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CN103999311B - 用于在变流器电路中保护中间电路电容器的方法 - Google Patents

用于在变流器电路中保护中间电路电容器的方法 Download PDF

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CN103999311B CN201280062408.0A CN201280062408A CN103999311B CN 103999311 B CN103999311 B CN 103999311B CN 201280062408 A CN201280062408 A CN 201280062408A CN 103999311 B CN103999311 B CN 103999311B
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Abstract

本发明涉及一种用于在具有至少两个串联的子模块(22)的变流器电路(4)中保护中间电路电容器(44)的方法，子模块通过电感器(20)从输出直流电压(16)的电源(8)中得到电功率，其中每个子模块(22)在输入侧具有单相的半桥(40)并且在负载侧具有单相的全桥(42)，并且其中半桥(40)、全桥(42)和中间电路电容器(44)在直流电压侧彼此并联。该方法包括以下的步骤，检测在这些子模块(22)中的一个子模块中的故障，并且闭锁从具有检测到的故障的子模块(22)的全桥(42)的负载侧输出端(30，32)至具有检测到的故障的子模块(22)中的电功率传输。

Description

用于在变流器电路中保护中间电路电容器的方法
技术领域
本发明涉及一种方法、一种用于执行该方法的控制装置、一种具有该控制装置的变流器电路以及一种具有该变流器电路的电动机。
背景技术
在机动车驱动系统中用于为电动机的电机绕组供应电能的变流器电路例如由Lukas Lamberts等人在2010年9月08至09的Aschaffenburg的EMA2010会议中的公开文献“用于车辆驱动装置的模块化的高频变流器”已知。
在此涉及一种被设计用于将电源的直流电压转换成多个交流电压的电路。在串连的子模块中产生各个交流电压，直流电压的一部分在输入一侧分别在这些子模块处下降。在子模块内部，分别通过作为逆流器工作的单相全桥将直流电压的相应部分转换成能够提供给电机绕组中一个的交流电压。单相全桥包括两个单相半桥，它们被分别设计用于产生交流电压相位，从而使两个交流电压相位相加形成单相的交流电压。
在各个子模块的输入端处下降的分电压在通过全桥逆变之前通过升压变换器增高。升压变换器包括串联连接在电源和全桥的串联电路之间的电感件以及每个子模块中的输入半桥。全桥和半桥在子模块内部连接在直流电压一侧。
一个中间回路电容器并联于全桥并且并联于在每个子模块中的输入半桥，它能够中间存储电能，例如来自电机绕组的无功功率流的电能。
在EP 2 369 725 A1中公开了一种用于串联的变流器单元的具有双稳态继电器的桥接单元。在过流和/或过压的情况下、也或者如果存在外部的接通信号，借助于继电器使相应的变流器单元的输入端短路并且进而提供用于桥接变流器单元的低欧姆的导线路径。在这种情况下位于输入端处的电流流经桥接单元并且不经过变流器单元的其他结构性组件。与继电器并联的可以是半导体开关，以便缩短桥接单元的反应时间。
发明内容
本发明的目的是改进已知的变流器电路。
本发明提出，在前面所述类型的变流器电路的子模块的输出端处，在故障情况下禁止功率流。
本发明基于以下的考虑，即变流器电路从具有主功率流方向的电源中吸收电功率。然而本发明识别出，在变流器电路的各个子模块中，这个主功率流方向可以轻易地逆转。来自电源的电压是预定的，并且因此在子模块处降低并具有已定义的符号。因此为了设定确定的需要由连接到变流器电路的耗电器吸收的功率，相应的调节回路可以仅仅调节来自电源的电流。但是因为来自电源的电流基于变流器电路的串联连接同样流经变流器电路的全部子模块，所以不可以随意设定经过子模块的电流方向以及进而特殊的功率流方向。然而在故障情况下，当第一负载在第一子模块处吸收电功率并且同时第二负载在第二子模块处输出电功率时，电功率必须中间存储在这两个子模块的一个中，这是因为电功率从两侧-输入端和输出端-输送给这两个子模块的一个。
此外本发明基于以下的考虑，即中间存储是可限制的并且取决于子模块中的中间电路电容器的电容。为了节省结构空间和成本，应该尽可能小地规定中间电路电容器的电容尺寸。但是这与上面所述的问题相冲突，即当电功率输送至子模块的输入端和输出端时，在故障情况下功率必须中间存储在这些子模块中的一个中。
因此本发明提出，在故障情况下阻止电功率流从电负载出发进入到有故障的子模块中。
因此本发明提供一种用于在具有至少两个串联的子模块的变流器电路中保护中间电路电容器的方法，子模块通过电感器从输出直流电压的电源中获得电功率，其中每个子模块在输入侧具有单相的半桥并且在负载侧具有单相的全桥，并且其中半桥、全桥和中间电路电容器在直流电压侧彼此并联。根据本发明该方法包括以下步骤，即检测在这些子模块中的一个子模块的故障，并且闭锁从具有检测到的故障的子模块的全桥的负载侧输出端至具有检测到的故障的子模块中的电功率传输。当例如要将多相负载连接到子模块时，全桥可替换地是相应多相的。当连接常用的异步电机来作为负载时，那么全桥则例如是三相的。
在变流器电路的子模块中，在故障情况下，当同时通过输入端和输出端为子模块输送电功率时，通过所说明的方法可以阻止为子模块中的中间电路电容器输送过剩的电功率。由此不仅可以节省子模块并且进而和变流器电路的成本和结构空间，还同样可以避免过高地给中间电路电容器充电和与此相关的中间电路电容器的可能损伤，由此同样可以避免在故障情况下在变流器电路处的严重的物理损坏。
在本发明的改进方案中，所提供的方法包括以下步骤，即中断在有故障的子模块的全桥的负载侧输出端和有故障的子模块的中间电路电容器之间的电连接，以便将有故障的子模块的全桥的负载侧输出端与有故障的子模块的中间电路电容器断开。该中断阻止了将电能输出至连接到有故障的子模块书的电负载，因此在故障情况下，电能也不可能由电负载输送到有故障的子模块中。以这种方式避免了来自电负载的电流不受控制地输送到有故障的子模块的全桥中。通过有故障的子模块的全桥的续流二极管可能会将这些电流整流，并且其不受控制地给有故障的子模块的中间电路电容器充电。
特别优选地，通过在有故障的子模块的全桥的负载侧输出端中布置的开关，实现中断在有故障的子模块的全桥的负载侧输出端和有故障的子模块的中间电路电容器之间的电连接，该开关可以串联于连接到有故障的子模块的电负载，因此利用冗余的开关元件可以确保闭锁进入到有故障的子模块中的电功率传输。
在本发明的附加的改进方案中所给出的方法包括以下步骤，即将有故障的子模块的全桥的负载侧输出端短路，以便将有故障的子模块的全桥的负载侧输出端与有故障的子模块的中间电路电容器断开。通过使负载侧输出端短路，引入在连接到有故障的子模块上的电负载的端子之间的附加电流路径。这种电流路径与有故障的子模块的中间电路电容器并联。电流路径的欧姆值越低，那么经由这个电流路径，从所连接的电负载中被引导绕过有故障的子模块的中间电路电容器的电流越多，因此避免了通过该电流给有故障的子模块的中间电路电容器充电。
在本发明的优选的改进方案中，所提供的用于将有故障的子模块的负载侧输出端短路的方法包括以下步骤，即闭合有故障的子模块的全桥的两个开关，所述开关将输出端与中间电路电容器连接。因此通过有故障的子模块的全桥的桥臂引导短路，从而在电路技术上无需继续改变前面所述类型的变流器电路的有故障的子模块以执行所提供的方法。
在本发明的特别优选的改进方案中，所提供的方法包括以下步骤，闭合与有故障的子模块的全桥的负载侧输出端并联的开关，以便将有故障的子模块的全桥的负载侧输出端短路。尽管也可以如同已提及的，通过桥臂在全桥中实现将有故障的子模块的全桥的负载侧输出端短路，但是如果导致电功率传输被闭锁的故障原因在于全桥自身，不再可能进行短路。通过关闭冗余的、与全桥的负载侧输出端并联的开关来避免该问题。
在本发明的另一个改进方案中，所提供的方法具有以下步骤，即将有故障的子模块的输入端与有故障的子模块的中间电路电容器断开。以这种方式，基于在输入侧的功率流而避免了对有故障的子模块的中间电路电容器充电，由于闭锁了在全桥的负载侧输出端处的功率流，因此在输入侧的功率流也再不能离开有故障的子模块。可以利用相同的方法步骤来实施将有故障的子模块的输入端与有故障的子模块的中间电路电容器断开，这些方法步骤也提供用于闭锁从有故障的子模块的全桥的负载侧输出端进入有故障的子模块中的电功率传输。
在本发明的一个特别优选的改进方案中，该方法包括，将子模块的输入端短路，以便将有故障的子模块的输入端与有故障的子模块的中间电路电容器断开。通过使有故障的子模块的输入端短路，不仅有效地阻止了在故障情况下电功率输入至子模块中，同时也桥接了在由前面所述类型的变流器电路的多个子模块构成的前述串联电路中的有故障的子模块，以使得有故障的子模块的故障不会导致变流器电路的整体故障。
在本发明的另一个改进方案中所提供的方法包括以下步骤，当在有故障的子模块的中间电路电容器处下降的电压超过预定值时，检测在子模块中的故障。通过将中间电路电容器的电压和预定值对比，由于可以直接从中间电路电容器电压的水平中识别出经过子模块的有故障的功率流，所以可以轻易地识别出在子模块中的故障。为了可能设计用于对故障进行反应的备用品，不应该将预定值确定为可施加在中间电路电容器上的最大电压，而是应确定为小于此值的足够低的数值，在故障识别和前述闭锁从有故障的子模块的全桥的负载侧输出端进入到有故障的子模块中的电功率传输之间有可能的时间延迟，由此该时间延迟不会导致在有故障的子模块的中间电路电容器处和/或在有故障的子模块中的其他元件处的损坏。
本发明也给出了一种用于执行所提供的方法的控制装置。
在本发明的一个特别优选的改进方案中，控制装置具有存储器和处理器。在此，本方法以计算机程序的方式存放在存储器中，并且当计算机程序从存储器中加载到处理器中时，该处理器设计用于执行所提供的方法。
本发明也提供了一种包括至少两个串联的子模块的变流器电路，其通过电感器从输出直流电压的电源中获得电功率。在此，每个子模块在输入侧具有单相的半桥并且在负载侧具有全桥，特别是单相的全桥。半桥、全桥和中间电路电容器在直流电压侧彼此并联连接。所提供的变流器电路包括所说明的控制装置。
在一个改进方案中，变流器电路包括在每个子模块中的开关，其在全桥的负载侧输出端处与全桥串联。
在一个替换性的或附加的改进方案中，变流器电路包括在每个子模块中的开关，开关在全桥的负载侧输出端处与全桥并联。
本发明也提供了一种车辆，包括用于输出用于驱动车辆的电功率的电池、所说明的模块化的变流器和具有数量与电机绕组的数量相等的子模块的电动机，其中每个电机绕组作为电负载连接到这些子模块中的一个上。
附图说明
结合以下说明的实施例使前述的本发明的属性、特征和优点以及如何实现它们的方式和方法更清晰易懂，结合附图详尽地示出该实施例，其中：
图1是示例性的模块化的变流器的电路，和
图2示例性地示出模块化的变流器的子模块。
具体实施方式
参考图1，其示出具有示例性的变流器电路4的电路2。变流器电路4为耗电器6供应来自电源8的电功率。
耗电器6在本实施例中设计为车辆的电动机，并且具有六个电负载10，其中每个电负载是电动机的一个电机绕组。
电源8在本实施例中是电池8，其可以分解成串联有内电阻14的电源12。电池8将电池电压16施加到变流器电路4上，并将电池电流18输出到变流器电路4上。
变流器电路4在输入侧具有例如可以是线圈的电感器20。由六个还需要说明的子模块22构成的串联电路串联在这个电感器20上。分电压24分别在各个子模块22上下降。此外各一个电负载10连接到每个子模块22上。以这种方式，子模块22基于分电压24为电负载10以仍需要说明的方式供电。在本实施例中将子模块22和电负载10的数量选择为六个。然而变流器电路4可以具有任意多个的子模块并且进而为任意多个的电负载10供电。但是在串联电路中连接的子模块22越多，相应的分电压24变得越小。
每个子模块22具有第一输入端子26、第二输入端子28、第一输出端子30和第二输出端子32。在分电压24分别经过第一和第二输入端子26，28下降时，将负载10连接到第一和第二输出端子30，32上。
电路2此外具有上游的控制仪器，下面将其称为主机34，其控制利用设计为电机绕组的电负载10在设计为电动机的耗电器6中产生旋转场。另外主机34可以接收设计为电动机的耗电器6的转速35并且基于调整信号36控制单个子模块22。基于调整信号36，单个子模块22调整了在图2中示出的经过设计为电机绕组的电负载10的电流60，以便利用电机绕组制造旋转场。
此外主机34设计用于检测电池电压16。主机34根据电池电压16检查电路2的故障。如果例如电池电压16过小，那么这是短路的迹象。在故障情况下，主机34通过断开开关38将电路2转换到在更安全的状态下，该开关例如可以布置在电池8的内部。
参考图2，其示例性地示出在图1的变流器电路4中的子模块22的一个的构造。在图2中与图1相同的元件具有相同的参考标号并且不再描述。
子模块22具有彼此并联的输入半桥40、全桥42和中间电路电容器44。
输入桥40具有第一开关46和与其并联的第一续流二极管48以及与其串联的第二开关50和与其反并联连接的第二续流二极管52。这些开关可以设计为功率半导体开关、例如MOSFET(Metalloxid-Feldeffekttransistor(金属氧化物-场效晶体管))。取决于功率半导体开关的类型，也可以取消续流二极管48，52。
在第一开关46串联在第二开关50和全桥42之间时，第一分电压24被施加到第二开关50上。由此在第一开关46(在第二开关50断开时)可以将全桥42置入到电池8的电流路径时，而从全桥42的角度看第二开关50可以将来自电池8的输入端短路。如果在每个子模块22中以相同的方式交替地断开和闭合开关46，50，则与电感器20共同实现了升压变流器，其使得分电压24之和高于电池电压16。此外当第二开关50保持持续地接通时，通过输入半桥40也可以持续地从三个子模块22的串联电路中移除全桥42。
将全桥42设计为四象限调节器，其具有第一逆变器半桥54和第二逆变器半桥56。这两个逆变器半桥54，56的构造类似于输入半桥40，但是其中为了实现四象限调节器将所有续流二极管48，52与开关46，50反并联。为了视图清晰，在图2中取消了额外参考内容。通过适当地驱控全桥42，可以将借助中间电路电容器44来稳定的分电压24转换成交流电压58。交流电压58被施加到负载10上，并且导致了经过负载10的相应的交流电流60。如果负载10将电能输出到设计为四象限调节器的全桥42处，那么四象限调节器可以引导相应的功率流回到子模块22中。
为了驱控全桥42，在子模块22中设有局部控制器、以下将其称为从机62。从机62经过未示出的安全的电分离接收来自主机34的调整信号36。基于调整信号36，从机62推导出用于第一逆变器半桥54的第一开关46的第一驱控信号64、用于第一逆变器半桥54的第二开关50的第二驱控信号66、用于第二逆变器半桥56的第一开关46的第三驱控信号68和用于第二逆变器半桥56的第二开关50的第四驱控信号70，因此基于电池电流18，逆变器半桥54，56输出经过电负载10的具有确定的属性、例如频率和相位的交流电流60，其中可以通过调整信号36改变交流电流60的属性。在此可以通过开环控制或者基于对交流电流60的测量借助闭环控制来实现产生控制信号64至70。
从机62还可以根据在中间电路电容器44处下降的电压71检测在子模块22中的故障。中间电路电容器44设计用于中间存储基于无功功率流的来自电负载10的电能，由于预定了电池电流18和电池电压16的方向，电能不能离开子模块22。然而无功功率流是被限定的，因此中间电路电容器电压71也是被限定的。如果它们超过确定的数值，那么这据此提示了有问题的电能流经过子模块22，这是因为中间电路电容器44现在不再仅存储来自无功功率流的电能而且也存储来自有效功率流的电能，这由此意味着在子模块中可能会存在中断。相反如果中间电路电容器电压71低于另一个更小的预定值，那么这提示了对于中间电路电容器44的短路。
在这两种情况下出于安全原因，从机62将全桥42的输出端与负载10在功率上技术上断开，并且此外可选择将子模块22的输入端26，28短路，从而中间电路电容器44并不是不受控制地充电。
对此，从机62首先通过第一安全开关72短路全桥42的输出端，由此逆变器电压58在全桥42的输出端处不再会降低。如果这个逆变器电压58等于零，那么全桥42无法再从电负载10中接收任何电功率或相应地输出。因而通过电负载10有效地中断了对于中间电路电容器44的充电。
为了避免尽管短路但不受控制地电流仍然通过第一安全开关72导入全桥42中并且通过续流二极管48，52整流，从机62可以额外断开第二安全开关74，该第二安全开关中断了在中间电路电容器44和电负载10之间还保持着的电流回路。
最终从机62可以附加性地或替换性地通过全桥42引起其自身的短路。对此仅仅将逆变器半桥54，56的第一开关46和/或逆变器半桥54，56的第一开关50一起闭合。然而如果全桥42自身有故障并且不能有效地引起短路，那么这两个安全开关72，74构成用于避免中间电路电容器44过载的冗余资源。
附加地，从机62也可以将子模块22的输入端26，28短路。这防止中间电路电容器44在输出侧短路期间通过电池8过强地充电并损坏。通过闭合输入半桥40的第二开关50实现输入侧的短路。
尽管在细节上通过优选的实施例详细地阐述和说明了本发明，然而本发明不被这些实施例所限定。本领域专业人员可以由此推导出其他的变体，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种用于在具有至少两个串联的子模块(22)的变流器电路(4)中保护中间电路电容器(44)的方法，所述子模块通过电感器(20)从输出直流电压(16)的电源(8)中获得电功率，其中每个所述子模块(22)在输入侧具有单相的半桥(40)并且在负载侧具有全桥(42)，并且其中所述半桥(40)、所述全桥(42)和所述中间电路电容器(44)在直流电压侧彼此并联，所述方法具有以下的步骤：
-检测在这些所述子模块(22)中的一个子模块中的故障，和
-闭锁从具有检测到的所述故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的负载侧输出端(30，32)至具有检测到的所述故障的所述子模块(22)中的电功率传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-中断在有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的负载侧输出端(30，32)和有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)之间的电连接，以便将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)短路，以便将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-闭合有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的两个开关(46，50)，所述开关将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)连接，以便将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)短路。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-闭合与有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)并联的开关(72)，以便将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)短路。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-闭合与有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)并联的开关(72)，以便将有故障的所述子模块(22)的所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)短路。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-将有故障的所述子模块(22)的输入端(26，28)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-将有故障的所述子模块(22)的输入端(26，28)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-将有故障的所述子模块(22)的所述输入端(26，28)短路，以便将有故障的所述子模块(22)的所述输入端(26，28)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-将有故障的所述子模块(22)的所述输入端(26，28)短路，以便将有故障的所述子模块(22)的所述输入端(26，28)与有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)断开。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-当在有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)处下降的电压(71)超过预定值时，检测在所述子模块(22)中的所述故障。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于以下的步骤：
-当在有故障的所述子模块(22)的所述中间电路电容器(44)处下降的电压(71)超过预定值时，检测在所述子模块(22)中的所述故障。
13.一种控制装置(62)，所述控制装置设计用于执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法。
14.根据权利要求13所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置具有存储器和处理器。
15.一种包括至少两个串联的子模块(22)的变流器电路(4)，所述变流器电路通过电感器从输出直流电压的电源(8)中获得电功率，所述电路具有根据权利要求13或14所述的控制装置(62)，
-其中每个子模块(22)在输入侧具有单相的半桥(40)并且在负载侧具有全桥(42)，和
-其中所述半桥(40)、所述全桥(42)和中间电路电容器(44)在直流电压侧彼此并联。
16.根据权利要求15所述的变流器电路(4)，包括在每个子模块(22)中的开关(74)，所述开关在所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)处与所述全桥(42)串联。
17.根据权利要求15或16所述的变流器电路(4)，包括在每个子模块(22)中的开关(72)，所述开关在所述全桥(42)的所述负载侧输出端(30，32)处与所述全桥(42)并联。
18.一种用于车辆的电动机，包括多个电机绕组和根据权利要求15至17中任一项所述的变流器电路(4)，所述变流器电路具有数量与所述电机绕组(10)的数量相等的所述子模块(22)，其中每个子模块(22)在输出侧连接到电机绕组(10)上。
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