CN107960141B - 具有用于再生地衰减电振荡的线路布置的反相器线路和用于再生地衰减电振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交替地将单相的或者多相的、尤其是三相的负载（M）的相与直流电源（U_B）的正极和负极连接起来的反相器线路，所述反相器线路具有：被集成到功率模块（1）中的、彼此并联的、由电子开关（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）构成的配对，其中两个属于相应的配对的开关串联，并且其中在两个属于所述配对的电子开关的连接处设置了用于所述负载（M）的相应的相（M₁、M₂、M₃）的接头；与所述直流电源（U_B）并联的中间电路电容器（C_ZK）；以及所述中间电路电容器（C_ZK）与所述功率模块（1）之间的、用于连接所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的电连接部（2、3），其中所述电连接部（2、3）具有分布的寄生的电感（L_PAR）并且由此在开关时引起电振荡；所述反相器线路包括用于再生地衰减所述电振荡的线路布置，所述线路布置具有：缓冲电容器（C_Buff），所述缓冲电容器以其第一接头与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的一个接头相连接；第一二极管（D_高），通过所述第一二极管所述缓冲电容器（C_Buff）与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的另一个接头相连接；另外的二极管（D_低1、D_低2、D_低3），通过所述另外的二极管所述缓冲电容器（C_Buff）与用于所述负载（M）的相应的相（M₁、M₂、M₃）的接头相连接；以及降压斩波器（T_s），通过所述降压斩波器所述缓冲电容器（C_Buff）与所述中间电路电容器（C_ZK）相连接。

Description

具有用于再生地衰减电振荡的线路布置的反相器线路和用于 再生地衰减电振荡的方法

技术领域

本发明涉及一种反相器线路，其中在开关过程中产生的电振荡中的能量大部分被回收，并且本发明也包括一种用这种反相器线路实现的用于再生地衰减电振荡的方法。

背景技术

反相器、也被称为逆变器将由电源提供的直流电压转换为来自具有可变的频率的矩形的脉冲的交流电压，所述交流电压而后被提供给负载，比如用于运行电机、比如用于驱动用于电动车的马达。

反相器以单相和多相的方式来使用。对于单相的反相器来说，输出端通过开关交替地与电源的正极和负极相连接。对于多相的反相器来说，以取决于应用情况的顺序来转换负载的各个接头（相）的极性。比如三相的反相器能够用于周期性地转换马达的三个被联接成星形的绕组的极性。

图6示出了按照现有技术的三相的反相器的原则上的线路。在这里，直流电压由蓄电池提供并且在中间电路电容器上提供。所述三相中的每相都能够分开地分别通过一个半导体开关与所述直流电压的正极或者负极相连接，其中作为半导体开关优选使用具有相应地并联的二极管（空转二极管）的MOSFET或者IGBT。在此，以推挽方式、不过在转换时以一定的死区时间来运行每相的两个开关，用于可靠地避免重叠，所述重叠会意味着电源的短路。

在半导体开关断开的时刻，线路的寄生的电感以及在这里尤其是具有中间电路电容器的电源与具有半导体开关的功率模块之间的连接线的电感能够有干扰地觉察到。也就是说，在这些寄生的电感中所储存的能量引起感应电压脉冲，所述感应电压脉冲导致所述半导体开关上的过压并且就这样危及所述功率模块，并且所述感应电压脉冲导致电振荡。为了应对这一点，现有技术提供两种不同的也能够组合起来的处理方式：一方面所述电子开关从一开始为可预料的过压而设计，方法是：所述电子开关的击穿电压明显超过中间电路电压。另一方面，额外的电容器能够低电感地被连接到所述半导体开关上（“电容的减振器”），其中“低电感的”意味着，额外的电容器应该在将引线长度降低到最低限度的情况下被集成到所述功率模块中。在此，在这个电容器与所述寄生的电感之间产生电振荡，所述电振荡通过所述线路的欧姆电阻（在附图中未示出）来衰减并且减弱。在这两种情况中，在所述寄生的电感中所储存的磁能在每次开关过程中被转化为热并且引起与开关频率成比例的损耗。

发明内容

本发明的主题在第一方面是一种用于交替地将n相的、尤其是三相的负载的相与直流电源的正极和负极连接起来的反相器线路，所述反相器线路具有被集成到功率模块中的、彼此并联的、由电子开关构成的配对，其中两个属于相应的配对的开关串联，并且其中在所述两个属于所述配对的电子开关的连接处设置了用于所述负载的相应的相的接头。此外，所述反相器线路具有中间电路电容器，所述中间电路电容器与所述直流电源并联，并且所述中间电路电容器具有电连接部，所述电连接部从所述中间电路电容器伸展到所述功率模块并且用于连接所述开关配对，其中这些连接具有分布的寄生的电感并且由此在开关时引起电振荡。为了衰减这些振荡并且回收在其当中所包含的能量，所述线路布置包括：

-缓冲电容器，所述缓冲电容器以其第一接头与所述开关配对的一个接头相连接，

-第一二极管，通过所述第一二极管所述缓冲电容器以其另一个接头与所述开关配对的另一个接头相连接，

-另外的二极管，通过所述另外的二极管所述缓冲电容器与用于所述负载的相应的相的接头相连接，以及

-降压斩波器，通过所述降压斩波器所述缓冲电容器与所述中间电路电容器相连接。

本发明的另一个方面是一种用于回收在直流电路的分布的寄生的电感的磁场中所包含的能量的方法，其中该直流电路包括直流电源、电子开关以及负载，所述方法具有以下步骤：

-断开所述开关，

-将通过所述开关在所述寄生的电感上所感应的感应电压通过二极管来输送给缓冲电容器，如此使所述二极管极化，使得其阻碍接下来所述缓冲电容器放电到所述电路中，并且

-通过降压斩波器使所述缓冲电容器放电给所述直流电源。

发明优点

本发明的优点在于，避免所述电子开关上的过压并且因此不必在所述电子开关的耐压强度方面过度设计所述电子开关的尺寸。此外，回收在所述寄生的电感中所包含的能量并且将其返回传输给所述中间电路电容器或者返回传输给所述电源。尤其对于高的开关频率来说，这明显地降低了所述功率模块中的损耗以及对此来说所必需的冷却功率。EMV问题（电磁相容性）也得到减轻。所述电子开关的开关频率由此能够得到提高。

本发明的实施方式提供另外的优点：

如果所述缓冲电容器和所述二极管低电感地被连接到所述开关上，那就降低由于这些结构元件的接头的寄生的电感引起的振荡。这特别有效，如果所述结构元件被集成到所述功率模块中。

用额外的与所述开关配对并联并且低电感地被连接到所述开关配对上的阻尼电容器能够尤其对特别快速地开关的开关来说实现对于振荡的额外的衰减。这能够有利地实现所述开关频率的进一步的提高。

所述阻尼电容器也优选被集成到所述功率模块中，用于避免由于在所述功率模块的引线中的寄生的电感而引起的振荡。

附图说明

附图中：

图1示出了本发明的第一种实施方式；

图2a示出了关于按照现有技术的线路（图6）的模拟结果；

图2b示出了用于按本发明的按照图1的线路的模拟结果；

图3示出了本发明的具有补充的减振器-电容器C_SNB的第二种实施方式；

图4a示出了关于按照现有技术的具有补充的减振器-电容器C_SNB的线路（图6）的模拟结果；

图4b示出了用于按本发明的按照图3的具有补充的减振器-电容器C_SNB的线路的模拟结果；

图5象征性地示出了普遍的用于从电振荡中回收能量的方法；并且

图6示出了按照现有技术的反相器线路。

具体实施方式

本发明涉及一种按照图6的比如三相的反相器线路，所述反相器线路用于交替地将三相的负载M的相与直流电源U_B的正极和负极连接起来。所述线路为此具有三个被集成到功率模块1中的、彼此并联的、由电子开关（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）构成的配对，其中两个属于相应的配对的开关串联。在所述两个属于所述配对的电子开关的相应的连接处设置了用于所述负载M的相应的相（M₁、M₂、M₃）的接头。

中间电路电容器C_ZK与所述直流电源U_B并联。

按本发明的按照图1和3的反相器线路也具有所有这些按现有技术的按照图6的结构元件。

如此操纵所述开关，从而总是所述两个属于一个开关配对的开关中仅仅至多一个开关闭合，由此所述负载的所属的相与所述直流电源的正极或者负极相连接。

尤其所述中间电路电容器C_ZK与所述功率模块1之间的、用于连接所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的电连接部2和3包含分布的寄生的电感，并且这些电感在图6中象征性地作为集中的开关元件L_PAR来示出。在所述电子开关（T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆）开关时，这些电感引起过压和电振荡。在现有技术中这一方面通过以下方式来应对：所述开关为可预料的过压而设计，方法是：所述开关的击穿电压明显高于所述中间电路电压。另一方面，额外的电容器C_SNB低电感地被连接到所述半导体上（“电容的减振器”）；在图6中这个电容器用虚线来绘入。在振荡中所包含的能量在此在所述线路的不可避免的欧姆电阻中（在附图中未示出）被转化为热并且必要时必须被排出。

以此为出发点，图1示出了本发明的第一种实施方式，其中相同的构件相同地来表示。在此，所述缓冲电容器C_Buff处于所述线路的中心，所述缓冲电容器以其接头之一（在图1中下方）与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的其中一个接头相连接。所述缓冲电容器的另一个接头通过第一二极管D_高与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）的另一个接头相连接，并且通过三个另外的二极管（D_低1、D_低2、D_低3）与三个用于负载M的相应的相（M₁、M₂、M₃）的接头相连接。由此，将被断开的开关上的电压限制到所述中间电路电压上，并且来自所述寄生的电感L_PAR的能量传导到所述缓冲电容器C_Buff中并且中间储存在那里。

随后将这种中间储存的能量从所述缓冲电容器C_Buff中取出并且输送给降压斩波器T_S。降压斩波器本身在现有技术中为人所知并且在这里能够比如作为常规的具有有源的构件和明确的电感的降压斩波器以每种实施方式使用。也能够考虑通过AVT（构造及连接技术）中的有源的构件和寄生的电感或者通过完全无源的网络来回收能量。重要的仅仅是，将已经接收来自所述寄生的电感L_PAR的能量的缓冲电容器C_Buff上的较高的电压降低到所述中间电路电压，从而能够将这种能量返回提供给所述中间电路电容器C_ZK并且由此返回提供给所述电源U_B。由此降低通过所述开关过程引起的过压并且还仅仅存在具有大幅降低的幅度的电振荡。

图2以模拟的形式示出了所述按本发明的线路的这种作用，其中图2a和图2b分别示出了在插入所述缓冲电容器C_Buff、所述降压斩波器T_S和所述二极管之前和之后的情况。曲线I_2a或者I_2b在此示出了线路2和3中的电流，并且曲线U_1a或者U_1b示出了所述功率模块的输入端上的电压。箭头在此指向相应所属的电压坐标（左边）或者电流坐标（右边）。

在实现按照图1的线路时要注意，所述缓冲电容器C_Buff与所述电子开关之间的寄生的电感保持很小的程度，因为否则在这些构件之间可能出现不期望的另外的振荡。因此，在第一步骤中应该将所述二极管D_低1、D_低2和D_低3在所述功率模块1中集成在所属的开关配对处，也就是说将D_低1集成在T₁和T₂处，将D_低2集成在T₃和T₄处并且将D_低3集成在T₅和T₆处，从而分别形成所述功率模块1的子模块。在第二集成步骤中，也将所述二极管D_高集成到所述功率模块1中，并且在第三步骤中额外地将所述缓冲电容器C_Buff集成到所述功率模块中。

而C_Buff与所述中间电路电容器C_ZK之间的寄生的电感——包括所述降压斩波器的线路——则起着次要的作用，因为在这里仅仅流动着用于回收振荡能量的（小的）电流。这些构件以及在这里尤其是所述降压斩波器T_S的线路因此能够远离所述功率模块1来布置。

按照图1的线路能够通过如从现有技术中本身所知道的那样的（在图6中用虚线示出）减振器-电容器C_SNB来得到补充。这引起本发明的按照图3的实施方式。这种布置结构尤其有利地用在具有特别快速地开关的半导体的应用情况中。图4为此又与在图2中相类似地示出了在插入振荡阻尼装置连同缓冲电容器C_Buff、降压斩波器T_S和二极管之前和之后的模拟情况。

从所述曲线中可以得知，未经衰减的振荡（图2a，曲线U_2a）达到（在这种实施例中）超过450V的工作电压大于250V的最大的过压，并且按照现有技术的减振器-电容器（图4a，曲线U_4a）能够将这种幅度降低到大约100V。

用按照本发明的再生的衰减，能够将所述过压降低到大约25V（图2b，曲线U_2b以及图4b，曲线U_4b）。在此表明，在按照本发明的线路中余下的振荡的频率通过所述补充的减振器-电容器C_SNB从大约30MHz（图2b，曲线U_2b，未使用减振器-电容器）下降到大约3MHz（图4b，曲线T_4b，使用减振器-电容器）。本身所熟知的减振器-电容器C_SNB由此结合本发明具有与在现有技术中不同的作用重点。

在这里借助于三相的负载M对本发明进行了解释。但是本发明也能够容易地用在多相的负载、比如六相的或者九相的负载M中。

但是，在使用被称为“单相”的负载的情况下，将所述负载的两个接头之一交替地与直流电源（U_B）的正极和负极连接起来是不够的。更确切地说，这必须用所述负载的两个接头来进行，因而应该将所述负载的两个接头理解为在权利要求1的意义上的相。由此，在这种情况下，也使用开关的两个配对等等。

图5象征性地示出了普遍的用于回收在直流电路的分布的寄生的电感的磁场中所包含的能量的方法。在此前提是，这种直流电路包括直流电源、电子开关和负载，所述直流电源、电子开关和负载通过线路与寄生的电感彼此相连接，并且所述方法具有以下步骤：

-断开（11）所述开关，由此中断所述电路并且在所述寄生的电感中所储存的能量感应出感应电压；

-将这种通过开关所感应的感应电压通过二极管输送（12）给缓冲电容器，如此使所述二极管极化，使得其阻碍接下来所述缓冲电容器放电到所述电路中；并且

-通过降压斩波器使所述缓冲电容器放电（13）给所述直流电源。

Claims (12)

1.用于交替地将单相的或者多相的负载（M）的相与直流电源（U_B）的正极和负极连接起来的反相器线路，所述反相器线路具有：

-被集成到功率模块（1）中的、彼此并联的、由电子开关（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）构成的配对，其中两个属于相应的配对的开关串联，并且其中在两个属于所述配对的电子开关的连接处设置了用于所述负载（M）的相应的相（M₁、M₂、M₃；…）的接头；

-与所述直流电源（U_B）并联的中间电路电容器（C_ZK）；以及

-所述中间电路电容器（C_ZK）与所述功率模块（1）之间的、用于连接所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）的电连接部（2、3），

其中所述电连接部（2、3）具有分布的寄生的电感（L_PAR）并且由此在开关时引起电振荡；

所述反相器线路包括用于再生地衰减所述电振荡的线路布置，所述线路布置具有：

-缓冲电容器（C_Buff），所述缓冲电容器以其第一接头与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）的一个接头相连接；

-第一二极管（D_高），所述第一二极管直接与所述缓冲电容器（C_Buff）的第二接头并且与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）的另一个接头相连接；

-另外的二极管（D_低1、D_低2、D_低3；…），所述另外的二极管布置在所述缓冲电容器（C_Buff）的第二接头与第一二极管之间的节点与用于所述负载（M）的相应的相（M₁、M₂、M₃；…）的接头之间；以及

-降压斩波器（T_S），通过所述降压斩波器所述缓冲电容器（C_Buff）与所述中间电路电容器（C_ZK）相连接。

2.按权利要求1所述的反相器线路, 所述反相器线路用于交替地将三相的负载（M）的相与直流电源（U_B）的正极和负极连接起来，

其中所述反相器线路具有三个被集成到功率模块（1）中的、彼此并联的、由电子开关（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆）构成的配对，

其中所述线路布置具有三个另外的二极管（D_低1、D_低2、D_低3），所述三个另外的二极管布置在所述缓冲电容器（C_Buff）的第二接头与第一二极管之间的节点与用于所述负载（M）的相应的相（M₁、M₂、M₃）的三个接头之间。

3.按权利要求1或2所述的反相器线路，其中所述二极管（D_高和D_低1、D_低2、D_低3；…）和所述缓冲电容器（C_Buff）低电感地与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）相连接。

4.按权利要求3所述的反相器线路，其中所述另外的二极管（D_低1、D_低2、D_低3；…）在所述功率模块（1）中被集成在所属的开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）处并且与所述开关配对分别形成子模块。

5.按权利要求3所述的反相器线路，其中所述二极管（D_高和D_低1、D_低2、D_低3；…）被集成到所述功率模块（1）中。

6.按权利要求3所述的反相器线路，其中所述二极管（D_高和D_低1、D_低2、D_低3；…）和所述缓冲电容器（C_Buff）被集成到所述功率模块（1）中。

7.按权利要求1或2所述的反相器线路，所述反相器线路具有阻尼电容器（C_SNB），所述阻尼电容器与所述开关配对（T₁、T₂；T₃、T₄；T₅、T₆；…）并联并且低电感地被连接到所述开关配对上。

8.按权利要求7所述的反相器线路，其中所述阻尼电容器（C_SNB）被集成到所述功率模块（1）中。

9.按权利要求1或2所述的反相器线路，其中所述直流电源（U_B）是用于驱动电动车的蓄电池。

10.按权利要求1或2所述的反相器线路，其中所述负载（M）是三相的电动马达并且所述电动马达的绕组被联接成星形。

11.按权利要求1或2所述的反相器线路，其中所述负载（M）是三相的电动马达并且所述电动马达的绕组被联接成三角形。

12.用于借助按权利要求1到11中任一项所述的反相器线路来回收在直流电路的分布的寄生的电感的磁场中所包含的能量的方法，其中所述直流电路包括直流电源、电子开关和负载，所述方法具有以下步骤：

-断开（11）所述开关；

-将通过所述开关在所述寄生的电感上所感应的感应电压通过二极管来输送（12）给缓冲电容器，所述二极管极化成其阻碍接下来所述缓冲电容器放电到所述电路中；并且

-通过降压斩波器使所述缓冲电容器放电（13）给所述直流电源。

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