CN108183600A - 用于机动车的转换器和机动车 - Google Patents

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Abstract

用于机动车的转换器，包括开关单元(2)，其与转换器(1)的中间电路(6)连接并且以预先确定开关频率是可运行的；此外还包括多个在中间电路(6)中连接的分别具有中间电路电容(15)的滤波元件(7‑11)，其中，相应的滤波元件(7‑11)在另一频率区间内的频率响应曲线的最小值作为其余滤波元件(7‑11)的频率响应曲线的相应最小值存在，其中该另一频率区间具有作为中间频率的开关频率的谐波以及相应于开关频率的区间长度。

Description

用于机动车的转换器和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的转换器/电流转换器(Stromrichtereinrichtung)，包括：开关单元，其与转换器的中间电路连接并且能以预先确定的开关频率运行；转换器还包括多个在中间电路中连接的、分别具有中间电路电容的滤波元件。
背景技术
在完全或部分电气驱动的车辆中经常采用交流电机，其借助于转换器，如变频器驱控。在此开关单元连同由半导体元件形成的半桥电路通常形成功率部分。功率部分通过中间电路供电，其通常在开关单元的开关过程中滤除出现的不期望的交流电流。已经提出，应用多个分别具有中间电路电容的滤波元件，以便实现该交流部分的宽带滤波。滤波的目的特别是在于，避免在机动车中高压构件的相互影响，改善电磁兼容，以及提高与转换器连接的电池的寿命，其负载对于交流电流是敏感的。
文献DE 100 62 075 A1公开了一种变流器，其与具有充电蓄能器的电压中间电路连接，其中变流器包含半桥电路或桥电路，并且半桥电路或桥电路是设置在壳体中的模块的组成部分，其中充电蓄能器具有多个中间电路电容器，其中的一个、多个或所有同样是模块的集成的组成部分。
文献DE 199 47 476 A1公开了一种用于具有半桥的车载电网的用于变换电能的逆变器，半桥包括具有可预先确定数量的开关的至少一个高端和低端开关，开关具有共同的连接端，该共同的连接端与产生电能的机构和与半桥并联的电容器连接。
文献EP 2 608 389 A1公开了一种整流电路，其包括至少两个串联连接的子模块，它们通过电感从输出直流电压的功率源获得电气功率。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，其中半桥、全桥以及中间电路电容在直流电压侧并联连接。此外，用于子模块的中间电路电容放电的放电电路与串联连接的子模块和电感并联连接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，改善在转换器的中间电路中对交流电压成分的滤波。
为了解决该技术问题，按照本发明在开始所述类型的转换器中规定，相应的滤波元件在另一频率区间内的频率响应曲线/频率特性值(Betragsfrequenzgang)的最小值不同于其余滤波元件的频率响应曲线的相应最小值存在，该另一频率区间具有作为中间频率的开关频率的谐波以及相应于开关频率的区间长度。
本发明基于如下认识，即中间电路中的交流电压部分在开关单元的开关频率的谐波中出现，从而，如果相应的滤波元件的频率响应曲线的最小值接近谐波，那么能实现特别有效的滤波。本发明提出，如此设计滤波元件，使得与中间电路电容有关的、相应频率响应曲线的最小值位于在如下频率区间内，该频率区间包括作为中间频率的开关频率的谐波。换言之，将要滤波的频谱分为多个频率区间，它们分别具有作为中间频率的开关频率的谐波并且具有最高开关频率的区间长度。滤波元件的频率响应曲线的相应最小值那么可如此选择，使得该最小值位于频率区间之一中，其中滤波元件分别可以对不同的谐波进行滤波。开关频率可以是开关单元的时钟频率。
各个滤波元件可以如此有利地匹配于在中间电路中在开关单元的开关过程期间产生的交流电压部分。在此，对于每个滤波元件可以确定特别有利或甚至最佳的中间电路电容。相应的中间电路电容的值可以由此减小，由此避免滤波元件的超尺寸并且实现结构空间和成本优点。另外有效降低了在中间电路的与开关单元对置的侧上的电压纹波(Spannungsrippel)，这改善了转换器的电磁兼容性。用于改善转换器的电磁兼容性的用于附加的滤波器的成本可以由此降低或者完全省去，这又降低结构空间要求和成本费用。
相应的滤波元件可以构成为或理解为二孔道/端口(Zweitor)，其中中间电路电容形成二孔道的横向电容。滤波元件可以连接为链，其中滤波元件与开关单元的高端开关元件和低端开关元件连接。频率响应曲线的最小值特别是在半开关频率与其十倍特别是其五倍开关频率之间的频率范围的全局最小值。
在按照本发明的转换器中优选的是，中间频率是开关频率的相应于滤波元件数量的一次谐波。试验表明，不期望的交流电压的最高大小位于在通过该中间频率描述的频率区间中。在此，可以特别是对二次谐波进行滤波，其通常具有最大能量。备选或附加地，相应的区间长度可以为开关频率的四分之、特别是十分之一。最小值可以如此选择极其接近相应的谐波，以便实现对相应不期望的交流电压部分的特别有效的滤波。
滤波元件优选构造为陷波电路和/或带阻滤波器和/或陷波滤波器(Kerbfilter)。在此不仅可以考虑的是，所有滤波元件是相同的上述滤波器类型，而且可以考虑的是，在转换器中组合应用不同滤波器类型。所有的滤波器类型的特征在于，这些滤波器类型具有在其共振或截止频率的情况下的频率响应曲线的最小值，由此特别适用于实现按照本发明的转换器的滤波元件。
为了预先规定滤波元件的频率响应曲线的最小值特别适宜的是，至少一个或相应的滤波元件具有与其中间电路电容串联连接的电感元件。通过无源结构元件实现的中间电路电容在实践中具有确定的寄生电感，其共同确定频率响应曲线的最小值，亦即例如谐振频率。为了尽可能精确地预先确定滤波元件的频率响应曲线的最小值，附加地设有与中间电路电容串联连接的电感元件。这样的电感元件因此形成二孔道/端口的横向电感。
优选地，电感元件通过至中间电路电容的线路连接构成，该线路连接的长度和/或形状和/或在电路板的多层内的布置确定电感元件的电感。那么通过线路连接的适合的设计可以针对性地产生电感，其数值可以非常准确地通过线路连接的几何尺寸形成。特别是在具有线路连接作为导体电路的电路板的应用中，可以通过在电路板的层内引导线路连接实现电感元件的电感的调节。
按照本发明的转换器的一种扩展方案规定，至少一个或相应的滤波元件具有作为纵向电感连接到作为横向电容设置的中间电路电容的电感元件。如此也可以实现较复杂的滤波架构，用于预先规定相应滤波元件的频率响应曲线的优化曲线。
有利地，相应的滤波元件的中间电路电容通过电容器实现。因为(真实的)电容器总是也具有寄生串联电阻和寄生串联电感，所以已经可以通过应用电容器特别简单地实现或设计适合的滤波元件。
在此，多个滤波元件或所有滤波元件的电容器可以是结构相同的。这特别是涉及如下滤波元件，该滤波元件具有与中间电路电容串联连接的电感元件和/或作为纵向电感连接的电感元件，因为通过一个或多个电感元件产生共同确定频率响应曲线的最小值的电感的变型可能。通过应用结构相同的电容器能以低开销和成本有利的方式实现转换器，因为可以应用少量不同的构件。
备选或附加地，多个或所有滤波元件的电容器可以具有不同的额定电容和/或不同的寄生串联电感。这特别是涉及一种实施形式，其中滤波元件通过唯一的电容器亦即没有附加的电感元件地实现。在此，本发明利用如下效应，即随着电容器的电容和/或电压耐受性的提高，其空间大小也提高，这又导致寄生串联电感的提高。通过合适地选择电容器的电容和尺寸可以实现相应的滤波元件的针对谐波优化的频率响应曲线。因为滤波元件的谐振频率与电容和电感的乘积成反比，所以可以对于高阶数的谐波应用实现较小中间电路电容的电容器。因为自从第二阶开始谐波还具有下降的能量，所以可以采用极其节省结构空间的电容器。特别小型的电容器还允许空间接近的设置在开关单元上。此外，电容器具有小的开关过电压。
优选地，按照本发明的转换器的连接端在中间电路的背离开关装置的那一侧与机动车的电池和/或燃料电池能连接或连接。
中间电路可以附加地在最接近开关单元设置的滤波元件与开关单元之间具有并联连接的电容器，其中电容器的寄生串联电感和/或与电容器的并联电路的线路连接的电感尽可能小。该电容器不用于通过特定谐振频率的滤波，而是应尽可能滤除非常高的频率部分，该频率部分由于在开关单元的开关过程中的电压换向出现，以便进一步降低开关过电压。
本发明所要解决的技术问题按照本发明还通过机动车，特别是汽车解决，该机动车包括按照本发明的转换器。按照本发明的转换器的全部实施方案可以类似地转移给按照本发明的机动车，从而通过按照本发明的机动车也可以实现上述优点。
附图说明
本发明的其它优点和细节由在下文中所述实施例以及根据附图得出。这些附图是示意图并且其中：
图1示出按照本发明的转换器的第一实施例的电路图；
图2示出通过转换器的滤波元件实现的频率响应曲线的示图；
图3示出转换器的另一实施例的电路图；以及
图4示出按照本发明的机动车的一个实施例的原理草图。
具体实施方式
图1示出了转换器1的第一实施例的电路图，转换器1包括开关单元2，该开关单元2由多个连接为半桥的、基于半导体的高端开关元件3和低端开关元件4形成并且提供用于电机5的多相交流电压。此外，转换器1具有中间电路6，该中间电路在中间电路6的背离开关单元2的那一侧包括多个滤波元件7-11和连接端12，各连接端与能量源13例如电池和/或燃料电池连接或可连接。
在转换器1的运行期间，开关元件3、4借助于未示出的控制装置以一开关频率定时，以便将能量源13的输出直流电压转换为多相交流电压用于给电机5供电。通过在电感性负载下进行的开关过程在中间电路6中生成电压尖峰，其包含不期望的交流电压部分。这些交流电压部分一方面给能量源13加载交流电流，这会降低能量源13的寿命。另一方面，交流电压部分导致不期望的电磁辐射。滤波元件7-11相应地构成为，滤除不期望的交流电压部分。
滤波元件7-11是二孔道/端口并且在串联连接/链式连接中设置在开关单元2与连接端12之间。每个滤波元件7-11在此包括电容器14，其实现中间电路电容15。此外，电容器具有欧姆内电阻16和寄生串联电感17。中间电路电容15因此用作二孔道的横向电容。滤波元件7-11还分别具有与电容器14串联连接的第一电感元件18。该第一电感元件通过到电容器14或其中间电路电容15的线路连接、特别是通过电路板的导体电路形成。通过在电路板的多层内的导体电路的长度、形状和布置可预先规定第一电感元件18的电感。备选地，第一电感元件18可以是与电容器14连接的金属线，该金属线具有预先规定电感的长度和形状。
因此相应的滤波元件7-11构成陷波电路，其谐振频率通过中间电路电容15和寄生串联电感17以及第一电感元件18的电感的和作为滤波元件7-11的横向电感确定。在该谐振频率下，相应的滤波元件7-11的阻抗最小。亦即中间电路中的交流电压在滤波元件7-11的相应谐振频率附近被衰减。寄生串联电感17在此首先依赖于电容器14的空间大小，其与中间电路电容15的值和其电压稳定性相互关系。谐振频率并且因此阻抗的最小值可以一方面通过电容器14的设计而另一方面通过第一电感元件18的电感精确地预先确定。在此可以应用具有相同额定电容的结构相同的电容器14，其中滤波元件7-11的谐振频率通过第一电感元件18的电感的相互变化预先确定。备选地可能的是，省去第一电感元件18并且单独通过电容器14的几何设计方案预先确定谐振频率。
滤波元件7-11的特征在于，滤波元件7-11分别具有不同的谐振频率，从而其频率响应曲线具有相应于谐振频率的不同的最小值。中间电路电容15、寄生串联电感17和第一电感元件18的电感如此选择，使得相应的滤波元件7-11的频率响应曲线的最小值位于在如下频率区间内，该频率区间具有相应于开关频率的区间长度。频率区间的中间频率相应于开关频率的前5个谐波，亦即滤波元件7实现相应于开关频率的一次谐波的滤波，滤波元件8实现相应于开关频率的两倍的二次谐波的滤波，等等。在此也可以更狭窄地限定区间长度，例如为开关频率的四分之一或五分之一，以便在要滤波的谐波中更接近地选择频率响应曲线的相应最小值。
图2示出了通过转换器1的滤波元件7-11实现的频率响应曲线19的示图。在此，关于频率f的对数示出阻抗Z的数值的对数。此外，纯定性地记录在中间电路6中要滤波的交流电压的频谱。在此应注意的是，在图2中示出的示图仅仅用于定性阐明滤波元件7-11的滤波特性并且不是必要按照正确比例的。
滤波元件7-11的最小值产生具有总共五个局部最小值的频率响应曲线19，它们衰减中间电路6中不期望的谱部分。在此，如果对于力求的滤波结果也要滤除比五次谐波更高次的谐波或者较少数量的谐波的滤波足够，那么自然也可以应用多于或少于图1中示出的滤波元件7-11。
图3示出相应于在图1中示出的转换器1的另一实施例的电路图，其中相同或作用相同的构件设有相同附图标记。在图3中示出的转换器1不同之处主要在于，代替第一电感元件18，滤波元件8-11具有作为纵向电感设置的第二电感元件21。与之串联地还示出欧姆线路电阻22。
滤波元件8-11同样分别实现具有频率响应曲线的最小值的滤波器，其可类似于滤波元件7的陷波电路的谐振频率预先确定。通过相应地选择中间电路电容15、寄生串联电感17和第二电感元件21的电感如此构成实现在图2中示出的频率响应曲线19的滤波架构。
按照另一实施例，所有滤波元件7-11可以与在图3中示出的滤波元件8-11相同地构成。除此之外，对于所有或各个滤波元件7-11也可以考虑其它滤波器类型，例如带通滤波器或陷波滤波器。
根据转换器1的另一实施例，该实施例相应于上述实施例，在最接近开关单元2设置的滤波元件11与开关单元2之间并联连接附加的电容器(未示出)。该电容器不用于通过特定谐振频率的滤波，而是应尽可能滤除由于在开关单元2的开关过程中的电压转换出现的非常高的频率部分，以便进一步降低在开关元件3、4上的开关过压。电容器，例如陶瓷电容器关于其寄生串联电感方面(根据在示出电容器14的等效图中的串联电感17)尽可能小地选择。该电容器的用于在中间电路6中并联连接的线路连接也在其电容方面尽可能低感应地构成。
图4示出机动车23的实施例的原理草图，机动车23包括电池和/或燃料电池形式的能量源13、连接在能量源13下游的根据上述实施例之一所述的转换器1以及电机5，电机5构成为机动车23的部分或完全的驱动装置并且借助于能量源13通过转换器1供电。

Claims (12)

1.一种用于机动车的转换器，包括开关单元(2)，该开关单元与转换器(1)的中间电路(6)连接并且能以预先确定的开关频率运行；转换器还包括多个在中间电路(6)中连接的、分别具有中间电路电容(15)的滤波元件(7-11)，其特征在于，相应的滤波元件(7-11)在另一频率区间内的频率响应曲线的最小值不同于其余滤波元件(7-11)的频率响应曲线的相应最小值存在，其中该另一频率区间具有作为中间频率的开关频率的谐波以及相应于开关频率的区间长度。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，中间频率是开关频率的相应于滤波元件(7-11)的数量的一次谐波；和/或相应的区间长度为开关频率的四分之一，特别是十分之一。
3.根据权利要求1或2所述的转换器，其特征在于，所述滤波元件(7-11)构造为陷波电路和/或带阻滤波器和/或陷波滤波器。
4.根据上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，至少一个或相应的滤波元件(7-11)具有与其中间电路电容(15)串联连接的电感元件(18)。
5.根据权利要求4所述的转换器，其特征在于，电感元件(18)通过至中间电路电容(15)的线路连接构成，该线路连接的长度和/或形状和/或在电路板的多层内的布置确定电感元件(18)的电感。
6.根据上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，至少一个或相应的滤波元件(7-11)具有作为纵向电感连接到作为横向电容设置的中间电路电容(15)的电感元件(21)。
7.根据上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，相应的滤波元件(7-11)的中间电路电容(15)通过电容器(14)实现。
8.根据权利要求7所述的转换器，其特征在于，多个滤波元件(7-11)，特别是具有串联连接到中间电路电容(15)的电感元件(18)和/或作为纵向电感连接的电感元件(21)的滤波元件(7-11)或所有滤波元件(7-11)的电容器(14)结构相同。
9.根据权利要求7或8所述的转换器，其特征在于，多个或所有滤波元件(7-11)的电容器(14)具有不同的额定电容和/或不同的寄生串联电感(17)。
10.根据上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，所述转换器(1)的连接端(12)在中间电路(6)背离开关单元(2)的那一侧与机动车(23)的电池和/或燃料电池能连接或连接。
11.根据上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，中间电路(6)能附加地在最接近开关单元(2)设置的滤波元件(11)与开关单元(2)之间具有并联连接的电容器，其中，电容器的寄生串联电感和/或至电容器的并联电路的线路连接的电感尽可能小。
12.机动车，包括根据上述权利要求之一所述的转换器(1)。
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