CN103988413A - 变流器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流器电路(4)，其包括至少两个串联的子模块(24，26)，这些子模块通过电感器(22)从提供直流电压(18)的电源(8)中获取电功率。在此，每个子模块(24，26)在输入侧具有单相半桥，并且在负载侧具有单相全桥，并且半桥和全桥连接在直流电压侧，并且与之并联连接有中间回路电容器。在所说明的变流器电路中，在每个子模块(24，26)中，至少一个电线路由多个彼此并联的电流路径(42至46)构成。

Description

变流器电路
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的变流器电路、一种电路板和一种电动机。
背景技术
在机动车驱动系统中用于为电动机的电机绕组供应电能的变流器电路例如由Lukas Lamberts等人于2010年9月08至09在Aschaffenburg的EMA2010会议中公开的“用于机动车传动的高频变频器”已知。
在此涉及一种被设计用于将电源的直流电压转换成多个交流电压的电路。在串连的子模块中产生各个交流电压，直流电压的一部分在输入端一侧分别在这些子模块处下降。在子模块内部，分别通过作为逆流器工作的单相全桥将直流电压的相应部分转换成能够提供给电机绕组中一个的交流电压。单相全桥包括两个单相半桥，它们被分别设计用于产生交流电压相位，从而使两个交流电压相位相加形成单相的交流电压。
在各个子模块的输入端处下降的分电压在通过全桥逆变之前通过升压变换器增高。升压变换器包括串联连接在电源和全桥的串联电路之间的电感件以及每个子模块中的输入端半桥。全桥和半桥在子模块内部连接在直流电压一侧。
一个中间回路电容器并联于全桥并且并联于在每个子模块中的输入端半桥，它能够中间存储电能，例如来自电机绕组的无功功率流的电能。
发明内容
本发明的目的在于，改进已知的变流器电路。
该目的通过独立权利要求所述的特征得以实现。优选的改进方案是从属权利要求的对象。
本发明提出，在前面所述类型的变流器电路的每个子模块中，用于引导电功率的线路分为多个彼此并联的电流路径。
本发明由此出发，即在前面所述类型的变流器电路的子模块中，单个部件通过线路与一个唯一的电流路径相连。但是在这唯一的电流路径上可能会出现电容限制点，即所谓的瓶颈(Bottelnecks)，其不仅确定了可传输的最大功率，而且这些电容限制点在故障情况时对其他电子部件产生负面影响的危险通常最大。
因此在子模块和所连接的电负载之间的接触点处可能出现电流集中，因为在该接触点改变了子模块和电负载之间的电线路阻抗。电流集中会对子模块的功能性产生负面影响，并且在极端情况下导致全部电路布置出故障。
相反地，本发明提出，电功率并不是分布在唯一的电流路径上，而是分布在多个彼此并联的电流路径上。以这种方式，电流在电容限制点处并不是只分配到唯一的电流路径上，由此最终可以避免高电流集中，一个电流路径中有问题的电容限制点的负面影响不会必然导致对子模块中其余电流路径的负面影响。
因此本发明提供一种变流器电路，其包括至少两个串联的子模块，这些子模块通过电感器从提供直流电压的电源中获取电功率。在此，每个子模块在输入侧具有单相半桥，并且在负载侧具有单相全桥，并且半桥和全桥连接在直流电压侧，并且与它们并联有中间电路电容器。根据本发明，在每个子模块中至少一个电线路由多个彼此并联的电流路径组成。
通过在每个子模块中的一个线路上使用多个电流路径，与可能使用一个唯一的电流路径相比，降低了电流路径上的错误对相应子模块产生负面影响的危险，因此可以降低有问题的情况下的故障风险。由此不仅提高了子模块的使用年限，也降低了子模块的故障风险，并且进而降低了变流器电路的故障风险。
在本发明的特别的改进方案中，全桥由与电流路径数量相等的单个全桥组成，并且每个电流路径引导通过这些单个全桥中的一个。换句话说，在所说明的变流器电路的子模块中，为每个电流路径提供额外的全桥电路，其将电功率从全桥输入端运输到全桥输出端。该改进方案基于如下考虑，即将全桥的开关通常实施为半导体开关。该开关具有确定的饱和电流，因此限制了可以引导通过全桥的功率。通过并联多个半导体开关可以提高半导体开关的总布置的饱和电流。但是该并联电路的开关中的一个出故障，就会影响通过并联电路的剩余开关的电流流动，这可以导致，在故障情况下，剩余的开关会在能妨碍或者甚至使其损坏的条件下运行。但是也可以通过为每个电流路径提供独有的全桥并且进而为每个开关提供独有的电流路径，由此降低此类负面影响的风险。
在本发明的一个优选改进方案中，电负载的各一个电流路径能连接至每个单个全桥的输出端。换句话说，来自负载的单个电流路径例如是电线形式，它们为了触点接通并不聚集在一个唯一的接触点，而是它们单独地与相应子模块的电流路径在全桥的输出端连接。当子模块设计在电路板上时，例如通过使导线贯穿电路板并且与其相焊接可以这样实现上述情况。
在本发明的一个特别的改进方案中，中间电路电容器由与电流路径数量相等的单个中间电路电容器组成，并且每个单个中间电路电容器与电流路径中的一个连接。为了缓存朝向电源的无功功率冲击，中间电路电容器部段必须提供一定的电容，这是因为当对至耗电器的电功率输出进行功率调节时，子模块不能将电功率输送给电源。当电容越高，其在技术上耗费就越大并且成本越高。通过使用由所说明的改进方案而并联的单个电容器，可以同样由多个更小的并且进而需要能在技术上简单且成本低廉地实施的电容转换成上述电容，为了缓存指向电源的无功功率冲击而需要这种电容。
在本发明的一个特别的改进方案中，半桥由与电流路径数量相等的单个半桥组成。此时每个单个半桥与一个电流路径连接。
在本发明的一个优选改进方案中，每个单个半桥在输入侧与单个电感器连接。这些单个电感器与每个半桥部段一起形成升压变换器，这可以实现提高通过电源输出的电压，并且因此为例如前述的全桥的单个子模块提供更高的输入电压。
在一个另外的改进方案中，所说明的变流器电路在每个子模块中包括电势补偿点，在电势补偿点处，各个电流路径彼此电连接。以这种方式为子模块的所有单个元件(单个全桥、单个中间电路电容器、单个半桥)定义了共同的参考电势，这特别能在技术上简单地实现驱控和子模块的传感机构和由此产生的逆变器。
本发明也提出了一种电路板，其包括具有已说明的子模块的电路。所有子模块和它的单个元件一起可以共同作为电路安置在电路板上。因此通过电流路径而形成的并联引起了比较少的布线费用。
替代性地也可以设计为多个电路板，一个或者多个子模块作为电路安置在其上。此时，电路板连接到共同的子模块上。
本发明也提出了一种包括驱动转子的电机绕组和已说明的电路板的电动机。该电路板可以特别优选地集成到电动机中，因此具有已说明的子模块的变频器和电动机的装配可以工厂方面进行，并且因此明显简化了最终装配消耗。
在本发明的一个改进方案中，电机绕组由与电流路径数量相等的单个绕组组成，其中每个单个绕组与一个电流路径电相连。换句话说，该改进方案形成了连续的步骤并且引入了全新的概念，其中多个相邻工作的电流路径分别实现了为了驱动电动机而连接到电源上的完整电路。
本发明还提出一种包括已说明的电动机的机动车，该电动机用于驱动该机动车。
附图说明
结合以下对结合附图更详尽阐述的实施例的说明，能够更加清楚并且明确地理解本发明的上述特征、特点和优点以及实现这些特征和优点的方式和方法，其中：
图1示出具有示例性的变频器的电路图，和
图2示出图1的变频器的子模块。
具体实施方式
参考图1，其示出具有示例性的变流器电路4的电路2。变流器电路4为耗电器6馈送来自电源8的电功率。
在本实施例中耗电器6是电动机，并且具有以第一电机绕组部段形式的第一负载10和第二电机绕组部段形式的第二负载12。
在本实施方案中，电源8是电池8，它可以分解成具有与之串联的内电阻16的电压源14。电池8将电池电压18施加在变流器电路4上，并且将电池电流20提供给变流器电路4。
在变流器电路4的输入侧，由例如可以是线圈的电感器22、第一子模块24和第二子模块26构成的串联电路连接至电源8。第一分电压28和第二分电压30在子模块24，26处相应地下降。此外第一负载和第二负载10，12相应地连接到第一和第二子模块24，26上。以这种方式，基于分电压28，30，子模块24，26以尚待描述的方式为负载10，12供应电能。在本实施例中，对于子模块24，26和负载10，12的数量而言选择为两个。然而，变流器电路4可以具有数量为任意多个的子模块24，26，并且因此可以为数量为任意多个的负载10，12馈电。但是，在串联电路中连接的子模块24，26越多，相应的分电压28，30越小。
每个子模块24，26都具有第一输入端子32、第二输入端子34、第一输出端子36和第二输出端子38。分电压28至30分别在第一和第二输入端子34，36处下降，而在第一和第二输出端子38，38上连接有负载10，12。
参考图2，其示出在电路板40上的图1的变流器电路4中的子模块24，26的示例性结构。
每个子模块24，26由第一电流路径42、第二电流路径44和第三电流路径46组成。这些电流路径42至46中的每一个都实现了变流器电路4的自有的并且独立的分电路，其中在每个子模块24，26中的分电路在第一电势补偿点48处并且在第二电势补偿点50处彼此相连。换句话说，单个分电路彼此并联。
下面对于所有子模块24，26应以第一个子模块24的结构为代表进行说明。此外对于所有电流路径42至46，以第一个电流路径42为代表进行阐述。
第一个子模块24具有第一半桥52、全桥54和中间电路电容器55，这些组件彼此并联。在图2中，为了清晰起见，仅仅使用虚线勾画出第一电流路径42的全桥54，并且备有标号。在图2中虽然也示出了其余电流路径44，46的全桥54，但是不必要地借助标号对其说明可能会使图2难以阅读。
第一半桥52具有第一开关56和与其串联第二开关58。开关56，58在本实施例中相应地由未详细标识的MOSFET(Metalloxid-Feldeffekttransistor(金属氧化物场效应晶体管))和各一个与之并联连接的续流二极管构成。
第一分电压28施加在第一开关56上，而第二开关58串联地连接在第一开关56和全桥54之间。因此，从全桥54的角度看，第一开关56使来自电池8的输入端短路，而第二开关58(在第一开关56打开时)能够将全桥54接入电池8的电流路径中。如果在每个子模块24，26中都以相同的方式交替地打开和闭合开关56，58，那么连同电感件22一起实现升压变换器，它将分电压28，30的总和设置得高于电池电压18。此外，如果第一开关56持久地保持闭合，那么通过第一半桥42还可以持久地将第一子模块24从两个子模块24，26的串联电路中移除。
全桥54实现为四象限调节器，其具有第一和第二未详细标识的半桥。两个半桥的构造基本上类似于第一半桥52。通过中间回路电容器55得以稳定的第一分电压28可以通过合适地驱控全桥54转换成交流电压60。为了清楚起见，再次仅仅对于图2中的第一电流路径42示出交流电压60。交流电压60施加在第一负载10上，并且通过第一负载10引发相应的交流电流62。如果第一负载10给作为四象限调节器实现的全桥50输送电能，那么它就能够将相应的功率流导回到第一子模块24中。全桥54的驱控对于专业技术人员来说是公知的，下面不必对其进行进一步的阐述。
在本实施方案中，第一负载10具有一定数量的电流路径66，68，70，该数量与第一子模块24的电流路径42至46的数量相等。相应的也适用于第二负载12。在此，第一负载10的每个电流路径66，68，70相应地与子模块24的一个电流路径42至46电连接。子模块24，26的电流路径42至46以同样方式相应地彼此相互电连接。在第一负载10的例如作为已述的电机绕组段实现的电流路径66至70中分别连接单个电机绕组72至76。
在本实施方案中，每个子模块24，26在每个电流路径42至46中包括单个电感器64。该单个电感器64可以替代电感器22或者在功能性上补充电感器22。
尽管通过优选实施例更详尽地阐述和描述了本发明的细节，但是本发明不受到这些实施例的局限。专业技术人员可以从中推导出其他的变化方案，而不离开本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种变流器电路(4)，包括至少两个串联地子模块(24，26)，所述子模块通过电感器(22)从提供直流电压(18)的电源(8)中获取电功率，
-其中每个所述子模块(24，26)在输入侧具有单相半桥并且在负载侧具有单相全桥，并且
-其中所述半桥和所述全桥连接在直流电压侧，并且与所述半桥和所述全桥并联有中间电路电容器，
其特征在于，在每个所述子模块(24，26)中，至少一个电线路由多个彼此并联的电流路径(42至46)组成。
2.根据权利要求1所述的变流器电路(4)，其中，所述全桥由数量与所述电流路径(42至46)的数量相等的单个全桥(54)组成，并且每个所述电流路径(42至46)引导通过所述单个全桥(54)中的一个单个全桥。
3.根据权利要求2所述的变流器电路(4)，其中，电负载(6)的各一个电流路径(66至70)能连接至每个所述单个全桥(54)的输出端。
4.根据前述权利要求中任一项所述的变流器电路(4)，其中，所述中间电路电容器由数量与所述电流路径(42至46)的数量相等的单个中间电路电容器(55)组成，并且每个所述中间电路电容器(55)与所述电流路径(42至46)中的一个电流路径连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的变流器电路(4)，其中，所述半桥由数量与所述电流路径的数量相等的单个半桥(52)组成，其中每个所述单个半桥(52)与所述电流路径(42至46)中的一个电流路径连接。
6.根据权利要求5所述的变流器电路(4)，其中，每个所述单个半桥(52)在输入侧与单个电感器(64)连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的变流器电路(4)，所述变流器电路包括电势补偿点(48，50)，在所述电势补偿点处，各个所述电流路径(42至46)彼此电连接。
8.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的变流器电路(4)的电路板(40)。
9.一种包括用于驱动转子的电机绕组(10，12)和包括根据权利要求8所述的用于为所述电机绕组(10，12)供给电能的电路板(40)的电动机。
10.根据权利要求9所述的电动机，其中，所述电机绕组(10，12)由数量与所述电流路径(42至46)的数量相等的单个绕组(72至76)组成，并且每个所述单个绕组(72至76)与所述电流路径(42至46)中的一个电流路径电连接。
11.一种包括根据权利要求9或10所述的电动机的机动车，所述电动机用于驱动所述机动车。
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