CN105556845B

CN105556845B - 具有限压装置的逆变器电路

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Publication number: CN105556845B
Application number: CN201480053664.2A
Authority: CN
Inventors: S.布茨曼
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: WO2015043936A1; US9935537B2; US20160241129A1; CN105556845A; EP3053270A1; EP3053270B1; DE102013219670A1

Abstract

描述了一种逆变器电路（80），其包括第一和第二开关装置（1，2），所述开关装置（1，2）在电路径（10）中彼此串联并且与中间电路电容器（20）并联。该逆变器电路（80）还包括输出端（9）和两个输入端（11，12），所述输入端（11，12）分别与中间电路电容器（20）的一极导电地连接并且能够与储能器的各一极导电地连接。此外，该逆变器电路（80）包括限压元件（30），所述限压元件（30）以第一接线端子在两个开关装置（1，2）之间与电路径（10）导电地连接，并且以第二接线端子与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）导电地连接。根据本发明，在限压元件（30）与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）之间的导电连接中布置有电容器（40），并且参考电压源（50）与限压元件（30）的第一接线端子导电地连接。

Description

具有限压装置的逆变器电路

技术领域

本发明涉及一种逆变器电路，其包括第一和第二开关装置，所述开关装置在电路径中彼此串联并且与中间电路电容器并联，并且所述开关装置的控制接线端子分别与脉冲控制设备连接。该逆变器电路还包括：输出端和两个输入端，所述输入端分别与中间电路电容器的一极导电地连接并且可以与储能器的各一极连接；以及限压元件，其以第一接线端子在两个开关装置之间与电路径导电地连接并且以第二接线端子与第二开关装置的控制接线端子导电地连接。

背景技术

也简称为逆变器或变流器的逆变器电路是电驱动装置、尤其是由直流电源馈电的电驱动装置中最重要的组成部分之一。在DE3415011 A1中公开了这样的在那里被称为逆变器设备的逆变器电路。更确切而言，在DE 3415011 A1中描述了一种具有半导体电流控制元件的逆变器设备，其中由限流电路和二极管构成的并联电路与半导体电流控制元件中的每个串联，以便阻止过量的电流流经所述半导体电流控制元件。

另外，例如DE 10 2009 014 704 A1公开了一种驱动系统以及一种用于运行驱动系统的方法，该驱动系统包括电动机、变流器和储能器，其中电动机可以由变流器来馈电，并且其中可以向电动机的至少一个定子绕组输送可由开关控制的电流，该电流由与储能器不同的电能源来供应。

此外，在DE 60 2004 004 669 T2中描述了一种用于与电池和车载电网连接的多相和可逆起动电机的控制设备，该起动电机一方面包括具有功率晶体管形式的开关的桥，并且另一方面包括具有用于激励功率晶体管的栅极的激励装置的电子控制和监控单元。图1示出了现有技术的处于与储能器90和负载100连接状态的另一逆变器电路80。逆变器电路80包括第一和第二开关装置1、2，所述开关装置1、2在电路径10中彼此串联并且与中间电路电容器20并联，并且所述开关装置1、2的控制接线端子3分别与脉冲控制设备5连接，这在现有技术的逆变器电路80的本示例中仅仅针对下部的第二开关装置2予以示出。另外，逆变器电路80包括：输出端9，该输出端9在本示例中在第一和第二开关装置1、2之间与电路径10导电地连接；以及两个输入端11、12，所述输入端11、12分别与中间电路电容器20的一极导电地连接并且与储能器90的各一极导电地连接。此外，现有技术的逆变器80包括限压元件30，该限压元件30以其第一接线端子在两个开关装置1、2之间与电路径10导电地连接，并且以其第二接线端子与第二开关装置2的控制接线端子3导电地连接。在本示例中，限压元件30被实施成齐纳二极管30。

限压元件30用于在输出端9处、即在第一和第二开关装置1、2之间破坏在电路径10中出现的电压尖峰。如果在输出端9处或在第一和第二开关装置1、2之间在电路径10中例如由于负载100中电流中断而出现电压尖峰，则在超过齐纳二极管30的击穿电压时第二开关装置2被激励，以便能够实现一定的通过电流并且降低电压尖峰。调节电路70附加地位于逆变器电路80中，该调节电路70通过干预第二开关装置2的控制接线端子3来限制输出端9处的电压，但是大多仅仅少地具有动态特性，并且不能调整短的过压尖峰。另外，图1中示出的逆变器电路80的问题还有，电路径10中的处于输出端9处或第一和第二开关装置1、2之间的电压随着在温度波动情况下的增加的老化以及由于组件的公差而可能漂移。因此，例如在设计电压为400V的情况下可能出现+/- 50V的变化。因此，施加在中间电路电容器20上的电压也可能大于设计电压，必须据此来确定中间电路电容器20以及其余组件的大小。

发明内容

根据本发明提供了一种逆变器电路，其包括第一和第二开关装置，所述开关装置在电路径中彼此串联并且与中间电路电容器并联，并且所述开关装置的控制接线端子分别与脉冲控制设备连接。该逆变器电路还包括输出端和两个输入端，所述输入端分别与中间电路电容器的一极导电地连接并且与储能器的各一极导电地连接。此外，该逆变器电路具有限压元件，该限压元件以第一接线端子在两个开关装置之间与电路径导电地连接，并且以第二接线端子与第二开关装置的控制接线端子导电地连接。根据本发明，在限压元件与第二开关装置的控制接线端子之间的导电连接中布置有电容器，并且参考电压源与限压元件的第一接线端子导电地连接。

这样实施的逆变器电路的优点是，该逆变器电路提供了快速和非常精确地降低在第一和第二开关装置之间在电路径中出现的电压尖峰的基础。因此在根据本发明实施的逆变器电路中，与现有技术的逆变器电路相比可以使用大小被确定得更小的中间电路电容器或电路组件，因为过压立即被减小。

逆变器电路优选地还包括第一二极管，该第一二极管布置在限压元件的第一接线端子与电路径之间的导电连接中。此外，第一二极管的阴极优选地与限压元件的第一接线端子导电地连接，而第一二极管的阳极与电路径导电地连接。在这样的实施例中，第一二极管阻止由参考电压源提供的参考电压的传递。

逆变器电路优选地还包括第二二极管，该第二二极管布置在参考电压源与限压元件的第一接线端子之间的导电连接中。第二二极管的阴极优选地与限压元件的第一接线端子导电地连接，而第二二极管的阳极与参考电压源导电地连接。在这样的实施例中，通过第二二极管来保证：在任何时刻电流都不回流到参考电压源中。这提高了逆变器电路的安全性及稳定性。

在一个优选的实施方式中，针对由参考电压源提供的参考电压Ur有Ur = Uc +Uspb成立，其中Uc对应于完全充电状态下的电容器上的电压，并且Uspd对应于限压元件的击穿电压。换言之，由参考电压源提供的参考电压Ur被调整或选择，使得在限压元件上下降的电压在电容器的完全充电状态下恰好等于限压元件的击穿电压Uspb。这样实施逆变器电路的优点是，限压元件的老化以及例如由于老化导致的对于击穿限压元件所需的击穿电压的改变不影响对在第一和第二开关装置之间在电路径中出现的电压尖峰的可靠降低。安装在逆变器电路中的组件的公差也在上述意义上不影响电路的功能。

限压元件优选地被实施成齐纳二极管。通过齐纳二极管可以将电压非常精确地限制到之前确定的值上。

在一个优选的实施方式中，逆变器电路还包括调节电路，该调节电路具有输入端、以及与第二开关装置的控制接线端子导电地连接的输出端，其中调节电路的输入端同电路径与限压元件的第一接线端子之间的导电连接导电地连接。此外优选地，调节电路的输入端直接与电路径导电地连接。通过由限压元件、参考电压源和电容器构成的组合实现了非常快速和精确的电压尖峰限制，而调节电路使得能够缓慢地匹配或限制电流。

在该实施方式的一个优选的改进方案中，调节电路的输入端与由两个彼此串联的电阻构成的分压电路导电地连接。通过这样的分压电路，可以通过选择分压电路的第一和第二电阻的电阻值来将施加在分压电路上的总电压分解成所期望的分电压。

调节电路优选地具有反馈运算放大器，该反馈运算放大器的输出端与调节电路的输出端导电地连接，该反馈运算放大器的同相输入端在分压电路的电阻之间与分压电路导电地连接，并且在该反馈运算放大器的反馈支路中布置有另一电容器。在这样的实施例中，运算放大器的同相输入端处的电压减小R₂ / (R₁ + R₂)倍，其中R₁是分压电路的第一电阻的电阻值并且其中R₂是分压电路的第二电阻的电阻值。利用反馈支路中的电容器，调节电路充当积分器电路或积分放大器。

反馈运算放大器的反相输入端优选地与另一电压源的极导电地连接。该另一电压源将运算放大器的反相输入端置于预先确定的电位上，以便将调节电路或反馈运算放大器调整到要破坏的电压尖峰上。

调节电路的输出端优选地通过达林顿电路与第二开关装置的控制接线端子导电地连接。这样的达林顿电路的优点是，使用该电路，在空间需求不变的情况下可以实现显著更高的电流放大，或者其所需的控制电流更小。

调节器电压U_调节器——自从将U_调节器施加在调节电路的输入端上起，调节电路促使第二开关装置断开——与由参考电压源提供的参考电压Ur相比优选地具有更小的绝对值。在这样的实施例中，通过调节电路对电压尖峰进行的较缓慢的调整被置于通过限压元件、参考电压源和电容器的组合进行的快速动态调整之前。由此对电压尖峰的调整更可靠地进行。

本发明的有利的改进方案在从属权利要求中加以说明并在说明书中予以描述。

附图说明

根据附图和下面的描述进一步阐述本发明的实施例。其中：

图1示出了现有技术的处于与储能器90和负载100连接状态下的逆变器电路80；

图2示出了根据本发明的逆变器电路在没有调节电路的情况下的第一实施例；

图3示出了根据本发明的逆变器电路的第二实施例；以及

图4示出了根据本发明的逆变器电路具有根据本发明的调节电路的第三实施例。

具体实施方式

在图2中示出了根据本发明的逆变器电路80在没有调节电路70的情况下的第一实施例。该第一实施例中的逆变器电路80的构造在主要部分上与图1所示的现有技术的逆变器电路80相同，该现有技术的逆变器电路80在图1中在与储能器90和负载100连接的状态下被示出。也就是说，图2中被相同地表示的部件对应于现有技术的逆变器电路80的在图1中所示的示例的或者前述的部件。在该第一实施例中，逆变器电路80具有电容器40，该电容器40布置在限压元件30与第二开关装置2的控制接线端子3之间的导电连接中。换言之，电容器40布置在限压元件30的第二接线端子与第二开关装置2的控制接线端子3之间的导电连接中。在该第一实施例中，逆变器电路80纯示例性地还包括参考电压源50，该参考电压源50与限压元件30的第一接线端子导电地连接。参考电压源50的未与限压元件30的第一接线端子连接的第二极在该第一实施例中纯示例性地与地电位连接。但是第二极也可以与任意其它电位连接。与第一和第二开关装置1、2的控制接线端子3连接的脉冲发生器5分别被构造为，根据为相应开关装置1、2预先给定的时钟或方案断开或闭合脉冲发生器5所连接的开关装置1、2。电路径10将第一和第二开关装置1、2与逆变器电路80的输入端11、12连接。

根据本发明的逆变器电路80的在图2中所示的第一实施例还包括可选的第一二极管61，该第一二极管61布置在限压元件30的第一接线端子与电路径10之间的导电连接中。在该第一实施例中，第一二极管61的阳极与电路径10导电地连接，而第一二极管61的阴极与限压元件30的第一接线端子导电地连接。第一二极管61阻止由参考电压源50生成的参考电压被传递到输出端9。但是也可以实现如下根据本发明的逆变器电路80：其中通过其它器件或完全不同的装置阻止由参考电压源50生成的参考电压的传递。

限压元件30所具有的特性是，能够提供非常高的电阻值直到超过为限压元件30所特有的击穿电压，其中自从超过特征击穿电压起，限压元件30变为导电的、即低欧姆的。在该第一实施例中，针对由参考电压源50提供的参考电压Ur有Ur = Uc + Uspb成立，其中Uc对应于完全充电状态下的电容器40上的电压，并且Uspd对应于限压元件30的击穿电压。换言之，参考电压源50在该第一实施例中纯示例性地提供在限压元件30和电容器40上下降的参考电压Ur。如果电容器40被完全充电，则在限压元件30上由于与电容器40和限压元件30协调地选择参考电压Ur的绝对值而准确地下降击穿电压Uspb。在电路径10中存在的电压尖峰或过压于是直接导致限压元件30的击穿。这又导致电压通过限压元件30被传递到第二开关装置2的控制接线端子3，该第二开关装置2然后闭合，使得电路径10中的电压尖峰降低。第一和第二开关装置1、2可以任意地实施、例如被实施成IGBT、半导体阀门、MOSFET、或者完全不同的开关装置1、2。另外，根据本发明的逆变器电路80也可以被实施成，其中由参考电压源50提供的参考电压Ur被不同地设计，例如被设计为使得预先确定的强度的仅仅确定的电压尖峰导致限压元件30的击穿。另外，限压元件30也还可以与另外的器件串联，在所述器件上下降由参考电压源50提供的参考电压Ur并且参考电压Ur与所述器件协调，使得在限压元件30上准确地下降击穿电压Uspb或预先确定的其它电压。

图3示出了根据本发明的逆变器电路80的处于与负载100和储能器90导电地连接的状态下的第二实施例。第二实施例在主要部分上与图2中所示和之前描述的第一实施例相同，使得在图3中相同表示的部件对应于在图2和图1中示出的并且之前描述的部件。在第二实施例中，第一和第二开关装置1、2纯示例性地被实施成半导体阀门。在该第二实施例中，逆变器电路80还包括第二二极管62，该第二二极管62布置在参考电压源50与限压元件30的第一接线端子之间的导电连接中。换言之，逆变器电路80在该第二实施例中纯示例性地包括第二二极管62，该第二二极管62的阳极与参考电压源50的一极导电地连接，而第二二极管62的阴极与第一二极管61的阴极以及与在该第二实施例中纯示例性地被实施成齐纳二极管30的限压元件30的阴极导电地连接。在图3中，根据本发明的逆变器电路80的第二实施例纯示例性地与不属于逆变器电路80的储能器90连接。逆变器电路80的与储能器90的负极可连接或在该第二实施例中被连接的输入端12在该第二实施例中纯示例性地与地电位连接。另外，在该第二实施例中与电容器40并联一电阻。此外，逆变器电路80的第二实施例具有调节电路70，该调节电路70在图4中予以进一步描述。

在图4中示出了根据本发明的逆变器电路80具有根据本发明的调节电路70的第三实施例。根据本发明的逆变器电路80的在图4中所示的第三实施例基本上是逆变器电路80的在图3中所示的第二实施例。因此，图4中所示的第三实施例的相同表示的部件对应于图3中所示以及前述第二实施例的部件。在该第三实施例中，逆变器电路80纯示例性地包括调节电路70，该调节电路70具有输入端、以及与第二开关装置2的控制接线端子3导电地连接的输出端，其中调节电路70的输入端同电路径10与限压元件30、即在该第三实施例中为齐纳二极管30的第一接线端子之间的导电连接导电地连接。但是也可以实施如下根据本发明的具有调节电路70的逆变器电路80：其输入端直接与电路径10导电地连接。调节电路70的输入端在该第三实施例中纯示例性地与由两个彼此串联的电阻81、82构成的分压电路85导电地连接。该通过调节电路70的输入端与电路径10连接的分压电路85在其侧与反馈运算放大器75连接，该反馈运算放大器75由调节电路70所有。运算放大器75的输出端与调节电路70的输出端导电地连接。分压电路85与运算放大器75之间的连接通过运算放大器的同相输入端78进行，该同相输入端78在分压电路85的电阻81、82之间与分压电路85导电地连接。在该第三实施例中，在运算放大器75的反馈支路14中布置有另一电容器17。换言之，通过该另一电容器17反馈的运算放大器75在该第三实施例中纯示例性地充当积分器或积分放大器。

在该第三实施例中，反馈运算放大器75的反相输入端79与另一电压源52的一极导电地连接，其中在运算放大器75与该另一电压源52之间或在这两个最后所述元件中连接的电连接中纯示例性地布置有另一电阻。该另一电压源52的未与反相输入端79连接的极在该第三实施例中纯示例性地与地电位导电地连接。调节电路70的输出端在该第三实施例中纯示例性地通过达林顿电路27与第二开关装置2的控制接线端子3导电地连接。在此，另一电阻纯示例性地存在于达林顿电路27与第二开关装置2的控制接线端子3之间的导电连接中。在该第三实施例中，调节器电压U_调节器——自从将U_调节器施加到调节电路70的输入端上起，调节电路70促使第二开关装置2断开——与由参考电压源50提供的参考电压Ur相比具有更小的绝对值。

在逆变器电路80的输出端9处或在电路径10中在第一和第二开关装置1、2之间存在电压尖峰或过压的情况下，该电压尖峰或过压也施加在调节电路70的输入端上。施加在同相输入端78上的电压以如下倍数被减小：该倍数从电阻82与电阻81和82之和的比得出。该另一电压源52在反向输入端79处提供电压。如果施加在运算放大器75的同相输入端78上的电压超过由另一电压源52提供的电压，则所述电压之差被反馈运算放大器75积分，并且在反馈运算放大器75的输出端处输出，这导致调节电路70的输出端处的达林顿电路27的放大或断开。这又通过第二开关装置2的控制接线端子3导致第二开关装置2的断开，这导致电路径10的电压尖峰或过压的降低。

Claims

1.一种逆变器电路（80），包括：

第一和第二开关装置（1，2），所述开关装置（1，2）在电路径（10）中彼此串联并且与中间电路电容器（20）并联，并且所述开关装置（1，2）的控制接线端子（3）分别与脉冲控制设备（5）连接；

-输出端（9）和两个输入端（11，12），所述输入端（11，12）分别与中间电路电容器（20）的一极导电地连接并且能够与储能器的各一极导电地连接；

-限压元件（30），所述限压元件（30）以第一接线端子在两个开关装置（1，2）之间与电路径（10）导电地连接，并且以第二接线端子与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）导电地连接；

其特征在于，

在限压元件（30）与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）之间的导电连接中布置有电容器（40），并且参考电压源（50）与限压元件（30）的第一接线端子导电地连接，

其中针对由参考电压源（50）提供的参考电压Ur有Ur = Uc + Uspb成立，其中Uc对应于完全充电状态下的电容器（40）上的电压，并且Uspb对应于限压元件（30）的击穿电压。

2.根据权利要求1所述的逆变器电路（80），还包括第一二极管（61），所述第一二极管（61）布置在限压元件（30）的第一接线端子与电路径（10）之间的导电连接中。

3.根据前述权利要求之一所述的逆变器电路（80），还包括第二二极管（62），所述第二二极管（62）布置在参考电压源（50）与限压元件（30）的第一接线端子之间的导电连接中。

4.根据权利要求1或2所述的逆变器电路（80），其中限压元件（30）被实施成齐纳二极管（30）。

5.根据权利要求1或2所述的逆变器电路（80），还包括调节电路（70），所述调节电路（70）具有输入端、以及与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）导电地连接的输出端，其中调节电路（70）的输入端同电路径（10）与限压元件（30）的第一接线端子之间的导电连接导电地连接。

6.根据权利要求5所述的逆变器电路（80），其中调节电路（70）的输入端与由两个彼此串联的电阻（81，82）构成的分压电路（85）导电地连接。

7.根据权利要求6所述的逆变器电路（80），其中调节电路（70）具有反馈运算放大器（75），所述反馈运算放大器（75）的输出端与调节电路（70）的输出端导电地连接，所述反馈运算放大器（75）的同相输入端（78）在分压电路（85）的电阻（81，82）之间与分压电路（85）导电地连接，并且在所述反馈运算放大器（75）的反馈支路（14）中布置有另一电容器（17）。

8.根据权利要求7所述的逆变器电路（80），其中反馈运算放大器（75）的反相输入端（75）与另一电压源（52）的一极导电地连接。

9.根据权利要求5所述的逆变器电路（80），其中调节电路（70）的输出端通过达林顿电路（27）与第二开关装置（2）的控制接线端子（3）导电地连接。

10.根据权利要求5所述的逆变器电路（80），其中调节器电压U_调节器与由参考电压源（50）提供的参考电压Ur相比具有更小的绝对值，其中自从将U_调节器施加在调节电路（70）的输入端上起，调节电路（70）促使第二开关装置（2）断开。