逆變器裝置和用於逆變器裝置的操控方法
2023-08-04 08:30:36
逆變器裝置和用於逆變器裝置的操控方法
【專利摘要】逆變器裝置和用於逆變器裝置的操控方法。本發明實現對逆變器設備的優化的操控。這樣的逆變器設備的逆變器在此可以交替地在二級運行中或者在三級運行中被操控。通過適當選擇操控方法，逆變器中的半導體損耗可以被最小化並且可以有針對性地控制所使用的部件的熱負荷。利用用於逆變器的所建議的運行方法，在小輸出電壓以及強電感或電容負荷的情況下也可以進行有效和保護性的逆變器運行。
【專利說明】逆變器裝置和用於逆變器裝置的操控方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種逆變器裝置和一種用於運行逆變器裝置的操控方法。
【背景技術】
[0002]從直流電壓中產生單相或多相交流電壓的電逆變器是已知的。例如，使用這樣的逆變器來將來自可再生能源(例如光伏設備)的電能饋入電能量供應網絡中。此外逆變器還例如在無中斷的電流供應設備(USV)中使用。此外逆變器裝置還被用於控制電驅動設備，例如在電動車輛中。
[0003]在構建逆變器電路時，要將兩點或兩級電路與三點或三級電路區分開來。圖1示出單相逆變器的兩級電路的例子。在該逆變器的輸入端上，在點U+與U-之間施加中間電路電壓υζκ。通過有針對性地操控兩個半導體開關Vltl和V2tl，在輸出端A上要麼施加正電壓U+要麼施加負電壓U-。在此，與兩個半導體開關Vltl和V2tl並聯地分別布置空轉二極體DlO和D20，這些空轉二極體在空轉情況下接管電流引導。
[0004]此外三級電路能夠調節在輸出端上的3個電壓級。在此，除了正電壓U+和負電壓U-之外還可以在逆變器的輸出端上施加中性的平均電壓。在此通過採用三級電路可以減小逆變器中的開關損耗。此外這樣的三級電路與二級電路相比即使在小開關頻率的情況下也具有更小的輸出電壓諧波含量。由於常規的三級電路需要負載電流經過至少兩個半導體閥門的電流流動，因此具有空轉的電橋支路的拓撲(第二級NPC，NPC-T結構)被證明是有建設性的。該電路裝置例如由文獻DE102010008426A1已知。該文獻公開了一種具有卸載網絡的 NPC 逆變器(Neutral-Point-Clamped Wechselrichter,中點甜位型逆變器)。
[0005]在此，三級逆變器電路在高的輸出電壓和COS(O)的絕對值接近I的情況下在半導體開關元件的負荷方面優於二級電路，因為在這種情況下電路的空轉路徑僅被相對較小地加載。相反，如果應當展示相對較小的輸出電壓和/或如果必須通過逆變器提供大份額的視在功率，這對應於絕對值小的COS(O)，則逆變器的空轉路徑中的半導體器件強烈地參與電流引導。由此在此情況下需要大的半導體結，尤其是因為在空轉中兩個半導體以串聯電路起作用。在此，在小輸出電壓和/或COS(O)的絕對值相對較小的情況下逆變器的損耗非常強地提高。所述損耗除了導致惡化的效率之外還導致逆變器的熱負荷，這需要加大冷卻並且也對逆變器的壽命產生負面作用。
[0006]因此存在對以下逆變器裝置的需要，該逆變器裝置對所有運行情況都具有儘可能小的損耗並且由此儘可能少地使半導體器件加載。
【發明內容】
[0007]本發明根據一個方面實現了一種用於具有至少兩個不同運行模式的逆變器的操控方法，其中該操控方法在第一運行模式中以二級運行來操控該逆變器並且在第二運行模式中以三級運行來操控該逆變器。
[0008]根據另一方面，本發明實現了一種逆變器裝置，該逆變器裝置具有被設計為輸出交流電壓的逆變器；以及控制設備，該控制設備被設計為在第一運行模式中以二級運行來操控該逆變器並且在第二運行模式中以三級運行來操控該逆變器。
[0009]本發明的想法是，動態地匹配逆變器的運行模式。尤其是在此在逆變器的運行期間在二級運行和三級運行之間變換。由此可以根據相應的框架條件最佳地運行該逆變器。
[0010]一個優點在於，通過本發明匹配逆變器中的運行模式可以分別匹配該運行模式，使得逆變器的半導體器件被儘可能小地加載。在此，尤其是可以分別選擇這樣的運行模式，在該運行模式情況下空轉運行中的電流也引起對半導體器件的儘可能小的加載。
[0011]另一個優點在於，通過本發明匹配運行模式可以減小逆變器內的開關損耗。由此提高逆變器的效率。此外逆變器內的損耗的減小還導致較小的熱負荷。由此保護了半導體器件並提高了半導體器件的壽命。
[0012]根據本發明的操控方法的實施方式，依據參數——輸出電壓、輸出電流、待提供的視在功率、輸出電壓的諧波含量和逆變器的熱負荷一中的至少一個來選擇運行模式。尤其是在輸出電壓相對較小的情況下，三級運行導致比二級運行更高的半導體負荷，而隨著輸出電壓的升高該效應倒過來。由此通過依據輸出電壓來選擇運行模式，可以為逆變器電路選擇分別最佳的運行模式。通過考慮逆變器內的熱負荷，可以通過有針對性地選擇對應的運行模式避免對各個器件的過度的熱負荷。因此在最有利的情況下，對所有器件可以調節出幾乎相同的運行溫度。這尤其是導致逆變器的壽命的提高。同樣可以通過有針對性地考慮輸出電流、待提供的視在功率和輸出電壓的容許的諧波含量進行運行參數的最優化。
[0013]根據一種實施方式，交替地選擇逆變器的第一運行模式和第二運行模式。通過逆變器在二級運行和三級運行中交替地運行，可以實現所使用的所有器件的特別是相同的負荷，由此避免對各個器件的過度負荷。
[0014]根據另一實施方式，在第一運行模式中用第一開關頻率來運行逆變器，並且在第二運行模式中用第二開關頻率來運行逆變器，其中第二開關頻率不同於第一開關頻率。由此對於兩個運行模式中的每一個可以分別使用優化的開關頻率。
[0015]根據一種實施方式，逆變器裝置的逆變器被構造為三級中點鉗位型逆變器。優選地，逆變器被構造為二級中點鉗位型逆變器。這樣的逆變器具有特別小的損耗並且由此具有高效率。
[0016]在一種實施方式中，逆變器裝置具有多相逆變器。這樣的多相逆變器例如特別好地適合於操控多相電驅動裝置，或者也適合於向三相電網等饋入電能。
[0017]本發明的一種實施方式包括被設置用於向電能量供應網絡饋入能量或者用於改善網絡質量的逆變器裝置。
[0018]本發明的另一種實施方式包括具有本發明的逆變器裝置的電驅動裝置。電驅動裝置恰好也需要相對較小的輸出電壓和/或具有絕對值相對較小的C0S(O)的運行。在此，通過本發明的逆變器裝置運行可以進行特別有效的操控。
[0019]本發明還包括具有電驅動裝置的車輛，尤其是混合動力車輛或電動車輛，所述電驅動裝置由本發明的逆變器裝置操控。
[0020]本發明的其它特徵和優點由以下參照附圖的描述得出。
【專利附圖】
【附圖說明】[0021]圖1示出二級逆變器的示意圖；
圖2示出基於本發明的一種實施方式的三級逆變器裝置的示意圖；
圖3示出用於示意性顯示逆變器的輸出電壓和半導體負荷之間的關係的圖表；以及 圖4示出根據本發明的實施方式在逆變器的輸出端上的脈衝圖案的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]圖2示例性地示出三級逆變器的構型。該逆變器利用其上電橋支路與用於正輸入電壓Uzk+的連接端U+連接。下電橋支路與用於負輸入電壓UZK_的連接端U-連接。中間電橋支路與用於輸入電壓的中間抽頭的輸入連接端N連接。作為輸入電壓UZK+和UZK_，分別在連接端U+和N之間以及在連接端N和U-之間施加一半的中間電路電壓Uzko逆變器I具有在連接端U+與連接端N之間的第一中間電路電容器Cl以及在連接端N與U-之間的第二中間電路電容器C2。此外，逆變器I具有4個開關元件Vl至V4，這些開關元件經由控制裝置2被操控。通過這種方式在輸出連接端A上施加脈衝式的輸出電壓。這4個開關元件Vl至V4分別與二極體Dl至D4反並聯。第一開關元件Vl和二極體Dl在此位於輸入連接端U+與輸出端A之間的上電橋支路中。在輸入連接端U-與輸出端A之間的下電橋之路中存在具有對應二極體D4的第四開關元件V4。在連接端N與輸出端A之間的中間電橋支路中串聯地存在具有二極體D2的開關元件V2和具有二極體D3的開關元件V3。
[0023]作為開關元件Vl至V4，在此考慮所有類型的合適的開關元件。作為開關元件尤其合適的是半導體開關元件，例如具有絕緣柵極的雙極電晶體(IGBT)。替換地，當然也可以使用實現對應的逆變器運行的所有類型的其它開關元件。
[0024]逆變器I以其所示的形式可以首先基本上在三級運行中被操控。在此，控制設備2操控開關元件Vl至V4，使得在逆變器的輸出端A上分別施加正中間電路電壓UZK+、負中間電路電壓UZK_或者中性平均電壓。特別是在輸出電壓與中間電路電壓相比比較小的情況下，在該三級運行模式中對所使用的半導體器件、尤其是在中間支路中非常強地加載。在輸出電壓相對較小的情況下，中間支路高於平均水平地長時間激活。由於在中間支路中電流分別必須流過開關元件V2或V3並且同時還必須流過對應的二極體D2或D3，因此在這種情況下得出所參與的半導體器件的特別高的負荷。
[0025]圖3示出一個圖表，該圖表示出在逆變器中的半導體器件的輸出電壓與負荷之間的關係。如在此可以看出的，恰好在低輸出電壓的情況下在三級運行中對空轉半導體進行非常高的加載。這導致在輸出電壓非常小的情況下在三級運行中的半導體負荷之和大於在二級運行中的半導體負荷之和。
[0026]因此為了減小逆變器I中的半導體負荷，替換地還可以在二級運行中運行逆變器
I。在此情況下通過控制設備2不對開關元件V2和V3進行操控。而是在二級運行中僅操控開關元件Vl和V4。由此在二級運行中在逆變器I的輸出端A上施加正中間電路電壓Uzk+或者負中間電路電壓UZK_。由於在中間支路中的開關元件V2和V3以及二極體D2和03在二級運行期間不被一起包括到電流路徑中，因此這些器件在二級運行中也不被加載。
[0027]如從圖3中看出的，尤其是在要在逆變器上調節出相對較小的輸出電壓的情況下結果得到的總半導體負荷在二級運行中要小於在三級運行中。由此例如可以根據待調節的輸出電壓通過控制設備2將逆變器I操控在二級運行中或三級運行中，這要根據哪個運行模式引起更小的半導體負荷而定。
[0028]此外逆變器的空轉支路尤其是在COS(O)的絕對值相對較小的情況下、也就是在強電感負荷或強電容負荷的情況下被強烈加載。大的電感負荷例如在操控電驅動裝置時出現。這樣的驅動裝置例如存在於電動車輛中。但是另外的電感或電容負荷也同樣導致空轉支路中的高電流並由此導致在此涉及的半導體器件的對應負荷。
[0029]由於前面描述的效應，例如對於相對較小的輸出電壓和/或具有強電感或電容負荷的逆變器的運行，可能發生各個器件的相對較大的負荷。這種大的負荷導致相應器件的強烈的熱升溫。器件的過度升溫在此又導致壽命被劇烈影響。為了抵消各個器件的這種過度升溫，可以通過本發明的在二級運行和三級運行之間變換的概念來減小各個器件的過度熱負荷。通過有針對性地在兩個運行模式之間變換，可以從一個運行模式變換到另一個運行模式並由此有針對性地將負荷分配到多個器件上。各個器件可以被保護免遭過度升溫。由此例如可以通過在二級運行和三級運行之間交替地運行而將熱損耗功率均勻地分配到所有器件上。為此例如可以建立數學模型並且基於各個器件的這樣理論計算的損耗功率在運行模式之間來回變換，使得所有器件儘可能均勻升溫。替換地同樣可以將溫度傳感器(未示出)集成到逆變器中並且由此在測量到過度的溫度升高時從一個運行模式變換到替換的運行模式中。通過有針對性地控制逆變器以使得所有元件均勻升溫，可以避免由於過度溫度升高而導致的各個器件的過度老化並由此提高逆變器的壽命。
[0030]在各個運行模式、也就是二級運行和三級運行之間的變換在此不一定在每個脈衝周期之後進行。以下方式是足夠的:頻繁地執行在各個運行模式之間執行變換，使得由於器件的熱慣性而出現近似恆定的運行溫度。
[0031]在二級運行和三級運行中交替運行的情況下，也不強制需要兩個運行模式的平衡的比例，也就是說，逆變器不需要50%在二級運行中和50%在三級運行中運行。與其它框架條件有關地，兩個運行模式的另外的混合比例也是可以的。兩個運行模式的比例可以與相應的運行點匹配，以優化半導體的負荷，或者以實現對於相應的運行點來說損耗最佳的運行方式。
[0032]通過在二級模式中的運行，提高了輸出電壓的諧波含量。逆變器的輸出電壓的預計的諧波振蕩也可以在調節兩個運行模式的混合比例時以及在調節時間序列時加以考慮。此外兩個運行模式的比例或者對兩個模式中僅一個模式的選擇例如也可以根據輸出電流的大小來做出。
[0033]如果逆變器例如在低負荷運行中運行，其中僅流過相對較小的電流，則在這種情況下不利的運行模式也不會引起逆變器的過度升溫。因此在這樣的情況下對於相對較小的輸出電壓也完全可以選擇三級運行。
[0034]因此總的來說為了選擇相應的運行模式或為了選擇在交替運行中的混合比例考慮以下因素:
-輸出電流的大小:在輸出電流相對較小的情況下，不利的運行模式也不會導致逆變器的過度升溫。因此在小輸出電流的情況下也可以接受在逆變器中具有較大損耗的運行模式。
[0035]-電感/電容輸出負荷:在以相對較小的COS(O)絕對值來對逆變器加載的情況下期望有相對較大的空轉電流。所述空轉電流在選擇運行模式時必須一起加以考慮。[0036]-輸出電壓的諧波含量:如前所提到的，在二級運行中的諧波含量高於在三級運行中的諧波含量。因此對於輸出電壓的更小的諧波含量，三級運行是優選的。
[0037]-預期的損耗和逆變器效率。
[0038]-在各個半導體中的溫度波動的最小化:通過運行模式之間的受控的變換可以將所使用的所有器件在運行持續時間期間保持在近似恆定的溫度，這對逆變器的壽命預期有積極的作用。
[0039]-待調節的輸出電壓:如從圖3中看出的，器件的負荷依據逆變器的待調節的輸出電壓而變化。
[0040]在輸出頻率特別小的情況下，可以不再在一個周期上對開關元件的負荷進行平均。在這種情況下必須將開關元件計算到瞬時值的最不利的情況。在三級運行中，在此電負荷集中在空轉迴路中的半導體對上。在此可以通過在二級運行和三級運行之間的交替運行來實現高的卸載。
[0041]但是三級運行和二級運行的分配不需要沿著輸出電壓的電角度均勻地進行。尤其是在輸出頻率非常小的情況下，混合運行可以不同地分配在輸出電壓-基波振蕩的電角度上，以由此實現優化。
[0042]前面描述的逆變器裝置的運行可以與根據現有技術的無數已知調製方法一起用於相應的各運行模式。在此優選使用這樣的方法或調製載體的相位:所述方法或調製載體的相位在兩個運行模式之間的過渡時不需要附加的開關操作，以由此避免附加的開關損耗。
[0043]但是這並不強制意味著:在二級運行中以及在三級運行中原則上都必須使用相同的開關頻率。同樣可以分別對二級運行和三級運行單獨地選擇不同的開關頻率。如果對二級運行和三級運行選擇不同的開關頻率，則優選選擇在這些開關頻率之間具有整數比，使得可以保證運行模式之間的低損耗過渡。
[0044]圖4示出在本發明逆變器的輸出端上的示例性脈衝圖案的示意圖。在時間間隔I期間，逆變器在此處於三級運行中，也就是說輸出電壓分別在中性參考電位與正或負的中間電路電壓之間切換。在時間段II期間，逆變器處於二級運行中，也就是說輸出電壓僅在正中間電路電壓和負中間電路電壓之間來回切換。
[0045]根據本發明的、在二級運行與三級運行之間變換的逆變器運行在此可以如上所述被用於產生單相交流電壓。但是此外還可以將本發明的方法同樣應用於多相逆變器，例如三相逆變器。由此例如可以向三相的多相電流網饋電。同樣可以通過多相逆變器來操控對應的多相電驅動裝置。
[0046]總的來說，本發明涉及對逆變器設備的優化的操控。這樣的逆變器設備的逆變器在此可以交替地在二級運行中或者在三級運行中被操控。通過適當選擇操控方法，逆變器中的半導體損耗可以被最小化並且可以有針對性地控制所使用的部件的熱負荷。利用用於逆變器的所建議的運行方法，在小輸出電壓以及強電感或電容負荷的情況下也可以進行有效和保護性的逆變器運行。
【權利要求】
1.用於具有至少兩個不同運行模式的逆變器(I)的操控方法，其中該操控方法在第一運行模式中以二級運行來操控該逆變器(I)並且在第二運行模式中以三級運行來操控該逆變器(I)。
2.根據權利要求1所述的操控方法，其中該操控方法依據以下參數中的至少一個來選擇運行模式:輸出電壓、輸出電流、待提供的視在功率、輸出電壓的諧波含量和逆變器(I)的熱負荷。
3.根據前述權利要求1或2之一所述的操控方法，其中交替地選擇第一運行模式和第二運行模式。
4.根據前述權利要求1至3之一所述的操控方法，其中在第一運行模式中用第一開關頻率來運行逆變器(I )，並且在第二運行模式中用第二開關頻率來運行逆變器(I )，其中第二開關頻率不同於第一開關頻率。
5.逆變器裝置，具有: 被設計為輸出交流電壓的逆變器(I);以及 控制設備(2)，該控制設備被設計為在第一運行模式中以二級運行來操控該逆變器(I)並且在第二運行模式中以三級運行來操控該逆變器(I)。
6.根據權利要求5所述的逆變器裝置，其中所述逆變器(I)被構造為三級中點鉗位型逆變器，優選被構造為二級中點鉗位型逆變器。
7.根據權利要求5或6所述的逆變器裝置，其中該逆變器裝置具有多相逆變器。
8.根據權利要求5至7之一所述的逆變器裝置，該逆變器裝置被設置用於向電能量供應網絡饋入能量或者用於改善網絡質量。
9.具有根據權利要求5至7之一所述的逆變器裝置的電驅動裝置。
10.具有根據權利要求9所述的電驅動裝置的車輛。
【文檔編號】H02M7/487GK103997240SQ201410054287
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2013年2月19日
【發明者】K.施帕諾斯, H.施泰因布赫 申請人:羅伯特·博世有限公司