Titel

Stromrichter und Stromversorgungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter umfassend eine Steuereinheit und einen Leistungstransistor, wobei die Steuereinheit zur Ansteuerung des Leistungstransistors eine modulierte Wechselspannung bereitstellt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Stromversorgungssystem für ein batterieelektrisches oder hybridelektrisches Fahrzeug umfassend einen derartigen Stromrichter.

Stand der Technik

Die klassischerweise zur Stromrichter-Ansteuerung (insb. zur Wechselrichter- Ansteuerung) für elektrische Antriebe eingesetzte Pulsweitenmodulation (PWM) besitzt aufgrund der festen PWM-Freguenz ein diskretes Ausgangsspektrum. Dieses diskrete Spektrum regt bei höheren, für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) relevanten Freguenzen Resonanzen an. Diese Resonanzen resultieren bei der Netznachbildung (engl.: Line Impedance Stabilization Network, abgekürzt LISN) in Peaks im EM -LISN-Spektrum. Diese Peaks resultieren in einer Überschreitung der normkonformen Grenzwerte und erfordern eine aufwändige hardwareseitige Kompensation (insbesondere durch einen komplexeren EMV-Filter).

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Stromrichter der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor ein Galliumnitrid-Transistor ist und die Steuereinheit einen Sigma-Delta-Modulator zur Erzeugung der modulierten Wechselspannung umfasst. Vorteile der Erfindung

Sigma-Delta-Modulation wird vor allem bei der Analog-Digital Wandlung zur Rauschformung eingesetzt um Signale mit höherem Rauschabstand erfassen zu können. Vereinzelt finden sich auch Veröffentlichungen zum Einsatz von Sigma- Delta-Modulatoren für die Spannungsmodulation von Wechselrichtern (TWI222780B). Üblicherweise wird jedoch zur Ansteuerung von Wechselrichtern eine Pulsweitenmodulation eingesetzt.

Sigma-Delta-Modulation in Verbindung mit einer gezielten Reduzierung von EMV ist z. B. aus US20070290894A1 oder J. Paramesh and A. von Jouanne, "Use of sigma-delta modulation to control EMI from switch-mode power supplies" oder Jacob, Biji & Baiju, M.R. (2010) “Spread spectrum scheme for two-level inverters using Space Vector Sigma-Delta Modulation” bekannt.

Die Erfindungsgemäße Lösung beschreibt eine Möglichkeit, wie Sigma-Delta- Modulation zur Formung des EMV-Spektrums für die Stromrichter-Ansteuerung für elektrische Antriebe umgesetzt werden kann ohne, dass die folgenden Probleme auftreten:

1. Durch die variable Schaltfrequenz werden im Bereich hoher Frequenzen die maximalen Schaltfrequenzen des Inverters überschritten und im Bereich kleiner Frequenzen bildet sich ein hoher Strom-Rippel auf dem Phasenstrom aus,

2. Die Quantisierung der Spannung ist meist deutlich schlechter als bei PWM-Modulatoren des Standes der Technik,

3. Durch die zusätzlichen Schalteingriffe erhöhen sich die Schaltverluste im Inverter.

Der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator besitzt ein kontinuierlicheres Ausgangsspektrum als bei einem PWM-Modulator. Dies resultiert in einer Spreizung / Gleichverteilung der Peaks, da so weniger Resonanzen angeregt werden. Die Peaks, welche sonst die Grenzwerte überschreiten würden, werden also gewissermaßen „verwischt“ und es wird möglich die geforderten Grenzwerte ohne hardwareseitigen Mehraufwand einzuhalten. Eine Realisierung des Vorgeschlagenen wird erst durch den kombinierten Einsatz in einem Stromrichter möglich, der mit einem Galliumnitrid-Transistor (GaN-Transistor) bestückt ist. Durch das deutlich verlustärmere und schnellere Schalten des Galliumnitrid-Transistors, wird eine deutliche Erhöhung der Schaltfrequenz möglich. Durch diese Erweiterung des „Freiheitsgrades Schaltfrequenz“ wird die variable Schaltfrequenz des Sigma-Delta-Modulators an den Grenzbereichen (maximale Frequenz und minimale Frequenz) nicht zum Problem. Zusätzliche Schalteingriffe, die durch das überlagerte Rauschen des Sigma-Delta-Modulators verursacht werden, sind durch die stark verringerten Schaltverluste eher tolerierbar. Anders als beim PWM-Modulator stellt sich die wirksame Spannung am Stromrichter nicht über das Tastverhältnis, sondern über den pulsverhältnismodulierten Bitstrom am Ausgang des Sigma-Delta- Modulators ein. Dies benötigt eine gewisse Zeit, bis der Bitstrom am Ausgang im Mittel der Spannung am Eingang entspricht. Die Quantisierung der Spannung wird durch die Zeitkonstante des Sigma-Delta-Modulators bestimmt. Vorzugsweise ist der Galliumnitrid-Transistor ein Wide-Bandgap-Galliumnitrid- Transistor bzw. Galliumnitrid-Schalter mit sehr kleinen Schaltverlusten, was wiederum hohe Schaltfrequenzen ermöglicht. Ein geeigneter Galliumnitrid- Transistor ist beispielsweise das Modell „EPC21022“ des Herstellers EPC.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann insbesondere ein deutlich kleiner dimensionierter Elektromagnetische-Verträglichkeits-Filter vorgesehen werden. Durch die Ansteuerung mit Sigma-Delta-Modulation werden die EMV-Grenzwerte weniger stark überschritten, wodurch die Rückwirkung des Stromrichters auf das Bordnetz weniger gedämpft werden muss. Das führt dazu, dass die im EMV- Filter enthaltenen Induktivitäten und Kapazitäten (insbesondere Spulen und Kondensatoren) kleiner dimensioniert werden können.

Der Sigma-Delta-Modulator ist bevorzugt in einem Signalverarbeitungsteil des Stromrichters angeordnet. Der Sigma-Delta-Modulator kann als hybrider (analoger und digitaler) Modulator oder als volldigitaler Modulator z. B. komplett in einem FPGA (englisch: Field Programmable Gate Array), implementiert werden. Das EMV-Filter ist bevorzugt in einem Leistungsteil des Stromrichters angeordnet und befindet sich zum Beispiel direkt am Gleichspannungs- Anschluss des Stromrichters (bzw. Wechselrichters), welcher mit mindestens einem GaN-Transistor (GaN-Leistungsschalter) bestückt ist. Es ist bevorzugt, wenn der Stromrichter dazu eingerichtet ist als Wechselrichter zu operieren, der eine von einem Akkumulator bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Versorgung eines Elektromotors umwandelt. Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere für Wechselrichter zur Versorgung von Elektromotoren vorteilhaft, da der Elektromotor das Rauschen des Sigma- Delta-Modulators durch sein Tiefpassverhalten wegfiltert.

Es ist bevorzugt, wenn der Sigma-Delta-Modulator einen gesampelten Quantisierer (d. h. die Samplerate des Quantisierers entspricht der Zeitkonstante des Sigma Delta Modulators) zur Digitalisierung eines durch einen ersten Integrator integrierten Signals (d. h. das digitale Ausgangssignal des Quantisierers liefert den Schaltzustandsbefehl für den GaN-Transistor), einen 1- Bit-Digital-Analog-Umsetzer in einer ersten Rückkopplungsschleife zu Bereitstellung eines analogen Signals aus dem digitalen Ausgangssignal des Quantisierers, und einen ersten Integrator zur Integration eines in den ersten Integrator eingehenden ersten Eingangssignals welches die Differenz aus dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators (zu modulierender Soll- Spannungswert) und dem digitalen Ausgangssignal ist, und einen ersten Subtrahierer zur Subtraktion des in den Sigma-Delta-Modulator eingehenden Signals und des digitalen Ausgangssignals und zur Bereitstellung des Ergebnisses an den ersten Integrator. Die genannten Elemente sind ausreichend um zumindest einen Sigma-Delta-Modulator erster Ordnung bereit zu stellen.

Es ist bevorzugt, wenn der Sigma-Delta-Modulator ein Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung ist. Für die spezifische Anwendung in einem batterieelektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeug bietet sich vor allem ein Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung an, da dieser im relevanten Frequenzbereich (Frequenzbereich der elektrischen Maschine) weniger Rauschen als ein Sigma-Delta-Modulator erster Ordnung besitzt, jedoch im Vergleich zu einem Sigma-Delta-Modulator dritter Ordnung, ohne Zusatzaufwand stabil bleibt. Es sind aber auch Sigma-Delta-Modulatoren höherer Ordnung (dritter Ordnung, vierter Ordnung...) oder erster Ordnung denkbar.

In einer Ausführungsform umfasst der Sigma-Delta-Modulator eine zweite Rückkopplungsschleife zu Bereitstellung des analogen Signals des 1 -Bit-Digital- Analog-Umsetzers an einen dem ersten Integrator vorgelagerten zweiten Integrator zur Integration eines in den zweiten Integrator eingehenden Signals und zur Bereitstellung des Eingangssignals für den ersten Subtrahierer, welches die Differenz aus dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators und dem digitalen Ausgangssignal ist, und einen zweiten Subtrahierer zur Subtraktion des in den Sigma-Delta-Modulator eingehenden Signals und des digitalen Ausgangssignals und zur Bereitstellung des Ergebnisses an den zweiten Integrator. Die genannten Elemente sind ausreichend um einen Sigma-Delta- Modulator zweiter Ordnung bereit zu stellen, der für eine Verwendung in einem batterieelektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeug.

In einer Ausführungsform ist der Sigma-Delta-Modulator nicht als hybrider Modulator (analog und digital), sondern als rein digitaler Modulator ausgeführt. Der analoge Teil des Modulators wird dann digital quasikontinuierlich nachgebildet. Der Sigma-Delta-Modulator ist dann vorzugsweise als volldigitaler Modulator in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert.

Es ist bevorzugt, wenn der Stromrichter eine mittlere Schaltfrequenz von mindestens 300 kHz, vorzugsweise von mindestens 400 kHz, besonders bevorzugt von mindestens 500 kHz aufweist. Der Stromrichter besitzt keine feste Schaltfrequenz, sondern die ständig variierende Schaltfrequenz wird im Mittel durch die Zeitkonstante des Sigma-Delta-Modulators bestimmt (Pulsverhältnis- Moduliertes-Signal). Damit die Spannungs-Quantisierung vergleichbar mit einem Pulsweitenmodulator des Standes der Technik ist, muss die Zeitkonstante des Sigma-Delta-Modulators sehr schnell eingestellt werden. Dies führt gleichzeitig zu sehr hohen mittleren Schaltfrequenzen (500kHz und mehr). Diese mittleren Schaltfrequenzen sind mit einem herkömmlichen Stromrichter mit Silizium Halbleitern kaum zu erreichten, was ein weiterer Grund für einen kombinierten Einsatz mit einem schnellschaltenden Galliumnitrid-Transistor ist.

Vorzugsweise ist der Stromrichter ein Wechselrichter. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders für Wechselrichter die Elektromotoren (insbesondere in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen) versorgen vorteilhaft, da sonst problematische EMV-Störungen (gegenüber PWM) deutlich reduziert werden können, ohne besonderen Aufwand beim EMV-Filter. Die Erfindung betrifft außerdem ein Stromversorgungssystem für ein batterieelektrisches oder hybridelektrisches Fahrzeug umfassend einen Stromrichter nach einer der vorstehenden Ausführungsformen. Für derartige Verwendungen ist der erfindungsgemäße Stromrichter besonders vorteilhaft einsetzbar, da EMV-Störungen deutlich reduziert werden und somit die Störungskompensation über EMV-Filter deutlich vereinfach wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Sigma-Delta-Modulator zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Stromrichters,

Figur 2 ein EMV-LISN-Spektrum eines erfindungsgemäßen

Stromrichters im Vergleich mit einem entsprechenden Stromrichter mit PWM-Modulator des Standes der Technik.

Ausführungsformen der Erfindung

In der Figur 1 ist ein Sigma-Delta-Modulator 1 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters dargestellt. Der Sigma-Delta-Modulator 1 umfasst einen mit der Zeitkonstante des Sigma-Delta-Modulators 1 gesampelten Quantisierer 2 zur Digitalisierung eines Spannungssignals, sowie einen 1-Bit- Digital-Analog-Umsetzer 3 in einer ersten Rückkopplungsschleife 4 zu Bereitstellung eines analogen Signals aus dem digitalen Ausgangssignal des Quantisierers 2. Weiterhin ist ein erster Subtrahierer 5 zur Subtraktion des in den Sigma-Delta-Modulator 1 eingehenden Signals (der zu modulierenden Spannung) mit dem digitalen Ausgangssignal sowie einen ersten Integrator 6 zur Integration des ersten Ausgangssignals des ersten Integrators 6 vorgesehen. Die bisher beschriebenen Elemente würden alleine einen Sigma-Delta-Modulator 1 erster Ordnung bilden. Die dargestellt Ausführungsform des Sigma-Delta-Modulators 1 ist ein Sigma- Delta-Modulator zweiter Ordnung. Es sind aber auch Sigma-Delta-Modulatoren höherer Ordnung (dritter Ordnung, vierter Ordnung...) oder erster Ordnung denkbar.

Der Sigma-Delta-Modulator 1 umfasst hier daher eine zweite Rückkopplungsschleife 7 zu Bereitstellung des analogen Signals des 1 -Bit- Digital-Analog-Umsetzers 3 an einen dem ersten Integrator 6 vorgelagerten zweiten Integrator 8 zur Integration eines in den zweiten Integrator 8 eingehenden Eingangssignals, welches die Differenz aus dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators 1 und dem digitalen Ausgangssignal ist. Der Sigma- Delta-Modulator 1 umfasst außerdem einen zweiten Subtrahierer 9 zur Subtraktion des in den Sigma-Delta-Modulator 1 eingehenden Signals und des digitalen Ausgangssignals und zur Bereitstellung des Ergebnisses an den zweiten Integrator 8. Der zweite Integrator 8 stellt dann das zwei Absätze zuvor beschriebene „in den Sigma-Delta-Modulator 1 eingehende Signal“ für den ersten Subtrahierer 5 ist also bei einem Sigma-Delta Modulator zweiter Ordnung das vom zweiten Integrator s bereitgestellte Signal.

Fig. 2 zeigt beispielhafte experimentelle EMV-LISN-Spektren eines erfindungsgemäßen Stromrichters im Vergleich mit einem entsprechenden Stromrichter mit PWM-Modulator des Standes der Technik. Die klassischerweise zur Stromrichter-Ansteuerung für elektrische Antriebe eingesetzte Pulsweitenmodulation besitzt aufgrund der festen PWM-Frequenz ein diskretes Ausgangsspektrum. Dieses diskrete Spektrum regt bei höheren, EMV-relevanten Frequenzen Resonanzen an, die in Peaks im EM -Spektrum 10 des PWM- Modulators resultieren. Diese Peaks resultieren in einer Überschreitung der normkonformen Grenzwerte 11, weshalb eine aufwändige EMV-Filterung erforderlich ist.

Der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator erzeugt ein EMV-Spektrum 12 das deutlich gleichmäßiger verläuft und keine vergleichbaren Resonanz-Peaks aufweist. Daher bleibt das EMV-Spektrum 12 bei den meisten Frequenzen deutlich unter den normkonformen Grenzwerten 11, sodass je nach Ausführungsform auf einen EMV-Filter verzichtet werden kann oder dieser zumindest deutlich einfacher und kostengünstiger ausgestaltet werden kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.