DE10018668A1

DE10018668A1 - Wechselrichter-Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10018668A1
Application number: DE10018668A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruendl; Bernhard Hoffmann
Original assignee: Compact Dynamics GmbH
Current assignee: Compact Dynamics GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-25
Also published as: WO2001080412A1; AU2001267348A1

Abstract

Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei, im Betriebszustand zeitlich versetzt getakteten Wechselrichtern, an deren jeweils einer Phase zugeordneten Ausgängen sich jeweils ein erster Anschluß einer Spulenanordnung befindet, wobei jeweilige zweite Anschlüsse einander entsprechender Spulenanordnungen der jeweiligen Wechselrichter miteinander verbunden sind.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichter-Schaltungsanord nung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wechselrich ter-Schaltungsanordnung, die zum Ansteuern einer Drehfeld- Maschine (zum Beispiel einer Asynchron-, oder Synchronma schine) geeignet ist.

Stand der Technik

Bei herkömmlichen Wechselrichter-Schaltungsanordnungen ist es erforderlich, daß die durch die Taktung der Brückenzwei ge entstehenden Strompulse zum Zwischenkreis hin abgeblockt werden müssen, indem sog. Zwischenkreis-Kondensatoren mit nennenswerten Kapazitäten eingesetzt werden. Mit anderen Worten wird hier durch die Zwischenkreis-Kondensatoren die Rückwirkung der Strompulse auf den Zwischenkreis aufgefan gen. Dabei müssen diese Zwischenkreis-Kondensatoren so di mensioniert sein, daß sie im taktfrequenten Wechsel während eines entsprechenden Teils der Taktperiode praktisch den vollen Laststrom aufnehmen bzw. abgeben können. Diese Zwi schenkreis- oder Ausgleichskondensatoren sind voluminös, kostentreibend und erhöhen die Fehlerrate der gesamten Wechselrichter-Schaltungsanordnung.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Ausgehend von dieser Situation liegt der Erfindung das Pro blem zugrunde, eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung be reitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik kom pakter baut, kostengünstiger ist und weniger fehleranfällig ist.

Erfindungsgemäße Lösung

Als Lösung dieses Problems wird eine Wechselrichter-Schal tungsanordnung vorgeschlagen, mit wenigstens zwei, im Be triebszustand zeitlich versetzt getakteten Wechselrichtern, an deren jeweils einer Phase zugeordneten Halbbrückenmit telpunkten jeweils ein erster Anschluß einer Spulenanord nung befindet, wobei jeweilige zweite Anschlüsse einander entsprechender Spulenanordnungen der jeweiligen Wechsel richter miteinander verbunden sind.

Vorteile der Erfindung

Die Spulenanordnungen können dabei entweder in Form von In duktivitäten (Drosseln) realisiert sein. Alternativ dazu können diese Spulenanordnungen auch mittels eines magneti schen Koppelelementes (transformatorisch) miteinander ver bunden sein. Bei diesem magnetischen Koppelelement treten praktisch keine Verluste, keine Ausgleichsströme und auch keine Energiespeicherung auf. Damit kann dieses magneti schen Koppelelement sehr kompakt ausgeführt sein.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, daß die bisher üblichen Zwischenkreis-Kondensatoren auf ei nen Bruchteil ihrer bisher erforderlichen Kapazität redu ziert werden können. Zum Beispiel kann - gleiche Leistung, Stromentnahme aus der Wechselrichter-Anordnung etc. voraus gesetzt - bei zwei erfindungsgemäß durch die Spulenanordun gen miteinander verbundenen Wechselrichtern die Kapazität auf etwa ein Viertel im Verhältnis zu der sonst erforderli chen Anordnung reduziert werden. Da jedoch der Raumbedarf der Spulenanordnungen (insbesondere auch bei der Ausfüh rungsform mit dem magnetischen Koppelelement) erheblich ge ringer ist, tritt ein merklich verringerter Bedarf an Bau raum auf. Außerdem sind Induktivitäten auch weniger anfäl lig für Störungen als Kondensatoren mit hoher Kapazität.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jeder der Wechselrichter wenigstens eine aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern gebildete Halbbrücken schaltung auf, bei denen die jeweiligen beiden Leistungs halbleiter mit einer Ansteuerschaltung verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen beiden Leistungshalb leiter gegenphasig leitend und sperrend zu schalten.

Weiterhin ist bevorzugt mit dem den Ausgang jeder Halbbrüc kenschaltung bildenden Mittelpunkt ein erster Anschluß der jeweiligen Induktivität elektrisch leitend verbunden, und die jeweiligen zweiten Anschlüsse der einander entsprechen den Induktivitäten jeder Halbbrückenanordnung sind elek trisch leitend miteinander verbunden.

Dabei sind die einander entsprechenden Spulenanordnungen jeder Halbbrückenanordnung bei Vorhandensein des magneti schen Koppelelementes an diesem so angeordnet, daß sie ent gegengesetzt orientierte Magnetflüsse erzeugen.

Das magnetische Koppelelement ist bei hohen Taktfrequenzen der Ansteuersignale der Wechselrichter (über etwa 100 kHz) bevorzugt ein Ferrit-haltiges Bauteil, das die Induktivitä ten miteinander koppelt. Bei niedrigeren Taktfrequenzen ist das magnetische Koppelelement vorzugsweise aus Eisen(-ble chen) gebildet.

Durch die Ansteuerschaltung werden die einzelnen Halbbrüc ken (jeweils entsprechend einer Phase) eines Wechselrich ters so angesteuert, wie es die angeschlossene elektrische Maschine erfordert, um sich in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten Drehzahl zu drehen.

Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und mögliche Ab wandlungen der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungs beispiele der Erfindung dargestellt sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Schaltungs anordnung mit zwei Wechselrichtern mit jeweils drei Phasen.

Fig. 2a zeigt eine schematische Seitenansicht eines magne tischen Koppelelementes für die Wechselrichter-Schaltungs anordnung nach Fig. 1 mit den Spulenanordnungen für zwei miteinander zu koppelnde Wechselrichter.

Fig. 2b zeigt eine schematische Draufansicht des magneti schen Koppelelementes nach Fig. 4a.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Verlauf von Ansteuerungs signalen für die Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechsel richter-Schaltungsanordnung. Ersichtlich werden in diesem Ausführungsbeispiel zwei vollkommen identische Wechselrich ter WR, WR' durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung ECU entsprechend einem von außen vorgegebenen Motor-Ansteuer signal MAS angesteuert um die Drehzahl und Drehrichtung ei ner elektrischen Maschine EM, zum Beispiel einer Asynchron maschine vorzugeben. Da die beiden Wechselrichter WR, WR' identisch sind, wird nachstehend nur einer der Wechselrich ter beschrieben.

Auf der Eingangsseite der erfindungsgemäßen Schaltungsan ordnung liegen zum Beispiel etwa 42 Volt Gleichspannung an drei parallel geschalteten Halbbrücken H1, H2, H3 an, die jeweils durch zwei zwischen die Eingangssspannung (42 Volt) und Masse in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 gebildet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Leistungshalbleitern um Power-MosFETs oder IGBTs, bei denen zusätzlich jeweils eine Diode D in Sperr- Richtung (wie beispielhaft lediglich für den Leistungshalb leiter S31 gezeigt) parallel geschaltet ist.

Jeweils am Mittelabgriff der drei Halbbrücken H1, H2, H3 ist jeweils ein Anschluß einer der Spulenanordnungen L1, L2, L3 angeschlossen. Diese Spulenanordnungen L1, L2, L3 haben gleiche Windungszahlen (L1 = L2 = L3). Jeweils einan der entsprechende Spulenanordnungen L1, L1', L2, L2', L3, L3' der beiden Wechselrichter WR, WR' sind miteinander durch ein magnetisch leitendes Koppelelement T verbunden, wodurch jeweils ein (Ausgleichs-)Transformator gebildet wird.

In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Koppelelement T um einen Ferrit-Kern (wegen der hohen Be triebsfrequenz von mehreren Hundert Kilohertz) mit zwei Schenkeln K1, K2 die jeweils von einer der Induktivitäten Ln, Ln' umgeben sind. An ihren jeweiligen beiden Stirnsei ten sind die beiden Schenkel K1, K2 durch durch ein Joch J1, J2 verbunden. (siehe Fig. 2a, 2b). Es versteht sich, daß der Ferrit-Kern als Ganzes ein einstückiges Teil sein kann, oder als EI-, M, oder L-Ferritkern ausgestaltet sein kann. Dieses magnetisches Koppelelement T wirkt als Aus gleichstransformator, der im wesentlichen keine elektrische Energie speichert. Bei einer Wechselrichter-Schaltungsan ordnung mit mehr als zwei miteinander über die Spulenanord nungen verbundenen Wechselrichtern sind für jeden weiteren Wechselrichter ein zusätzlicher, über die Joche J1, J2 verbundener Schenkel vorzusehen, um die die Spulenanordnung aufzunehmen.

In Fig. 2b ist darüberhinaus für die jeweiligen Spulenan ordnung Ln, Ln' der Wicklungssinn angegeben. Für die hier gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist eine der der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Koppelele menten T erforderlich. Die Windungsanzahl der einzelnen Spulenanordnungen hängt von der erforderlichen Durchflutung des Koppelelementes T ab. Im einfachsten Fall können die beiden Spulenanordnungen Ln, Ln' auch durch zwei Leitungs abschnitte gebildet sein, die durch das Koppelelement T in der in Fig. 2b gezeigten Weise hindurchgesteckt sind.

Die drei Halbbrücken H1, H2, H3 bzw. die sechs Leistungs halbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 in Fig. 3 werden durch eine elektronische Ansteuerschaltung ECU über sechs Steuerleitungen a, a\; b, b\; c, c\so angesteuert, daß sich der gewünschte Stromverlauf an den Eingangsleitungen der elekrischen Maschine EM ergibt.

Ein möglicher Verlauf Verlauf der Ansteuerungssignale auf den sechs Steuerleitungen a, a\; b, b\; c, c\ist in Fig. 3 veranschaulicht. Im gezeigten Signalverlauf sind die Phasen der Halbbrücken H1 und H2 bzw. jeweils mit fast 50% (48%) ausgesteuert, während die Phasen der Halbbrücke H3 mit fast 100% (96%) ausgesteuert ist. Die Phasen der Halbbrücken H1', U2' und H3' sind demgegenüber um die halbe Takt-Perio dendauer versetzt. Die gezeigten Signale bilden einen sich über die Darstellunglänge sich nicht verändernden dreipha sigen Sinus ab. Die elektronische Ansteuerschaltung ECU hat dabei sicherzustellen, daß die invertierten und nicht-in vertierten Ausgängen x, x\sich nicht zeitlich "überlap pen". Vielmehr muß zwischen den Pegelwechseln bei den in vertierten und den nicht-invertierten Ausgängen x, x\eine auf das Schaltverhalten der sechs Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 angepaßte Totzeit (zum Beispiel ei nige 100 Nanosekunden) eingehalten sein.

Eingangsseitig ist außerdem parallel zu den Halbbrückenan ordnungen H1, H2, H3 ein Glättungskondensator C1 angeord net. Dieser kann im Verhältnis zu herkömmlichen Wechsel richter-Schaltungen mit erheblich geringerer Kapazität di mensioniert sein.

Das Koppelelement aus Ferrit (oder Eisenblechen) kann als Kühlkörper für die sechs Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 verwendet werden.

Claims

1. Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR, WR'), mit wenig stens zwei, im Betriebszustand zeitlich versetzt getakteten Wechselrichtern, an deren jeweils einer Phase zugeordneten Ausgängen (A1, A2, A3; A1', A2', A3') sich jeweils ein er ster Anschluß einer Spulenanordnung (Ln, Ln') befindet, wo bei jeweilige zweite Anschlüsse einander entsprechender Spulenanordnungen (Ln, Ln') der jeweiligen Wechselrichter miteinander verbunden sind.

2. Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR, WR') nach An spruch 1, wobei die Spulenanordnungen entweder als Indukti vitäten oder als Wicklungen einer Transformatorenanordnung mit einem magnetischen Koppelelement (T) realisiert sind.

3. Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wo bei

- jeder der Wechselrichter (WR, WR') wenigstens eine aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') ge bildete Halbbrückenschaltung (H1, H2, H3; H1', H2', H3') aufweist, bei denen die jeweiligen beiden Leistungshalblei ter (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') mit einer Ansteuerschaltung (ECU) verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen beiden Lei stungshalbleiter (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') gegenphasig leitend und sperrend zu schalten.

4. Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wo bei

- mit dem den Ausgang jeder Halbbrückenschaltung (H1, H2, H3; H1', H2', H3') bildenden Halbbrückenmittelpunkten (A1, A2, A3; A1', A2', A3') ein erster Anschluß der jeweiligen Spulenanordnung (L1, L1', L2, L2', L3, L3') elektrisch lei tend verbunden ist, und
- die jeweiligen zweiten Anschlüsse der einander entspre chenden Spulenanordnungen (L1, L1', L2, L2', L3, L3') jeder Halbbrückenanordnung (H1, H1', H2; H2', H3, H3') elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

5. Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wo bei

- die einander entsprechenden Spulenanordnungen (L1, L1', L2, L2', L3, L3') jeder Halbbrückenanordnung (H1, H1', H2; H2', H3, H3') in dem magnetischen Koppelelement (T) entge gengesetzt orientierte Magnetflüsse erzeugen.