CN103715925B - 具有线性驱动地工作的开关装置的逆变器电路 - Google Patents

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Abstract

依据本发明提供了一种用于电动机的逆变器电路(20)，其包括第一和第二连接端(11、12)，通过其所述逆变器电路(20)能够与储能器连接。此外，所述逆变器电路(20)包括在所述第一和第二连接端(11、12)之间安置的、由三个半桥电路(10)组成的并联电路，其中，所述半桥电路(10)中的每个半桥电路分别具有两个开关装置(8)，在所述两个开关装置(8)之间分别安置有半桥连接端(6)，通过其所述相应的半桥电路(10)能够与电动机的输入端连接。依据本发明，所述半桥电路(10)中的至少一个的所述两个开关装置(8)分别被设置为被线性地操控并且被驱动作为电源，而所述半桥电路(10)的相应的另一个开关装置(8)是导电的。

Description

具有线性驱动地工作的开关装置的逆变器电路
技术领域
本发明涉及一种用于电动机的逆变器电路，该电动机具有至少两个开关装置，该至少两个开关装置被构造为被线性地操控并且被驱动作为电源。
背景技术
从现有技术中已知了用于操控电动机，尤其是旋转电动机或者三相电动机的多种不同的逆变器或者逆变器电路。例如，DE19600807A1公开了一种智能的、分离的半桥式功率模块，该半桥式功率模块具有至少一个功率晶体管，借助于该功率晶体管来实现电动机的操控。
在图1中示出用于操控电动机的现有技术的另一种逆变器电路。其具有由三个半桥电路10构成的并联电路15。该三个半桥电路10中的每个半桥电路包括两个开关装置8，其在该半桥电路10中相互串联连接。在各自的半桥电路10之内，分别在两个开关装置8之间安置一个半桥连接端6，逆变器电路20的相应的半桥电路10通过该半桥连接端与电动机的输入端相连接。为了操控这样的电动机，在各自的半桥电路10之内将导通地连接两个开关装置8中的至多一个开关装置，而该半桥电路10的各自的另一个开关装置8将被截断。此外，该逆变器电路20具有第一和第二连接端11、12，在它们之间安置有由半桥电路10构成的并联电路15。其中，第一连接端11还与中间电路电容器9的第一电极相连接，而第二连接端12与该中间电路电容器9的第二电极相连接。其中，该中间电路电容器9示出了在连接端11、12之间安置的所谓的直流中间电路的最重要的部件之一。如果该逆变器电路20与储能器或者蓄电池系统以及电动机相连接，那么能量将从该储能器或者从该电动机(只要其作为发电动机运行)作为回馈的能量而中间地存储在直流中间电路的中间电路电容器之中。
在所谓的恢复的情况下，即在已经反映的能量从电动机回馈至蓄电池系统之中的情况下，蓄电池系统的保护器将必须断开，并且由此出于安全方面的原因必须断开在蓄电池系统和逆变器电路之间的电连接。在这种情况下，在直流中间电路之中的电压或者在该中间电路电容器之上的电压将会强烈地持续增加。因此，该在现有技术的逆变器电路中的中间电路电容器必须具有相对大的尺寸，以便限制在其上的电压上升。然而，这么大的中间电路电容器价格昂贵并且需要大的空间需求。
因此，现有技术仅已知唯一的解决方案，其意图减小中间电路电容器。所以，例如DE10218305A1公开了一种具有六个主开关元件的回归(Resonanz)逆变器电路，该六个主开关元件借助于开关控制要么可通过地要么截断地开关，其中，三个由分别两个主开关元件的组分别包含三相桥的一相并且与三相桥相连接。其中，这些主开关元件中的每个主开关元件与一个过压保护电容器相关联。
发明内容
依据本发明提供了一种用于电动机的逆变器电路，其包括第一和第二连接端，通过其所述逆变器电路能够与储能器连接。此外，所述逆变器电路包括在所述第一和第二连接端之间安置的、由三个半桥电路组成的并联电路，其中，所述半桥电路中的每个半桥电路分别具有两个开关装置，在所述两个开关装置之间分别安置有半桥连接端，通过其所述相应的半桥电路能够与电动机的输入端连接。依据本发明，所述半桥电路中的至少一个的所述两个开关装置分别被设置为被线性地操控并且被驱动作为电源，而所述半桥电路的相应的另一个开关装置是导电的。
依据本发明所述的逆变器电路能够驱动与所述逆变器电路连接的电动机，同时主动地减小在与所述逆变器电路连接的中间电路电容器上的电压降。在设计所述逆变器电路时将能够设置相较于现有技术更小尺寸的中间电路电容器。如果在所述逆变器电路的半桥电路中未可通过的开关装置未被截断，而是作为电源来运行，那么将能够减小在所述直流中间电路上的电压降并且将能够构建并且使用相较于现有技术中的逆变器电路更小的中间电路电容器。
在一个优选的实施形式之中，所述第一连接端与中间电路电容器的第一电极相连接并且所述第二连接端与所述中间电路电容器的第二电极相连接。由此使得所述依据本发明的逆变器电路固定地与一个中间电路电容器相连接。
有利地，至少一个半桥电路的至少一个开关装置的第一连接端与保护二极管的阴极相连接，而该至少一个开关装置的所述第二连接端与所述保护二极管的阳极相连接。保护二极管是半导体二极管，其能够很好地用于保护而免于过压和不允许的电压。
优选地，所述保护二极管被实施为续流二极管。使用续流二极管的优点在于流过该续流二极管的高的电流能够被非常准确地限制在一个非常小的值之上。
在一个优选的实施形式之中，所述半桥电路的所述开关装置被实施为晶体管。借助于晶体管能够接通并且放大电信号，而无需在其中必须实施机械的运动。晶体管在施加工作电压时是可立刻投入使用的。其具有小的损耗、非常小的生热作用和非常小的尺寸。
优选地，所述半桥电路的所述晶体管被实施为IGBT。IGBT(绝缘栅双极晶体管)能够被视作场效应晶体管和双极晶体管的结合，其中N沟道场效应晶体管操控PNP双极晶体管。因此，所述IGBT在操控特性方面如场效应晶体管被视作电压控制的构件，其具有栅电极。然而，另外的属性和双极晶体管相似。IGBT的操控如在场效应晶体管中那样无功地进行。此外，所述IGBT由于其内部的结构相较于场效应晶体管可提供明显更高的工作电压并且在运行时具有更低的损耗。
优选地，所有的半桥电路的所述开关装置被设置为被线性地操控并且被驱动用作电源，而所述半桥电路的所述分别其他的开关装置是导电的。在依据本发明所述的逆变器电路的此类的实施形式中，在运行中产生的功率损耗最均匀地分布在所述半桥电路之上。
此外，提供了一种具有依据本发明所述的逆变器电路的蓄电池，其中，所述蓄电池特别优选地被实施为锂离子蓄电池。其中，这样的蓄电池点的优点在于其相对来说高的能量密度以及其大的热稳定性。锂离子蓄电池的另一个优点在于其不会受记忆效应的影响。
此外，提供了一种具有带有依据本发明所述的逆变器电路的蓄电池的机动车，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接。
本发明的有利的改进方案将在从属权利要求中给出并且在说明书中加以描述。
附图说明
将借助于附图和后续的说明书进一步阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了依据现有技术的、用于操控电动机的逆变器电路；
图2示出了依据本发明所述的逆变器电路的一种实施形式；以及
图3示出了依据本发明所述的逆变器电路的半桥电路，以示出流经该半桥电路的电流。
具体实施方式
在图2中示出了依据本发明的逆变器电路20的一种实施形式。该实施形式能够用于操控电动机，尤其是三相电动机。依据本发明的逆变器电路20具有两个连接端11、12，在它们之间安置有由三个半桥电路10构成的并联电路15，其分别具有两个开关装置8。换句换说，该逆变器电路20的第一连接端11与半桥电路10的第一末端1相连接，而该逆变器电路20的第二连接端12与该半桥电路10的第二末端2相连接。其中，在半桥电路10中的各自的两个开关装置8相互串联连接。分别在各自的半桥电路10之内的两个开关装置8之间，半桥电路10分别具有一个半桥连接端6。通过该半桥连接端6，半桥电路10分别与电动机的相应的输入端或者与三相桥的一组相连接。由此，该逆变器电路20经由相应的半桥连接端6例如与三相电动机的u-、v-或者w-三相电流连接端相连接。换种表达方式来说，即该逆变器电路20具有六个开关装置8，其中每两个形成一个组。在这些组中相应的两个开关装置8形成一个串联电路或者两个开关装置8相互串联连接。该串联电路的第一末端或者该半桥电路10的第一末端1(即在每个组中的第一开关装置8的相应的第一连接端)分别与该逆变器电路20的第一连接端11相连接，而该串联电路的第二末端或者该半桥电路10的第二末端2(即在每个组中的相应的第二开关装置8的相应的第二连接端)分别与该逆变器电路20的第二连接端12相连接。相应的一个组的串联电路的两个开关装置8之间的电连接能够与电动机的输入端中的一个输入端相连接。
如果该逆变器电路20即以其连接端11、12例如被连接至蓄电池系统并且附加地通过半桥连接端6与三相电流电动机的u-、v-和w-三相电流连接端相连接，那么能够经由开关装置8的确定的操控将u-、v-或者w-三相电流连接端的相应的连接端与蓄电池系统的正的或者负的极相连接。
在图2所示出的依据本发明的逆变器电路20的实施例中，中间电路电容器9连接在逆变器电路20的连接端11、12之间。换句换说，逆变器电路20的第一连接端11与中间电路电容器9的第一电极相连接，而逆变器电路20的第二连接端与中间电路电容器9的第二电极相连接。其中，在依据本发明所述的逆变器电路20中使用一个中间电路电容器9仅仅是可选的。依据本发明的逆变器电路20也能够被无中间电路电容器9地实施。然后，这样的逆变器电路20能够例如通过其连接端11、12与直流中间电路相连接。在该实施例中仅示例性地选择了该中间电路电容器9的容量高度以及用于确定其合法性。
在该实施例中，所有的六个开关装置8均被实施为IGBT。其中，虽然实施为IGBT是优选的，但是并不是必须的。依据本发明所述的逆变器电路20也能够以其他类型的开关装置8(例如使用MOSFET或者其他的双极晶体管)来实现。此外，在逆变器电路20之内也能够同时使用不同类型的开关装置8。
此外，在该实施例中，实施为续流二极管的保护二极管17分别与每个开关装置8相关联。其中，在该实施例中，开关装置8的第一连接端分别与相应的与开关装置8相关联的续流二极管的相应的阳极相连接，而相应的开关装置8的第二连接端分别与相应的与开关装置8相关联的续流二极管的阴极相连接。由此，在逆变器电路20中的所有的开关装置8的续流二极管均具有相同的方向。换种表达方式来说，在半桥电路10之内的每个开关装置8的开关分段(Schaltstrecke)与保护二极管17并联连接。其中，在依据本发明的逆变器电路20之内使用保护二极管17仅是可选的并且其方向以及在该实施例中实施为续流二极管仅为示例性地选择的。也能够这样实现依据本发明所述的逆变器电路20，其中，仅仅有一些的开关装置8与保护二极管17相连接。换种表达方式来说，依据本发明的逆变器电路20也能够这样实现，即在其中开关装置8的第一连接端分别与相应的与开关装置8相关联的续流二极管的相应的阴极相连接，而相应的开关装置8的第二连接端分别与相应的与开关装置8相关联的续流二极管的阳极相连接。
依据本发明，在图2的实施例中，逆变器电路20的半桥电路10的所有的开关装置8被构造为被线性地操控并且被驱动作为电源，而相应的半桥电路10的相应的另一个开关装置8则是导电的。换种表达方式来说，半桥电路的开关装置8在介于高阻和低阻的状态之间的状态下运行是可能的。依据本发明的逆变器电路20的半桥电路10之内的任意的开关装置8并未完全地互连，而在相应的半桥电路10之内的另一个开关装置8是导电的或者完全互连的也是可能的。由此，在半桥电路10之内，开关装置8能够导电地连接，而半桥电路10的其余的开关装置8未被截断而是作为电源或者以线性运行，或者换句话说未完全地互连地运行。由此，在相对于现有技术的未截断的而是线性地作为电源运行的开关装置8上的电压降减小了。其中，在依据本发明的逆变器电路20中并非所有的开关装置8必须被设置线性地操控并且作为电源来运行，而相应的半桥电路10的其他的开关装置分别是导电的。依据本发明的逆变器电路20也能够被实施为在其中仅在一个或者两个半桥电路10之中的开关装置8被设置为线性地操控并且作为电源来运行，而相应的半桥电路10的相应的其他的开关装置8是导电的。
图3示出了依据本发明所述的逆变器电路20的半桥电路10，以示出流经该半桥电路10的电流。在图3中所示出的半桥电路10其中被设计为如在图2中所示出的实施例的半桥电路10。此外，图3的半桥电路10被安置或者连接在与在图2中所示出的实施例一样的逆变器电路20之内。在该图3的实施例中，在其中仅示出一个半桥电路10的逆变器电路20通过其连接端与蓄电池系统并且通过半桥连接端6与电动机相连接。在该半桥电路10中流动的电流在图3中在考虑相应的电流方向的情况下分别除了电流实际在其中流动的半桥电路的电连接之外通过箭头来示出。其中，图3示出了以下情形，其中半桥电路10的上部的开关装置8是可通过的即导电的，而半桥电路10的下部的开关装置8是线性的即作为电源来运行。既在正常运行期间也在电动机的恢复期间，然后，得出在图3中所示出的电流走向30(例如来自电动机的电流走向)、40(限制电流)通过半桥电路10。相反地，如果在半桥电路10之内的下部的开关装置8是可通过的也就是说导电的，那么该半桥电路10的上部的开关装置8将作为电源或者以现行运行来运行。然后，对于这种情况则会得出在图3中未示出的其他的电流曲线。

Claims (9)

1.一种用于电动机的逆变器电路(20)，包括：
-第一和第二连接端(11、12)，所述逆变器电路(20)通过所述第一和第二连接端能够与储能器连接；
-在所述第一和第二连接端(11、12)之间安置的、由三个半桥电路(10)组成的并联电路，其中，所述半桥电路(10)中的每个半桥电路分别具有两个开关装置(8)，
在所述两个开关装置(8)之间分别安置有半桥连接端(6)，相应的半桥电路(10)通过所述半桥连接端能够与电动机的输入端连接，
其特征在于，
所述半桥电路(10)中的至少一个半桥电路的所述两个开关装置(8)中的一个开关装置(8)被设置为在高阻状态和低阻状态之间的状态下运行以作为电源，而所述半桥电路(10)的相应的另一个开关装置(8)是导电的。
2.根据权利要求1所述的逆变器电路(20)，其中，所述第一连接端(11)与中间电路电容器(15)的第一电极相连接并且所述第二连接端(12)与所述中间电路电容器(15)的第二电极相连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器电路(20)，其中，至少一个半桥电路(10)的至少一个开关装置(8)的第一连接端与保护二极管(17)的阴极相连接，而该至少一个开关装置的所述第二连接端与所述保护二极管(17)的阳极相连接。
4.根据权利要求3所述的逆变器电路(20)，其中，所述保护二极管(17)被实施为续流二极管。
5.根据权利要求1所述的逆变器电路(20)，其中，所述半桥电路(10)的所述开关装置(8)被实施为晶体管。
6.根据权利要求5所述的逆变器电路(20)，其中，所述半桥电路(10)的所述晶体管被实施为IGBT。
7.根据权利要求1所述的逆变器电路(20)，其中，在每个半桥电路(10)中的一个开关装置(8)被设置为在高阻状态和低阻状态之间的状态下运行以作为电源，而每个半桥电路(10)的另一个开关装置(8)是导电的。
8.一种蓄电池，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器电路(20)。
9.一种机动车，其具有根据权利要求8所述的蓄电池，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接。
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