CN102687379A - 逆变器的功率开关系统 - Google Patents

Abstract

用于逆变器的尤其是驱动逆变器的功率开关系统（1），其中，功率开关系统（1）具有功率半导体开关（2）以及布置在功率半导体开关（2）上的保护电路（3）以防止可与功率半导体开关连接的交流马达（5）的电压反向作用，其中，所述功率半导体开关（2）具有控制输入端（2a）以及输入端（2b）和输出端（2c），其特征在于，保护电路（3）具有由齐纳二极管（7）和第一欧姆电阻器（8）组成的、在输入端（2b）与控制输入端（2a）之间联接的串联电路，以及由第二欧姆电阻器（9）和二极管（10）组成的、在控制输入端（2a）与输出端（2c）之间联接的串联电路。

Description

逆变器的功率开关系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的、逆变器的功率开关系统。

背景技术

特别是使用变流器来操控马达，其中，例如借助直流电源为机器供电，然而为了运行需要一个或者多个交流电相。尤其在机动车驱动技术领域中，这类机器是例如交流马达，例如永磁激励的或他励的同步马达。

变流器例如具有马达侧的逆变器或者说驱动逆变器，该逆变器将来自例如变流器的中间回路的尤其是来自具有中间回路电容器的中间回路的直流电压转换为期望频率的交流电压以便控制要驱动的交流马达的转动方向和转速。这些驱动逆变器尤其使用在机动车中，例如电驱动的机动车，其中，交流马达例如构造为车辆驱动马达。

这类车辆驱动马达（尤其是永磁激励的同步马达）通常表现出结构方式引发的特性，即，在运行中，感生出随着转速增加而升高的反向电压或者说内电压（磁极转子电压（Polradspannung）），该反向电压或者说内电压在很高转速时尤其借助于（驱动）逆变器的续流二极管馈入或者反馈进入中间回路，并且可能在变流器中或者说逆变器中、电池中以及其他组件中导致损害。为了避免这种情况，但是还能在高转速时运行马达，因而在现有技术中在高于额定转速时进行磁场减弱，以便避免有害的电压反向作用。然而尤其是当马达高于额定转速地运行（弱磁运行），并且例如弱磁电流不能较长久地维持时，即使在应用了磁场减弱的情况下，也可能是对变流器或者其他组件的损害。在此原因可能是例如控制电子装置的失效。

为了防止变流器遭受在交流侧的（即来自马达的）意外电压升高情况下的有害的电压反向作用，在现有技术中建议了各种保护电路。在此，通常使变流器的或者说变流器的马达侧的逆变器的功率半导体开关在故障情况下短路，进而由此使与其连接的相应马达端子在故障情况下短路。经由桥式电路的短路可以阻止例如中间回路电容器的、电池的、功率开关等的损害，进而由此阻止由于转子转动感生的电压对变流器的损害。然而公知系统的弱点在于，短路必须有源地通过逆变器的操控电子装置来执行。在操控电子装置故障时，没有保护机制来防止在同步电机中或者马达中感生的电压产生的损害。

DE 10251977A1公开了一种这种类型的同步马达，该同步马达具有有源控制装置，用于使得功率电子装置的功率半导体开关短路。就此而言，该保护装置的缺点在于，使用大量的器件，尤其是有源器件，由此系统的成本和复杂性是巨大的。DE 102005009341A1公开了一种功率输出级的保护系统，该保护系统具有逻辑电路和测量单元。该系统同样是复杂地和高消耗地在使用昂贵有源器件情况下实现。DE29813080U1示出另一种防止电驱动装置的电压反向作用的保护装置，其中，该保护装置也要求复杂的电子装置以及要求借助于电驱动装置进行的能量供给。DE 19835576A1公开了一种永磁激励的电动马达的操控系统，该操控系统包含运行状态检测单元，以便按照要求产生短路。该系统与前面的同样复杂和成本密集，并且不能不使用有源器件地实现。

发明内容

从此出发本发明的任务在于解决上述问题并且实现一种逆变器的功率开关系统，所述功率开关系统简单且廉价地提供相应保护防止交流马达的电压反向作用，并且不要求额外的有源器件。

根据本发明该任务通过权利要求1的特征得到解决。

根据本发明建议一种用于逆变器尤其是驱动逆变器的功率开关系统，其中，所述功率开关系统具有功率半导体开关以及布置在所述功率半导体开关上的保护电路以防止可与所述功率半导体开关连接的交流马达的电压反向作用，其中，所述功率半导体开关具有控制输入端以及输入端和输出端，并且其中，所述保护电路具有在所述输入端与所述控制输入端之间联接的、由齐纳二极管和第一欧姆电阻器组成的串联电路，以及在所述控制输入端与所述输出端之间联接的、由第二欧姆电阻器和二极管的组成的串联电路。所述齐纳二极管尤其以截止方向布置在所述功率半导体开关输入端与控制输入端之间。所述二极管尤其以导通方向布置在所述功率半导体开关控制输入端与输出端之间。

在功率开关系统的一个根据本发明的实施方式中，保护电路具有恰好一个齐纳二极管和/或恰好一个二极管。此外如下地设置，即，保护电路具有恰好一个第一欧姆电阻器和/或恰好一个第二欧姆电阻器。

在功率开关系统的另一个根据本发明的实施方式中，功率半导体开关是具有绝缘栅极的双极型晶体管（IGBT），其中，输入端构造为集电极，控制输入端构造为栅极，输出端构造为发射极。

在所述功率开关系统的另一个根据本发明的实施方式中，所述功率半导体开关是场效应晶体管（FET），尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其中，输入端构造为漏极，控制输入端构造为栅极，输出端构造为源极。

还建议一种逆变器，该逆变器用于为交流马达、尤其是机动车驱动马达供电，其中，所述逆变器具有半桥用于与交流马达的绕组支路连接，其中，所述半桥具有根据本发明的功率开关系统。

根据本发明一个实施方式，所述逆变器的每个半桥各具有一个功率开关系统。

此外，在所述逆变器的一个实施方式中，半桥具有用于交流马达的支路的电接头，所述电接头与功率开关系统的功率半导体开关的输入端电连接。

根据逆变器的另一实施方式，一个半桥具有两个功率开关系统。

此外，建议一种机动车驱动系统，该机动车驱动系统具有交流马达，所述交流马达借助于逆变器供给电能，其中，所述逆变器为了交流马达的能量供给具有桥式电路，其中，所述桥式电路具有根据本发明的功率开关系统。

在根据本发明的驱动系统的一个实施方式中，所述交流马达是同步马达，尤其是车辆驱动马达。在此，所述交流马达可以是永磁激励的马达或他励的马达。

根据驱动系统的另一实施方式，所述桥式电路具有带功率开关系统的半桥。

附图说明

本发明的其他特征和优点由随后的、本发明的实施例，结合（示出了对本发明来说重要的细节的）附图中的图形，和由权利要求得出。在本发明的变形方式中，各个特征可以独立地或者可以多个任意组合地实现。

随后结合附图详细阐释本发明的优选实施方式。其中：

图1根据本发明一个可行实施方式示范性地示出使用功率开关系统的情况下变流器的马达侧逆变器的桥式电路；并且

图2根据本发明一个可能的实施方式示范性地示出功率开关系统。

具体实施方式

在以下说明和附图中，相同附图标记对应相同的或者类似的功能的元件。

图1示出根据本发明的功率开关系统1尤其用于防止交流马达的电压反向作用，该功率开关系统具有例如马达侧的逆变器的桥式电路4中的功率半导体开关2以及根据本发明的保护电路3，或者具有驱动逆变器的尤其是用于永磁激励的或他励的同步马达的逆变器（例如用作机动车驱动马达5）的桥式电路4中的功率半导体开关2以及根据本发明的保护电路3。在此，该逆变器例如是变流器的部件。

变流器例如以公知方式具有整流器单元（未示出），该整流器单元向其中布置有例如中间回路电容器的中间回路供电。中间回路例如将中间回路电压U_ZK，尤其作为直流电压输送到逆变器的输入端4'，例如用于驱动逆变器的桥式电路4，以便产生为马达运行设置的交流电压。逆变器例如产生交流电压作为具有可变电压和频率的输出电压，以便控制例如与该逆变器连接的交流马达5的转动方向和转速。

桥式电路4（在该桥式电路的输入端子4'上例如存在中间回路电压U_ZK）例如具有各一个半桥4a、4b、4c，所述各一个半桥4a、4b、4c与交流马达5的各一个绕组支路5a、5b、5c例如经由中间抽头（Mittelabgriff）以公知方式连接。在此，交流马达5例如构造为三相马达，该三相马达的三个绕组支路5a、5b、5c各由一个半桥4a、4b、4c供电。在此，通过相应半桥4a、4b、4c向交流马达5的相应支路5a、5b、5c以确定的时长输送极性预定的电压或者电势。为此，例如借助于控制逻辑以公知方式相应地分别操控半桥4a、4b、4c的功率半导体开关2。

半桥4a、4b、4c例如具有两个功率半导体开关2，所述两个功率半导体开关例如构造为具有绝缘栅极的双极型晶体管（Insulated GateBipolar Transistor，IGBT）或者是构造为场效应晶体管（FET），例如构造为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。在此，功率半导体开关2尤其例如针对变流器中或驱动逆变器中出现的电压而设计或者相应地确定尺寸。除此之外其他功率半导体开关类型也是可以设想的。

功率半导体开关2（图2）分别具有例如呈栅极形式的控制输入端2a、呈例如集电极（IGBT）或漏极（MOSFET）形式的输入端2b和呈例如发射极（IGBT）或源极（MOSFET）形式的输出端2c。在输入端2b与输出端2c之间以公知方式例如并联有续流二极管6。

功率半导体开关2例如由控制电子装置（未示出）经由其各自的控制输入端2a或控制接头以公知方式受控制，其中，由于该控制可以在输入端2b与输出端2c之间例如产生短路，即，接通功率半导体开关2。

根据本发明，例如桥式电路4的功率半导体开关2具有布置在该功率半导体开关上的或者配属于该功率半导体开关的根据本发明的保护电路3，用于构成根据本发明的功率开关系统1，该保护电路3用于在交流马达5反馈的、例如过高的电压的情况下，或者电压反向作用的情况下，尤其在与桥式电路4的一个或者多个其他功率开关系统1连接中，防止逆变器和/或变流器受到损害。

为了构成根据本发明的功率开关系统1，功率半导体开关2联接了保护电路3，或者说保护电路3布置在其上。保护电路3基本上由齐纳二极管7、第一欧姆电阻器8和第二欧姆电阻器9以及二极管10的串联电路组成。该串联电路的第一端部（即例如齐纳二极管7的电接头7a）在此设置用于与功率半导体开关2的输入端2b导电连接，第二端部，即第二二极管10的电接头10a在此设置用于与功率半导体开关2的输出端2c导电连接。在第一欧姆电阻器8与第二欧姆电阻器9（所述欧姆电阻器构成分压器）之间设置有借助于电接头或接线端子进行的与功率半导体开关2的控制输入端2a的连接。可以设想的是，取代第一欧姆电阻器8和/或第二欧姆电阻器9，使用例如欧姆电阻器的并联电路或者欧姆电阻器的串联电路。

为了在功率半导体开关2上布置保护电路3或者为了联接这种功率半导体开关以便构成根据本发明的功率开关系统1，齐纳二极管7（该齐纳二极管在达到其击穿电压时或者说从达到其击穿电压开始导通）连同第一欧姆电阻器8一起在输入端2b与控制输入端2a之间也就是以前述的第一顺序（图2）串联。就此而言，从（联接了保护电路3的功率半导体开关2的）输入端2b出发，齐纳二极管7首先与该输入端2b电连接，并且随后，第一欧姆电阻器8串联到控制输入端2a（也就是在齐纳二极管7与控制输入端2a之间）地布置，并且与它们相应电连接。在此，齐纳二极管尤其以截止方向布置。此处，截止方向意味着，直至达到齐纳二极管7的击穿电压为止，沿（技术上的电流方向）从输入端2b向控制输入端2a的方向不可以有电流或者说不设置电流。

在功率半导体开关2的控制输入端2a与其输出端2c之间，根据本发明还联接由第二欧姆电阻器9和二极管10组成的、也就是前述的第二顺序（图2）的串联电路。就此而言，从（连接了保护电路3的功率半导体开关2的）该控制输入端2a出发，第二欧姆电阻器9首先与控制输入端2a电连接，并且随后，串联地（也就是在第二欧姆电阻器9与输出端2c之间）布置有二极管10，并且与它们相应电连接。在此，二极管10尤其以导通方向布置。此处关于二极管的导通方向意味着，沿（技术上的电流方向）从控制输入端2a向输出端2c的方向可以有电流或者说设置有电流，但是反向则没有电流。

在如此构成的功率开关系统1上，与功率开关系统1的功率半导体开关2的输入端2b和输出端2c并联地还设置有续流二极管6的公知的布置。

如图1所示，为了实现防止有害的电压反向作用的、根据本发明的逆变器，为（驱动）逆变器的各半桥4a、4b、4c可以布置例如根据本发明的功率开关系统1，以便尤其是在故障情况下可以使得马达5的所有绕组支路（在如所示的三相运行的马达5中例如是三个绕组支路5a、5b、5c）短路。在此，根据本发明的功率开关系统1例如分别经过所属的功率半导体开关2的输入端2b与马达5的绕组支路5a或5b或5c电连接，并且例如同样与相应半桥4a或4b或4c的另外的功率半导体开关2的输出端2c电连接。在此，功率开关系统1的相应功率半导体开关2的输出端2c例如以传统方式与中间回路的端子或者电势连接，控制输入端2a以公知方式例如与控制电子装置连接。此外可以设想功率开关系统1在逆变器中的其他布置方式，例如作为整个功率半导体开关2的替代装置。在此，保护电路3例如也可以后期补充地布置在一个或多个已经存在于逆变器中的功率半导体开关2上，以便构成根据本发明的功率开关系统1，例如作为插件式（Add-On）解决方案。可以设想的是，仅一排桥式电路4，例如（参见图1）下排或者仅上排功率半导体开关2由功率开关系统1替代，或者在功率半导体开关2上布置保护电路3。保护电路3例如可以直接集成（IC）在功率半导体开关2（例如构造为集成开关电路的或构造为模块的IGBT或者MOSFET）中。

只要在潜在有害的电压反向作用情况下，由驱动马达（例如同步马达）感生的电压超过齐纳二极管7的截止电压时，根据本发明电流流过功率开关系统1的保护电路3的所有元件，即流过齐纳二极管7、第一欧姆电阻器8和第二欧姆电阻器9以及二极管10。在此，第一欧姆电阻器8和第二欧姆电阻器9构成分压器电路或者说分压器，该分压器电路或者说分压器负责借助其控制输入端2a操控功率半导体开关2。功率半导体开关2短路，进而由此，电压降到低于齐纳二极管7的截止电压。因而，在功率半导体开关2上出现最大电压，该最大电压总是低于齐纳二极管7的截止电压。因此，齐纳二极管7将由交流马达5反馈的电压限制在限定值，即，依赖于其自身的击穿电压。在此，为了制造如此实现的根据本发明的无源电压调节装置，有源器件是不需要的，借助于例如控制电子装置以及额外的供电电压进行有源的操控不是必须的。此外，通过根据本发明的功率开关系统1还实现了针对来自变流器的直流侧（例如从整流单元和/或中间回路）的、尤其是从隔流电容器（Blockkondensatoren）或者来自可变电阻的短暂的过电压脉冲的防护。

附图标记

1功率开关系统

2功率半导体开关

2a控制输入端

2b输入端

2c输出端

3保护电路

4桥式电路

4'输入端子

4a、4b、4c半桥

5交流马达

5a、5b、5c绕组支路

6续流二极管

7齐纳二极管

7a齐纳二极管的电接头（保护电路第一端部）

8第一欧姆电阻器

9第二欧姆电阻器

10二极管

10a二极管的电接头（保护电路的第二端部）

Claims (15)

1.用于逆变器尤其是驱动逆变器的功率开关系统（1），其中，所述功率开关系统（1）具有功率半导体开关（2）以及布置在所述功率半导体开关（2）上的保护电路（3）以防止能与所述功率半导体开关连接的交流马达（5）的电压反向作用，其中，所述功率半导体开关（2）具有控制输入端（2a）以及输入端（2b）和输出端（2c），其特征在于，所述保护电路（3）具有由齐纳二极管（7）和第一欧姆电阻器（8）组成的、在所述输入端（2b）与所述控制输入端（2a）之间联接的串联电路，以及由第二欧姆电阻器（9）和二极管（10）组成的、在所述控制输入端（2a）与所述输出端（2c）之间联接的串联电路。

2.根据权利要求1所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述齐纳二极管（7）以截止方向布置在所述功率半导体开关（2）的输入端（2b）与控制输入端（2a）之间。

3.根据权利要求1或2所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述二极管（10）以导通方向布置在所述功率半导体开关（2）的控制输入端（2a）与输出端（2c）之间。

4.根据前述权利要求之一所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述保护电路（3）具有恰好一个齐纳二极管（7）和/或恰好一个二极管（10）。

5.根据前述权利要求之一所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述保护电路（3）具有恰好一个第一欧姆电阻器（8）和/或恰好一个第二欧姆电阻器（9）。

6.根据前述权利要求之一所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述功率半导体开关（2）是具有绝缘栅极的双极型晶体管（IGBT），其中，所述输入端（2b）构造为集电极，所述控制输入端（2a）构造为栅极，所述输出端（2c）构造为发射极。

7.根据前述权利要求之一所述的功率开关系统（1），其特征在于，所述功率半导体开关（2）是场效应晶体管（FET），尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其中，所述输入端（2b）构造为漏极，所述控制输入端（2a）构造为栅极，并且所述输出端（2c）构造为源极。

8.逆变器，所述逆变器用于为交流马达（5）尤其是机动车驱动马达供给电能，其中，所述逆变器具有半桥（4a、4b、4c），用于与所述交流马达（5）的绕组支路（5a、5b、5c）连接，其特征在于，所述半桥（4a、4b、4c）具有根据权利要求1至7之一所述的功率开关系统（1）。

9.根据权利要求8所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器的每个半桥（4a、4b、4c）各具有一个功率开关系统（1）。

10.根据权利要求8或9之一所述的逆变器，其特征在于，所述半桥（4a、4b、4c）具有用于交流马达（5）的支路（5a、5b、5c）的电接头，所述电接头与所述功率开关系统（1）的功率半导体开关（2）的输入端（2b）电连接。

11.根据权利要求8至10之一所述的逆变器，其特征在于，一个半桥（4a、4b、4c）具有两个功率开关系统（1）。

12.机动车驱动系统，所述机动车驱动系统包含交流马达（5），借助于逆变器为所述交流马达供给电能，其中，所述逆变器为了所述交流马达（5）的能量供给具有桥式电路（4），其特征在于，所述桥式电路（4）具有根据权利要求1至7之一所述的功率开关系统（1）。

13.根据权利要求12所述的驱动系统，其特征在于，所述交流马达（5）是同步马达，尤其是车辆驱动马达。

14.根据权利要求12或13所述的驱动系统，其特征在于，所述交流马达（5）是永磁激励的马达或他励的马达。

15.根据权利要求12至14之一所述的驱动系统，其特征在于，所述桥式电路（4）具有带功率开关系统（1）的半桥（4a、4b、4c）。

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