扭矩，因为放电电流是未专门调制的。

由期刊文章“Wu,Z.等的“DC Link Capacitor Active Discharge by IGBT WeakShort Circuit,SAE Int.J.Advances&Curr.Prac.in Mobility 1(3):1177-1187,2019,doi:10.4271/2019-01-0606”已知的是，通过逆变器的三相逆变器的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)半桥——所述IGBT半桥配置给驱动机的三相——的弱击穿(Durchschieβen)将中间电路电容器放电。

不过，该方案需要设有不同的栅极电压并且因此由于所需要的特殊组件而是昂贵的并且还可能是容易故障的。

发明内容

在该背景下，本发明的目的在于，改善用于电气驱动的机动车的逆变器和特别是中间电路电容在碰撞情况下或者在对于安全运行的其他迹象的情况下的放电。

该目的通过具有权利要求1的特征的控制装置、具有权利要求7的特征的三相逆变器以及具有权利要求10的特征的方法解决。从属权利要求涉及本发明有利的进一步扩展方案。

按照一个方面，提出一种用于车辆驱动机的三相逆变器的控制装置，其中，所述控制装置特别是可以设置在电机控制器中和/或逆变器的控制器中。

所述控制装置设置为用于(a)驱控逆变器的中间电路的主动放电、特别是因此一个或多个中间电路电容器以及必要时其他中间电路电容的主动放电；(b)在主动放电期间同时接通逆变器的下半桥开关，特别是以便使驱动机转变到零向量运行中；以及(c)交替地接通逆变器的上半桥开关中的各一个上半桥开关，特别是带有时间偏移地交替地接通逆变器的上半桥开关中的各一个上半桥开关。

由此可以实现在没有特别为此设置的构件的情况下且即便如此在没有在三相逆变器中存在的构件的热过载的情况下实现中间电路的快速放电。因为短路电流通过同时接通所有下半桥开关在其范围中分配到多个电流分支上，而在上半桥开关的范围中借助于交替的接通避免该半桥的热过载。在各个上半桥开关之间为了引导短路电流的时间上更换的管理可以根据不同的逻辑实现，这些逻辑在这里对于不同的可能的实施形式进行描述。

半桥开关的接通在此特别是理解为特别是在集电极与发射极之间的导通的接通，例如用于引导用于对中间电路放电的短路电流。

按照另一方面，提出一种用于车辆驱动机的三相逆变器，所述三相逆变器至少具有：(A)三个半桥，这些板桥分别包括上半桥开关和下半桥开关，其中，这些半桥中的每个半桥用于调制用于车辆驱动机的驱动三相电流的各一个电流相；以及(B)根据本发明的一个实施方案的控制装置。

按照另一方面，提出一种用于车辆驱动机的三相逆变器的中间电路的主动放电的方法，所述方法至少具有如下方法步骤：(i)特别是识别危急的安全状态；(ii)特别是激活逆变器的安全运行；(iii)特别是切断驱动电池与逆变器的中间电路；(iv)接通逆变器的下半桥开关、特别是所有下半桥开关，特别是以便使驱动机转变到零向量运行中；以及(v)交替地接通逆变器的下(上)半桥开关中的各一个上半桥开关、特别是相互间带有时间偏移地交替地接通。

按照一个实施方案，更换所接通的下(上)半桥开关，直至在中间电路上存在的电压低于极限值。由此可以实现逆变器快速转变到安全的运行状态中。

本发明此外基于如下考虑，将逆变器的半导体开关装置用于有意地短路中间电路，由此迫使中间电路的总电容非常快速地(在毫秒内)放电。一般地，不仅IGBT而且MOSFET——根据应该为半桥开关应用哪个装置——具有鲁棒的短路能力。特别是，IGBT和MOSFET可以将短路电流限于额定电流的5倍或10倍。主要问题是如下时间间隔，在该时间间隔中半导体可以没有构件的热烧断和毁坏的情况下保持该高电流。因此，不中断的短路持续时间在IGBT构件的情况下应不超过10μ秒而在SiC-MOSFET(碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)构件的情况下不超过2μ秒至3μ秒(微秒)。

本发明此外基于如下构思，交替地通过三相逆变器的上构件引导用于中间电路的主动放电的短路电流，直至中间电路的电压达到且不超过确定的阈值保持电压、亦即用于中间电路电压的极限值，并且通过这种方式避免构件的热过载并因此毁坏。

为了实现本发明，特别是实现新的状态机，并且与控制极驱动器短路保护(Desat)识别电路(短路识别电路)同步。

本发明能实现如下，即避免用于配置给一个电流相的半桥的两个半桥开关的短路保护识别信号的触发。取而代之地，为了使逆变器转变到安全运行中——例如在碰撞情况下——在第一步骤中主动接通所有下半桥开关(主动的短路，AKS)。在第二步骤中，接通相边1的上半桥开关，由此触发在该上半桥开关中类型1的短路。因为所有下半桥开关是接通的，所以将在上装置中的短路电流分配到三个下半桥开关上。由此确保：仅仅在相边1中在上装置中基于2倍至3倍更高的电流进行短路保护识别。短路保护识别迫使相边1中的上半桥开关在预定的时间间隔之后关断，以便保护半导体。如果关断在相边1中的上半桥开关，那么接通在相边2中的上半桥开关。在该情况下，短路保护识别短路关断在相边2中的上半桥开关。随后接通在相边3中的上半桥开关，并且以此类推。状态机更换(并且特别是轮作)上半桥开关的接通，直至中间电路放电(中间电路的主动放电AE)至少到极限值之下。因此如此设定在各开关之间的轮作和延迟时间，使得不发生模块的热烧断和毁坏。

按照一个实施方案，所述控制装置设置为用于随着关断先前接通的上半桥开关或在关断先前接通的上半桥开关之后，接通另一相的上半桥开关。

通过这种方式可以依次地以短路电流并因此热加载所述上半桥开关中的每个上半桥开关且紧接着又将其释放。

按照一个实施方案，所述控制装置设置为用于随着先前接通的上半桥开关的短路识别(亦即短路保护探测信号)的介入或在先前接通的上半桥开关的短路识别的介入之后，并且特别是随着与之有关地关断先前接通的上半桥开关或者在与之有关地关断先前接通的上半桥开关之后，接通另一相的上半桥开关。

这能实现：不是根据单独的加载逻辑、而是根据本来就设置用于开关的安全协议进行将短路电流交替地接通到各个上半桥开关上。特别是如果对于先前接通的上半桥开关存在短路识别信号(“短路保护探测信号”)，那么接通随后规定的上半桥开关。

按照一个实施方案，所述控制装置设置为用于依次轮流地——亦即特别是轮作地——更换所接通的上半桥开关，特别是从而在第一电流相的上半桥开关之后，随后是第二电流相并且随后是第三电流相，紧接着又接通第一电流相的上半桥开关，那么开关顺序是{1-2-3-1-2-3-1-...}。在该时间期间原则上接通所有下半桥开关。

这能实现：在足够长的时段上维持主动放电，以便达到中间电路的不危急的电压水平。特别是，上半桥开关依次轮流连续地接通短路电流在时间上这样激发，使得当作为施加的第三上半桥开关自身切换到短路保护中时，对于首先施加的上半桥开关已经又没有短路识别信号输出。通过这种方式，在全部的所必需的放电时间期间，短路电流通过所述三个上半桥开关的依次轮流的激发的引导是可能的。

按照一个实施方案，带动控制装置设置为用于：从接通先前的上半桥开关开始，最晚带有预定的时间偏移地接通随后要接通的上半桥开关。

由此可以设有附加的安全级用于上半桥开关的本身就设有的短路识别信号，特别是其方式为，例如根据所应用的开关方式设有开关对于短路电流的最大的不中断的暴露持续时间(Expositionsdauer)。

按照一个实施方案，所述控制装置设置为用于为了使逆变器转变到安全运行中，切换电池开关以用于切断驱动电池与逆变器的直流侧。

由此实现了用于中间电路的安全放电的前提条件。

按照一个实施方案，所述半桥开关构成为IGBT，并且在两个上半桥开关的相继接通之间的时间偏移不大于10微秒。

由此可以确保也关于构成为IGBT的半桥开关的热过载而安全的、最大的放电速度。

按照一个实施方案，所述半桥开关构成为SiC MOSFET，并且在两个上半桥开关的相继接通之间的时间偏移不大于3微秒。

由此可以确保也关于构成为SiC MOSFET的半桥开关的热过载而安全的、最大的放电速度。

在此下半桥开关和上半桥开关的划分是任意的且特别是涉及附图中的表示。不言而喻地，如下也是本发明的一种实施方案，即为了中间电路的主动放电，接通所有上半桥开关并且交替于此地接通各一个下半桥开关。

附图说明

本发明的其他优点和应用可能性从结合附图的如下描述产生。

图1示出在正常运行中的三相逆变器，所述三相逆变器连接到车辆驱动机上并且经由中间电路连接到车辆电池上，所述三相逆变器包括根据本发明的一个示例性的实施方案的控制装置；

图2示出在转变到安全运行中的情况下图1中的逆变器在探测到碰撞情况之后的第一时刻；

图3示出在转变到安全运行中的情况下图1中的逆变器在探测到碰撞情况之后的第二时刻；

图4示出在转变到安全运行中的情况下图1中的逆变器在探测到碰撞情况之后的第三时刻；

图5示出在借助于图1-3中的控制装置实施根据本发明的一个示例性实施方案的方法的情况下在中间电路电容器上的电压变化发展随时间的图表。

具体实施方式

图1示出用于车辆驱动机2的三相逆变器1，所述三相逆变器具有：直流中间电路4，所述直流中间电路包括中间电路电容器6(其也应代表其他在中间电路中存在的电容地阐明整个中间电路电容)；以及半桥HB1、HB2和HB3，这些半桥分别包括一个上半桥开关S1、S3、S5和一个下半桥开关S2、S4、S6。半桥开关S1和S2因此配置给半桥HB1以用于调制用于车辆驱动机2的驱动三相电流的第一电流相P1；半桥开关S3和S4配置给半桥HB2以用于调制第二电流相P2；以及半桥开关S5和S6配置给半桥HB3以用于调制第三电流相P3。半桥HB中的每个半桥分别在其两个半桥开关之间与三相电流驱动机的三个电感L1、L2或L3之一连接。半桥开关S在实施例中构成为IGBT且分别与二极管反并联地连接。

中间电路4借助于电池开关8可连接到车辆的驱动电池10上，或者可以与所述驱动电池切断。驱动电池10在本实施例中在中间电路上提供大约400V直流电位。在一个类似的实施例中，驱动机可以与驱动电池相配合作用地也如此设计，使得在中间电路上提供大约800V直流电位。

三相逆变器1还具有控制装置12，其中，控制装置特别是可以设置在车辆的电机控制器中和/或在逆变器的单独设置的控制器中。

无论如何，在实施例中控制装置12设置为用于驱控逆变器1的中间电路4的主动放电AE以用于中间电路电容器6的主动放电。

主动放电AE的驱控随着探测到安全运行SB的必要性或直接在探测到安全运行SB的必要性之后实现，例如在碰撞情况下借助于适合的传感器机构14实现。

为了使逆变器1从正常运行NB转变到安全运行SB中，控制装置12设置为用于关断电池开关8以用于将驱动电池10与逆变器1的直流侧切断。由此实现用于中间电路的安全放电的前提条件。

为了从逆变器1的电机运行切换到主动放电AE中，随着切断驱动电池10或在切断驱动电池之后将逆变器1的下半桥开关S2、S4、S6同时且持续引导电流地接通主动放电AE的持续时间，以便使驱动机2转变到零向量运行(主动短路AKS)中。

在时间上相互错开地，交替于此地引导电流地接通逆变器的上半桥开关S1、S3、S5中的各一个上半桥开关。半桥开关S在实施例中构成为IGBT，从而上半桥开关S1、S3或S5中之一允许最大施加典型的车辆电池的短路电流不大于10微秒，直至又关断该开关且引导电流地接通下一半桥开关，所述车辆电池具有大约400V和常见的电流强度。10μ秒的数据涉及在现代BEV(电动车辆)或PHEV(插电式混合动力车辆)中典型的应用，但是在其他电压和/或电流强度的情况下也可以相应地更大或更小地选择该数据。

在该实施例中，如果短路识别(例如以短路保护探测信号D的形式)已经关断先前接通的上半桥开关S1，那么接通随后要接通的半桥开关S3。

相应地，上半桥开关S1、S3和S5中的每个上半桥开关的接通持续时间通过这些开关中的每个开关的短路识别如此限制，使得没有开关可能由于引导短路电流而遭受热损坏。

上半桥开关依次轮流地轮作地被接通，从而在第一电流相的上半桥开关S1之后，接通第二电流相的开关S3，和接通第三电流相的开关S5，紧接着又接通第一电流相的开关S1，接通顺序于是为{1-3-5-1-3-5-1-...}。在该电路用于主动放电AE期间，原则上接通所有下半桥开关(主动短路AKS)。在依次接通的上半桥开关的接通之间的最大时间偏移Δt在该实施例中必要时作为对于短路识别D的附加的安全性而确定为10微秒，因为开关构成为IGBT。

在图2中通过相应的双层线示出短路电流通过下半桥开关S2、S4和S6以及上半桥开关S1引导。

相应地，在图3中通过双层线示出短路电流通过上半桥开关S3的时间上紧接于此的引导。

相应地，在图4中通过双层线示出短路电流通过上半桥开关S5的又紧接于此的引导。

图5示出具有在中间电路电容器6上存在的电压U

在那里示出，如何能在足够长的时段(t1至tn)上维持主动放电AKS，以便达到中间电路4的不危急的电压水平Us。

上半桥开关S1、S3和S5依次轮流接连接通短路电流如此在时间上激发，使得如果作为施加的第三上半桥开关S5自身接通到短路保护D5中，那么对于首先施加的上半桥开关S1已经又没有短路识别信号D1存在。通过这种方式，在全部需要的放电时间(t1至tn)期间、短路电流通过三个上半桥开关的依次轮流激发的引导是可能的，直至中间电路电压Uz达到不危急的中间电路电压Us。

在本实施例中，因此借助于控制装置12实施用于中间电路4的主动放电AKS的方法，所述方法至少具有如下方法步骤：

(1)借助于传感器机构14将碰撞情况识别为危急的安全状态。(2)基于该识别，切断逆变器1的安全运行SB。(3)为了使逆变器1转变到该安全运行SB中，切断驱动电池10与中间电路4。(4)接通逆变器1的所有下半桥开关S2、S4和S6，以便使驱动机转变到零向量运行。(5)相互间带有时间偏移地交替地接通逆变器1的上半桥开关S1、S3、S5中的各一个上半桥开关，该时间偏移在该实施例中由先前接通的半桥开关的短路识别的触发产生。

重复步骤(5)，并且维持步骤(4)，直至在中间电路上存在的电压Uz由电池电压UBatt降低到安全的极限值Us。

附图标记列表

1三相逆变器

2车辆驱动机

4(直流)中间电路

6中间电路电容器

8电池开关

10 驱动电池

12 控制装置

14 传感器机构

AE 主动放电

Dx短路识别信号(短路保护探测信号)

HB1用于调制逆变器的第一电流相的半桥

HB2用于调制逆变器的第二电流相的半桥

HB3用于调制逆变器的第三电流相的半桥

L1第一电流相P1的驱动电感

L2第二电流相P2的驱动电感

L3第三电流相P3的驱动电感

NB 正常运行

MB 电机运行

P1 第一电流相

P2第一电流相P2

P3第三电流相P3

SB 安全运行

S1 第一半桥的上半桥开关

S2 第一半桥的下半桥开关

S3 第二半桥的上半桥开关

S4 第二半桥的下半桥开关

S5 第三半桥的上半桥开关

S6 第三半桥的下半桥开关

tx 时刻

Δt在上半桥开关的电路之间的时间偏移

U电压

U

U

U