CN103004073A - 用于半桥、逆变器、直流电压转换器的至少一个分支的过压保护电路以及用于运行电机的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半桥（10a；10b；10c；60-1，60-2；60-3）的至少一个分支（10a_1；10a_2）的过压保护电路，其包括可控的半导体开关元件（3a-3f）和与其串联连接的空转二极管（4a-4f），它们布置在共同的电路载体（20）上。在此与半桥分支（10a_1；10a_2）并联地连接有换向分支（30；61-1；61-2；61-3），该换向分支包括至少一个换向电容器（C_Kom），该换向电容器同样布置在电路载体（20）上。本发明还涉及带有根据本发明的过压保护电路的一种逆变器、一种直流电压转换器和一种用于运行电机的电路装置。

Description

用于半桥、逆变器、直流电压转换器的至少一个分支的过压保护电路以及用于运行电机的电路装置

本发明涉及一种用于半桥、逆变器、直流电压转换器的至少一个分支的过压保护电路以及用于驱动电机的电路装置。

背景技术

为了在混合动力车辆或者电动车辆中的驱动，通常使用感应式电机形式的电机，其结合逆变器（通常也称为换流器）来驱动。电机在此可选地在电动机运行或者发电机运行中工作。在电动机运行中，电机产生驱动力矩，其在使用于混合动力车辆中的情况下支持内燃机（例如在加速阶段中）。在发电机运行中，电机产生电能，其存储在能量存储器中，例如存储在电池或者超级电容中。电机的工作类型和功率借助调节单元通过逆变器来设置。

已知的逆变器对于电机的每个相（U，V，W）都包括半桥（其中相的数目可以为1-n），借助该半桥将电机的相应的相可选地连接到高电势（所谓的中间回路电压）或者低的参考电势、尤其是地。每个半桥在此包括两个并联连接的半桥分支，其分别包括例如MOSFET或者IGBT形式的可控半导体开关元件（功率开关）和空转二极管形式的不可控半导体开关元件的串联电路。在单个半桥分支中的功率开关被外部控制设备控制，该控制设备根据驾驶者意愿（加速或者制动）而计算电机的预定运行点。

根据在半桥分支中的功率开关是断开还是闭合，相电流形式的负载电流在半桥分支内从功率开关换向到串联连接的空转二极管或者相反。在该换向情况下，在各断流（abkommutieren）的半导体开关元件上、即其上电流结束的半导体开关元件上出现过压，该过压的大小取决于功率开关的开关速度以及寄生电感的大小，寄生电感通过在部件之间的电连接而形成。逆变器的开关频率在目前混合动力车辆或者电动车辆中使用的功率等级的情况下在10kHz左右的范围中，并且在脉冲逆变器情况下通过最大的控制级（Ansteuergrad）而受到限制，该控制级又取决于功率开关的开关速度和/或开关时间。目前常见的功率开关的开关时间在接通（闭合）情况下在150ns至200ns的范围中，并且在切断（断开）情况下在500ns至1000ns的范围中。

从DE 42 10 443 A1中公开了一种用于牵引电动机控制装置的保护电路，该保护电路能够实现常见的换向装置的逆变器的保护，然而也限制或者排除对逆变器的内部元件加载的故障电流。为此，在换向晶闸管和逆变器电路之间连接有串联保护晶闸管，用于禁止电动机故障电流。此外，RC元件与换向晶闸管串联，用于限制逆变器故障电流。

发明内容

本发明提供了一种用于半桥的至少一个分支的过压保护电路，其包括可控的半导体开关元件和与其串联连接的空转二极管，它们布置在共同的电路载体上。根据本发明，与半桥分支并联地连接有换向分支，该换向分支包括至少一个换向电容器，该换向电容器同样布置在电路载体上。

本发明还提供了一种逆变器，其具有至少一个半桥形式的半导体开关元件，该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，其中每个半桥分支包括可控的半导体开关元件和与其串联连接的空转二极管。在此，对于每个半桥分别设置有根据本发明的过压保护电路。

本发明此外提供了一种直流电压转换器，其具有至少一个半桥形式的半导体开关元件，该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，其中每个半桥分支包括可控的半导体开关元件和与其串联连接的空转二极管。在此，对于每个半桥分别设置有根据本发明的过压保护电路。

本发明此外提供了一种用于运行电机的电路装置，其通过逆变器来控制，其中逆变器具有半桥形式的开关元件，该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，并且半桥分别与电机的一个相电连接。在此，对于每个半桥分别设置有根据本发明的过压保护电路。

发明优点

本发明所基于的思想是，将半桥分支的半导体开关元件上的过压通过换向分支的并联电路来衰减，其中所述半桥分支在负载电流从功率开关换向到空转二极管上以及相反情况中出现，其中换向分支包括至少一个换向电容器。然而在此要注意的是，换向分支与半导体芯片距离越远，则过压尤其是在高开关速度情况下对于半导体开关元件的半导体芯片、即功率开关或者空转二极管的半导体芯片的负载越重。因此，根据本发明设计了，将换向电容器设置在电路载体上，在该电路载体上也设置了相应的半桥分支的空转二极管和功率开关。通过这种方式，换向分支可以设置在半桥分支的紧邻处，并且由此阻抗极低地连接到半桥分支上。

换向分支在半桥分支的紧邻处的布置此外具有的优点是，通过这种方式保证了EMV适合（EMV=电磁兼容性）的电路布置，因为半桥分支和换向分支仅仅包含小的面积。

根据本发明的过压保护电路在此可以用于单个的半桥分支，如其例如在降压转换器中出现的那样，也可以用于带有两个并联的半桥分支的整个半桥，如其例如在逆变器或者直流电压转换器中使用的那样。

如果换向分支仅仅包括一个或者多个换向电容器，则其与寄生电感一同形成寄生振荡回路，其中寄生电感通过在相应电路装置的各部件之间的电连接而引起。但是这些寄生振荡回路可以根据相应的具体的电路装置而导致不可接受的EMV负载。

为了衰减这种寄生振荡，换向分支可以包括至少一个与换向电容器串联连接的换向电阻，该换向电阻同样设置在电路载体上。

为了进一步减小在换向电容器上的最大电压上升并且由此也进一步减小在半导体开关元件上的最大电压上升，换向分支根据本发明的另一实施形式可以包括与换向电阻并联连接的至少一个换向二极管，其同样设置在电路载体上。这种换向二极管导致充电周期的加速并且导致放电周期的变慢，并且由此导致进一步衰减过压。

为了通过换向分支来避免不希望的EMV负载，换向分支也可以包括至少一个与换向电容器和换向电阻串联连接的换向线圈，该换向线圈同样设置在电路载体上。通过该连接，在换向分支中形成串联振荡回路，其通过合适地布置各电路组件而对抗寄生振荡回路，该振荡回路通过换向电容器和寄生电感来形成。

对于其中电机通过逆变器来控制的电路装置（其中逆变器包括半桥形式的半导体开关元件，该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，并且半桥分别与电机的一个相连接），根据本发明设计的是，对于每个半桥分别设置一个根据本发明的过压保护电路。

按照根据本发明的用于运行通过逆变器控制的电机的电路装置的一个实施形式，与逆变器并联地连接有直流电压转换器，并且与其并联地连接有中间回路电容器，其中直流电压转换器有利地多相地构建。在此，根据对于转换器的效率的要求，可以实现1个至n个相。转换器也可以在其功率上是不同的，以便特别地在部分负载范围中优化效率。

用于控制电机的逆变器通常借助中间回路电压来运行，该中间回路电压在能量存储器例如牵引用电池的额定电压的例如±40％的范围中。高的中间回路电压具有的优点是，预先给定的功率要求能够借助较小的相电流和供电电压来实现。但是因为可使用的能量存储器的额定电压出于技术原因和经济原因而并不能够任意地升高，所以可以使用如下直流电压转换器：其根据电机的工作类型而将能量存储器的电压水平升高到较高的中间回路电压水平或者相反。

如果为此使用多相的直流电压转换器，其包括多个并联连接的并且有利地相同实施的直流电压转换器，则这揭示的优点是，每个转换器仅仅要承受总电流的一部分，使得充电电感线圈和直流电压转换器的其他的无源部件的大小可以被明显减小。可替选地或者附加于使用多相的直流电压转换器，也可以设置较高的开关频率，这也导致可以使用较小的部件用于中间回路电容器和电感线圈。然而，较高的切换频率要求更快的切换并且由此导致在半桥分支的空转二极管和功率开关中的较高的电流梯度。然而，较高的电流梯度又导致提高在半导体开关元件上的过压。出于该原因，在这种电路装置情况下，可以特别有利地使用根据本发明的过压保护电路。

本发明的实施形式的其他特征和优点从下面参照附图的描述中得到。

附图说明

其中：

图1示出了根据现有技术的通过逆变器控制的电机的示意性电路框图，

图2示出了带有寄生电感的逆变器的半桥，

图3示出了用于根据图2的半桥的根据本发明的过压保护电路，

图4示出了根据图1的电路装置的相电流和供电电流的、与中间回路电压相关的示例性曲线图（针对限定的机械轴端功率的电机的设计），

图5示出了根据现有技术的通过逆变器控制的、带有直流电压转换器的电机的示意性电路框图，

图6示出了带有根据本发明的过压保护电路的、图5中的直流电压转换器的细节图。

具体实施方式

图1示出了三相电机1的示意图，其例如可以实施为同步电机、异步电机或者磁阻电机，带有连接在其上的脉冲逆变器2。脉冲逆变器2包括可控的、功率开关形式的半导体开关元件3a-3f，这些半导体开关元件与电机1的各相U、V、W连接，并且相U、V、W连接到中间回路电压U_ZK形式的高的供电电压电势或者接地形式的地的参考电势。与中间回路电压U_ZK连接的功率开关3a-3c在此也称为“高压侧开关”，并且与地连接的功率开关3d-3f称为“低压侧开关”，并且例如可以实施为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）或者金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。脉冲逆变器2此外包括多个空转二极管4a-4f形式的不可控的半导体开关元件，其分别与功率开关3a-3f之一并联设置。功率开关3a和3d、3b和3e以及3c和3f在此与分别关联的空转二极管分别共同形成半桥10a、10b或者10c。半桥10a至10c在此分别包括两个并联的半桥分支，其中一个半桥分支分别包括高压侧或者低压侧开关与并联于设置在相应的半桥中的第二功率开关、即低压侧或者高压侧开关布置的空转二极管的串联电路。在所示的实施形式中，由此对于半桥10a得到第一半桥分支10a_1，其包括空转二极管4a和功率开关3d构成的串联电路，以及与其并联连接的第二半桥分支10a_2，其包括由直流功率开关3a和空转二极管4d构成的串联电路。对于其他的半桥10b和10c，类似地得到相应的半桥分支。

脉冲逆变器2确定电机1的功率和工作方式，并且由控制设备5相应地控制，该控制设备在图1中仅仅示意性地示出并且也可以集成在逆变器2中。电机1在此可以可选地在电动机运行或者发电机运行中被运行。

脉冲逆变器2此外包括所谓的中间回路电容器6，其主要用于稳定能量存储器的电压，即例如电池电压。带有电池7的形式的能量存储器的车辆的车载电网与中间回路电容器6并联连接。替代于所示的实施形式，中间回路电容器6当然也可以设置在脉冲逆变器2之外。

电机1在所示的实施例中三相地实施，然而也可以具有更少的或者多于三个的相，其中对于每个相在脉冲逆变器2中可以分别设置一个半桥。

在半桥的各部件之间的每个电连接以及至中间回路电容器6的连接线路形成寄生电感，其在图2中以电感L1至L10的形式示例性地针对半桥10a而绘出。在此，半桥10a连同其并联连接的半桥分支10a_1和10a_2相对于图1中的视图示出为使得半桥分支10a_1和10a_2更容易识别。半桥10a的电学部件、即功率开关3a和3d以及空转二极管4a和4d在此设置在共同的电路载体20上－通常也称为印刷电路板（PCB）或者在较大功率情况下称为DCB（直接铜键合）衬底。这种电路载体10连同施加的部件通常也称为半桥模块或者制造模块，该半桥模块相应地具有端子K1至K7，通过其可以将所述模块与其他电路模块或者部件电连接。

当相电流I_U从功率开关3a或者3d之一换向到在相应的半桥分支中的空转二极管4d或者4a时，在功率开关3a或者3d上出现过压，所述过压取决于寄生电感的大小以及电流梯度，即电流以其改变的切换速度。相反，当相电流I_U从空转二极管4a或者4d换向到相应的半桥分支中的功率开关3d或者3a时，在空转二极管4a和4d上出现过压。在此，所出现的过压也取决于寄生电感的大小以及电流梯度，即电流以其改变的切换速度。

图3示出了根据本发明的过压保护电路，例如用于根据图2的半桥10a。在此，与两个半桥分支10a_1和10a_2并联地连接有换向分支30，其具有换向电容器C_Kom、与其串联连接的换向电阻R_Kom以及与换向电阻R_Kom并联连接的换向二极管D_Kom。此外，在图3中也示出了等效电路图形式的、连接在供电电压端子K1和K2之间的中间回路电容器6。在至中间回路电容器6的馈电线中，此外示出了另外的寄生电感（接通电感）L11和L12。

为了更好地理解换向分支30的功能，下面从如下情况出发：其中低压侧开关3d正好断开，即相电流I_U形式的负载电流从输出端子K3朝着功率开关3d的方向流动。在该情况中，负载电流换向到相关的半桥分支10a_1的空转二极管4a上。在此还引导电流的寄生电感发出其能量。如果没有设置换向分支，则全部能量都发出给最后的半导体开关元件，即空转二极管4a。根据感应定律，在此在断流的开关元件上的电压、即功率开关3d上的电压升高到如目前流动的负载电流所需要的程度。时间上与其并行地，空转二极管4a承受负载电流，其中在相应的分支中的寄生电感延迟电流上升。当在还引导电流的电感中存储的能量并且由此在功率开关3d中的电流减小时，在功率开关3d上的电压才又降低。形成的过压的高度在此由功率开关3d的切换速度以及由涉及的寄生电感的大小确定。

如果与此相对根据本发明的换向分支30与半桥分支10a_1或者如该情况中那样与半桥10a并联连接，则能量的一部分从还引导电流的寄生电感加载到换向电容器C_Kom中并且在换向电阻R_Kom上转换为热。因为电流在对换向电容器C_Kom加载时流过与换向电阻R_Kom并联连接的换向二极管D_Kom，所以在换向电容器C_Kom上的并且由此也在功率开关3d上的最大电压升高附加地减小。

换向电阻R_Kom的大小在此有利地接近于涉及的振荡回路中的非周期的边界情况，该振荡回路通过换向电容器结合涉及换向过程的寄生电感来形成。相应地，得到：

                             （1）

其中L_Ges是涉及换向过程的所有电感的和，由此实现的是，在换向电容器C_Kom中的电流在1个至2个周期之后以如下频率衰减：

除了所示的带有换向电容器C_Kom、换向电阻R_Kom和换向二极管D_Kom的换向分支30，其他实施形式也是可能的。于是，换向分支30可以仅仅具有一个或者多个换向电容器。同样地，带有至少一个换向电容器和至少一个与其串联连接的换向电阻、然而没有一个或者多个与换向电阻连接的换向二极管的实施形式也是可能的。但是换向分支30也可以包括至少一个换向电容器、至少一个换向电阻和至少一个换向线圈L_kom构成的串联电路，其共同形成串联振荡回路。

与换向分支30的具体的构型无关，对于本发明重要的是，换向分支30尽可能低阻抗地连接到半桥分支10a_1或者半桥10a上。根据本发明，这通过如下方式实现：换向分支30的部件C_Kom、R_Kom、D_Kom或者L_Kom设置在相同的电路载体20上，在该电路载体上也设置有半桥分支10a_1或者半桥10a的部件。

图4示出了在根据图1的电路装置中用于实现预先给定的功率所需的、与中间回路电压U_ZK相关的相电流I_Ph（I_U, I_V, I_W）以及供电电流I_DC的曲线图。可以看出，随着中间回路电压U_ZK增大，更小的相电流和供电电流足以满足预先给定的功率要求。

但是因为电池7的额定电压可以任意升高，所以较高的中间回路电压只能借助直流电压转换器（通常也称为DC-DC转换器）来实现。

图5示出了通过逆变器控制的带有直流电压转换器的电机的示意性电路框图，如例如从WO 2007/025946 A1中已知的那样。该装置在此与图1中所示的装置的区别仅仅在于，在电池7和中间回路电容器6之间连接有直流电压转换器50，该直流电压转换器在电机1的发电机运行中将中间回路电压U_ZK降低到电池电压U_Bat的较低水平上，并且在电动机运行中将电池电压U_Bat相应地升高到中间回路电压U_ZK的较高水平上。

要追求的是，将直流电压转换器50内的充电电感线圈以及中间回路电容器6保持得尽可能小。这可以通过如下方式实现：逆变器2借助升高的切换频率来运行，然而这导致在功率开关和空转二极管中的更快的切换并且由此更大的电流梯度。由此，通过寄生电感引起的过压的数值升高，使得在这种装置情况下，使用根据本发明的换向分支是特别有利的。

在此，换向分支当然不仅设置在逆变器2的半桥上，而且也设置在直流电压转换器50的半桥上。通常要注意的是，根据本发明的过压保护电路可以与具体应用无关地用于任何如下电路单元：其具有带有可控半导体开关元件和空转二极管的串联电路的半桥分支，因为尽管有先进的技术，寄生电感也不能被任意地减小。

图6在略为更详细的视图中示出了根据图3的直流电压转换器50。直流电压转换器50在此实施为多相的、在该情况中为三相的直流电压转换器。在此，三个相同的直流电压转换器50-1、50-2和50-3并联连接，其分别包括半桥60-1、60-2或者60-3以及在前连接的充电电感线圈L_L1、L_L2或者L_L3。半桥60-1、60-2和60-3在此又分别包括两个并联连接的半桥分支，其中每个半桥分支包括一个可控的半导体开关元件和与其串联连接的空转二极管。在输入侧，直流电压转换器50与电池7连接，其为了稳定电压而并联连接有电容器C_Bat。在输出侧，直流电压转换器50连接到中间回路电容器6上。术语“输入侧”和“输出侧”在此涉及电机1的电动机运行。作为多相直流电压转换器的实施形式在此具有的优点是，转换器50-1、50-2和50-3的每个都仅仅承受总电流的一部分，使得充电电感线圈L_L1、L_L2和L_L3以及直流电压转换器的其余的无源部件可以相应地更小地构建。为此，各直流电压转换器50-1、50-2和50-3时间错移地相继地时钟控制，也即对于由调节器预先给定的占空比而言，接通时间T_E被划分为三个相同的区段，并且随后三个半桥60-1、60-2和60-3的每个都相继地分别针对T_E/3的时段接通。由于在图6中出于清楚的原因而未示出的寄生电感，在直流电压转换器的半桥60-1、60-2和60-3的分支中也出现上面提及的过压。因此，与每个半桥60-1、60-2和60-3分别并联连接有换向支路61-1、61-2或者61-3，其例如分别包括换向电容器C_Kom1、C_Kom2或C_Kom3，其中换向电容器C_Kom1、C_Kom2或C_Kom3设置在分别关联的半桥60-1、60-2或者60-3的电路载体上。

Claims (9)

1.一种用于半桥（10a；10b；10c；60-1，60-2；60-3）的至少一个分支（10a_1；10a_2）的过压保护电路，其包括可控的半导体开关元件（3a-3f）和与其串联连接的空转二极管（4a-4f），它们布置在共同的电路载体（20）上，其中与半桥分支（10a_1；10a_2）并联地连接有换向分支（30；61-1；61-2；61-3），该换向分支包括至少一个换向电容器（C_Kom），该换向电容器同样布置在电路载体（20）上。

2.根据权利要求1所述的过压保护电路，其中换向分支（30；61-1；61-2；61-3）包括至少一个与换向电容器（C_Kom）串联连接的换向电阻（R_Kom），该换向电阻同样设置在电路载体（20）上。

3.根据权利要求2所述的过压保护电路，其中换向分支（30；61-1；61-2；61-3）包括与换向电阻（R_Kom）并联连接的至少一个换向二极管（D_Kom），该换向二极管同样设置在电路载体（20）上。

4.根据权利要求2所述的过压保护电路，其中换向分支（30；61-1；61-2；61-3）包括至少一个与换向电容器（C_Kom）和换向电阻串联连接的换向线圈（L_Kom），该换向线圈同样设置在电路载体（20）上。

5.一种逆变器（2），其具有至少一个半桥（10a；10b；10c）形式的半导体开关元件（3a-3f，4a-4f），该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支（10a_1；10a_2），其中每个半桥分支（10a_1；10a_2）包括可控的半导体开关元件（3a；3d）和与其串联连接的空转二极管（4a；4d），其特征在于，对于每个半桥（10a；10b；10c）分别设置有根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路。

6.一种直流电压转换器（50），其具有至少一个半桥（60-1，60-2；60-3）形式的半导体开关元件，该半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，其中每个半桥分支包括可控的半导体开关元件和与其串联连接的空转二极管，其特征在于，对于每个半桥（60-1，60-2；60-3）分别设置有根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路。

7.一种用于运行电机（1）的电路装置，其通过逆变器（2）、尤其是脉冲逆变器来控制，其中逆变器（2）的半桥（10a；10b；10c）分别与电机的一个相（U，V，W）电连接，其特征在于，对于逆变器（2）的每个半桥（10a；10b；10c）分别设置有根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路。

8.根据权利要求7所述的电路装置，其中与逆变器（2）并联地连接有中间回路电容器（6），并且与其并联地连接有直流电压转换器（50），其中直流电压转换器（50）包括至少一个半桥（60-1，60-2；60-3）形式的半导体开关元件，其分别带有两个并联连接的半桥分支，并且对于直流电压转换器（50）的半桥（60-1，60-2；60-3）设置有根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路。

9.根据权利要求8所述的电路装置，其中直流电压转换器（50）构建为多相的直流电压转换器，其中多个直流电压转换器（50_1，50_2，50_3）并联连接，其分别包括半桥（60-1，60-2；60-3）形式的半导体开关元件，所述半桥分别带有两个并联连接的半桥分支，并且其中对于多相的直流电压转换器的每个半桥（60-1，60-2；60-3）设置有根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路。

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