DE102008043043A1

DE102008043043A1 - Leistungsendstufe für einen Pulswechselrichter

Info

Publication number: DE102008043043A1
Application number: DE102008043043A
Authority: DE
Inventors: Jochen Kuehner; Albrecht Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29
Also published as: EP2340604A1; WO2010046188A1; US20110249478A1; CN102197578A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe für einen Pulswechselrichter, wobei diese Leistungsendstufe eine Halbbrücke ist. Diese enthält einen Steueranschluss und Leistungsanschlüsse. Zu den Leistungsanschlüssen gehören ein Anschluss für eine positive Versorgungsspannung, ein Anschluss für eine negative Versorgungsspannung und ein Phasenspannungsanschluss. Insbesondere weist die Leistungsendstufe zwei halbgesteuerte Halbbrücken auf, deren Leistungsanschlüsse parallel geschaltet sind und deren Steueranschlüsse nicht miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe für einen Pulswechselrichter.
Stand der Technik
Es ist bekannt, beispielsweise in industriellen Antrieben, in Hybridfahrzeugen und in Elektrofahrzeugen Pulswechselrichter zu verwenden. Derartige Pulswechselrichter weisen Leistungsendstufen auf, die unter Verwendung von Halbleiterschaltern realisiert werden. Oftmals werden bei bekannten Leistungsendstufen IGBT-Halbbrücken verwendet.
Ein Beispiel für eine bekannte IGBT-Halbbrücke ist in der 1 gezeigt. Die dort dargestellte IGBT-Halbbrücke weist Steueranschlüsse S1 und S2, einen ersten IGBT T1, einen zweiten IGBT T2, eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2 und Leistungsanschlüsse Plus, Phase und Minus auf. Bei dem Leistungsanschluss Plus handelt es sich um einen Anschluss für eine positive Versorgungsspannung, bei dem Leistungsanschluss Phase um einen Phasenspannungsanschluss und bei dem Leistungsanschluss Minus um einen Anschluss für eine negative Versorgungsspannung.
Das Gate des IGBT T1 ist mit dem Steueranschluss S1 verbunden. Das Gate des IGBT T2 ist mit dem Steueranschluss S2 verbunden. Die Steueranschlüsse S1 und S2 werden von einer nicht gezeichneten Steuereinheit mit Steuersignalen versorgt.
Der Kollektor des IGBT T1 ist mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden, der Emitter des IGBT T1 mit dem Leis tungsanschluss Phase. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Phase und dem Leistungsanschluss Plus eine Diode D1 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Phase und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden ist.
Der Kollektor des IGBT T2 ist mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden, der Emitter des IGBT T2 mit dem Leistungsanschluss Minus. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Minus und dem Leistungsanschluss Phase eine Diode D2 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Minus und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden ist.
Des weiteren ist des bereits bekannt, mehrere Halbbrücken parallel zu schalten, um größere Ausgangsströme bereit zu stellen. Ein Beispiel für eine derartige Parallelschaltung zweier Halbbrücken HB1, HB2 ist in der 2 gezeigt.
Die Halbbrücke HB1 weist Steueranschlüsse S1 und S2, einen ersten IGBT T3, einen zweiten IGBT T4, eine erste Diode D3, eine zweite Diode D4 und Leistungsanschlüsse Plus, Phase und Minus auf.
Das Gate des ersten IGBT T3 ist mit dem Steueranschluss S1 verbunden, das Gate des IGBT T4 mit dem Steueranschluss S2. Der Kollektor des ersten IGBT T3 ist mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden, der Emitter des ersten IGBT T3 mit dem Leistungsanschluss Phase. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Phase und dem Leistungsanschluss Plus eine Diode D3 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Phase und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden ist.
Der Kollektor des zweiten IGBT T4 ist mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden, der Emitter des zweiten IGBT T4 mit dem Leistungsanschluss Minus. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Minus und dem Leistungsanschluss Phase eine Diode D4 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Minus und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden ist.
Die Halbbrücke HB2 ist der Halbbrücke HB1 bezüglich der Steueranschlüsse und der Leistungsanschlüsse parallel geschaltet.
So ist ein erster Steueranschluss der zweiten Halbbrücke HB2 mit dem Steueranschluss S1 der ersten Halbbrücke HB1 und ein zweiter Steueranschluss der zweiten Halbbrücke HB2 mit dem Steueranschluss S2 der ersten Halbbrücke verbunden. Weiterhin weist die zweite Halbbrücke HB2 einen dritten IGBT T5, einen vierten IGBT T6, eine dritte Diode D5, eine vierte Diode D6 und Leistungsanschlüsse Plus, Phase und Minus auf, wobei jeder dieser Leistungsanschlüsse mit einem jeweils zugehörigen Leistungsanschluss der ersten Halbbrücke verbunden ist.
Das Gate des dritten IGBT T5 ist mit dem Steueranschluss S1 verbunden, das Gate des vierten IGBT T6 mit dem Steueranschluss S2. Der Kollektor des dritten IGBT T5 ist mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden, der Emitter des dritten IGBT T5 mit dem Leistungsanschluss Phase. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Phase und dem Leistungsanschluss Plus eine Diode D5 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Phase und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden ist.
Der Kollektor des vierten IGBT T6 ist mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden, der Emitter des vierten IGBT T6 mit dem Leistungsanschluss Minus. Des weiteren ist zwischen dem Leistungsanschluss Minus und dem Leistungsanschluss Phase eine Diode D6 vorgesehen, deren Anode mit dem Leistungsanschluss Minus und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden ist.
Bei einer derartigen Parallelschaltung mehrerer Halbbrücken kann es zu Ausgleichsströmen und Schwingungen kommen, die das Schaltverhalten der IGBTs stark beinträchtigen können und sogar eine Zerstörung eines oder mehrerer IGBTs hervorrufen können.
Vorteile der Erfindung
Eine Leistungsendstufe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es aufgrund der Verwendung halbgesteuerter Halbbrücken nicht mehr zu Ausgleichsströmen und Schwingungen kommt, die das Schaltverhalten der IGBTs beeinträchtigen können und sogar eine Zerstörung eines oder mehrerer IGBTs hervorrufen können. Dieser Vorteil ist darauf zurückzuführen, dass die Steueranschlüsse der IGBTs im Unterschied zum Stand der Technik nicht mehr parallel geschaltet sind. Folglich können keine Massenschleifen auftreten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass pro verwendeter halbgesteuerter Halbbrücke nur noch ein IGBT vorgesehen ist. Da insgesamt weniger Bauteile benötigt werden, können die benötigten Bauteile größer ausgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nur noch die Steuerleitungen eines IGBT's zu einem externen Anschluss geführt werden müssen. Folglich kann eine größere IGBT-Fläche ohne Parallelschaltung der Steueranschlüsse erreicht werden.
Ein noch weiterer Vorteil der Erfindung ist aufgrund der kleineren parasitären Induktivitäten gegeben. Parasitäre Induktivitäten erzeugen bei Schaltvorgängen der Halbbrücken einer Leistungsendstufe Überspannungen. Diese Überspannungen sind bei einer Verwendung von halbgesteuerten Halbbrücken reduziert.
Weitere Vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus derer nachfolgender Erläuterung anhand der weiteren Zeichnungen.
Zeichnung
3 zeigt eine Skizze zweier miteinander verschalteter halbgesteuerter Halbbrücken gemäß der Erfindung und
4 ein Diagramm, in welchem der Verlauf eines Phasenstromes und dessen Aufteilung auf die Bauteile der halbgesteuerten Halbbrücken veranschaulicht ist.
Beschreibung
Die 3 zeigt eine Skizze zweier miteinander verschalteter halbgesteuerter Halbbrücken HB3, HB4 gemäß der Erfindung. Die Halbbrücke HB3 weist einen Steueranschluss S1, einen einzigen IGBT T7, eine Diode D8 und Leistungsanschlüsse Plus, Phase und Minus auf.
Das Gate des IGBT T7 ist mit dem Steueranschluss S1 verbunden, der Kollektor des IGBT T7 mit dem Leistungsanschluss Plus. Der Emitter des IGBT T7 ist mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden. Die Diode D8 ist zwischen den Leistungsanschluss Minus und den Leistungsanschluss Phase geschaltet, wobei die Anode der Diode D8 mit dem Leistungsanschluss Minus und die Kathode der Diode D8 mit dem Leistungsanschluss Phase verbunden ist.
Die Halbbrücke HB4 weist einen Steueranschluss S2, einen einzigen IGBT T10, eine Diode D9 und Leistungsanschlüsse Plus, Phase und Minus auf. Das Gate des IGBT T10 ist mit dem Steueranschluss S2 verbunden, der Kollektor des IGBT T10 mit dem Leistungsanschluss Phase. Der Emitter des IGBT T10 steht mit dem Leistungsanschluss Minus in Verbindung. Die Diode D9 ist zwischen den Leistungsanschluss Phase und den Leistungsanschluss Plus geschaltet, wobei die Anode der Diode D9 mit dem Leistungsanschluss Phase und die Kathode der Diode D9 mit dem Leistungsanschluss Plus verbunden ist.
Der Leistungsanschluss Plus der ersten Halbbrücke HB3 ist mit dem Leistungsanschluss Plus der zweiten Halbbrücke HB4 verbunden.
Der Leistungsanschluss Phase der ersten Halbbrücke HB3 ist mit dem Leistungsanschluss Phase der zweiten Halbbrücke HB4 verbunden. Der Leistungsanschluss Minus der ersten Halbbrücke HB3 ist mit dem Leistungsanschluss Minus der zweiten Halbbrücke HB4 verbunden. Folglich sind die Leistungsanschlüsse der zweiten Halbbrücke HB4 mit einem jeweils zugehörigen Leistungsanschluss der ersten Halbbrücke verbunden. Dies entspricht einer Parallelschaltung der Leistungsanschlüsse der beiden Halbbrücken. Die Steueranschlüsse S1 und S2 der beiden Halbbrücken sind nicht miteinander verbunden. Bei den beiden Halbbrücken handelt es sich jeweils um eine halbgesteuerte Halbbrücke, da es sich bei der als Schaltelement verwendeten Diode der jeweiligen Halbbrücke nicht um ein von außen gesteuertes Bauelement handelt. Dies hat zur Folge, dass es pro Halbbrücke nur eines einzigen Steueranschlusses bedarf.
Die vorstehend beschriebenen halbgesteuerten Halbbrücken können beispielsweise in Wechselrichtern in Hybridfahrzeugen und in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Die Vorteile derartiger halbgesteuerter Halbbrücken bestehen insbesondere darin, dass sie keine parallel geschalteten Steueranschlüsse aufweisen, wodurch ein Auftreten von Masseschleifen verhindert wird. Des weiteren ist im Vergleich zum Stand der Technik eine größere Chipfläche möglich. Ferner ist der Verdrahtungsaufwand der Halbbrücken innerhalb einer jeweiligen Halbbrücke und auch in Bezug auf die äußeren Anschlüsse der jeweiligen Halbbrücke reduziert. Ferner liegen im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem die IGBTs jeweils parallel geschaltete Dioden aufweisen, kleinere wirksame parasitäre Induktivitäten vor.
Die 4 zeigt ein Diagramm, in welchem der Verlauf des über den Phasenanschluss einer Halbbrücke fließenden Phasenstromes und dessen Aufteilung auf die Bauteile der zugehörigen halbgesteuerten Halbbrücke veranschaulicht ist. In diesem Diagramm ist längs der Ordinate das Verhältnis I_Phase/I_Max und längs der Abszisse die Zeit t/T aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass der Phasenstrom einen sinusförmigen Verlauf hat und nur jeweils zwischen dem IGBT und der Diode der jeweiligen Halbbrücke wechselt. Erst bei einem Nulldurchgang des Phasenstromes erfolgt ein Stromwechsel von einer Halbbrücke auf die andere. So fließt beim gezeigten Ausführungsbeispiel während der ersten positiven Halbwelle zwischen t/T = 0 und t/T = 0,5 Strom durch den Transistor T10 und die Diode D9, während der ersten negativen Halbwelle zwischen t/T = 0,5 und t/T = 1 Strom durch den Transistor T7 und die Diode D8 und während der zweiten positiven Halbwelle zwischen t/T = 1 und t/T = 1,5 wiederum Strom durch den Transistor T10 und die Diode D9.
Es wirken folglich nur die parasitären Induktivitäten innerhalb einer Halbbrücke. Diese parasitären Induktivitäten sind deutlich kleiner als die parasitären Induktivitäten, die in den Verbindungen zwischen zwei Halbbrücken auftreten würden.

Claims

Leistungsendstufe für einen Pulswechselrichter, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine halbgesteuerte Halbbrücke aufweist.
Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die halbgesteuerte Halbbrücke einen Steueranschluss und Leistungsanschlüsse aufweist.
Leistungsendstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Leistungsanschlüssen ein Anschluss (Plus) für eine positive Versorgungsspannung, ein Anschluss (Minus) für eine negative Versorgungsspannung und ein Phasenspannungsanschluss (Phase) gehören.
Leistungsendstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die halbgesteuerte Halbbrücke (HB3) einen einzigen IGBT (T7) aufweist, dessen Gate mit dem Steueranschluss (S1), dessen Kollektor mit dem Anschluss (Plus) für die positive Versorgungsspannung und dessen Emitter mit dem Phasenspannungsanschluss (Phase) verbunden ist.
Leistungsendstufe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die halbgesteuerte Halbbrücke (HB3) eine einzige Diode (D8) aufweist, deren Anode mit dem Anschluss (Minus) für die negative Versorgungsspannung und deren Kathode mit dem Phasenspannungsanschluss (Phase) verbunden ist.
Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine weitere halbgesteuerte Halbbrücke (HB4) aufweist, deren Leistungsanschlüsse mit einem jeweils zugehörigen Leistungsanschluss der halbgesteuerten Halbbrücke (HB3) verbunden sind.
Leistungsendstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere halbgesteuerte Halbbrücke (HB4) einen einzigen IGBT (T10) aufweist, dessen Gate mit einem weiteren Steueranschluss (S2), dessen Kollektor mit dem Phasenspannungsanschluss (Phase) und dessen Emitter mit dem Leistungsanschluss (Minus) verbunden ist.
Leistungsendstufe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere halbgesteuerte Halbbrücke (HB4) eine einzige Diode (D9) aufweist, deren Anode mit dem Phasenspannungsanschluss (Phase) und deren Kathode mit dem Leistungsanschluss (Plus) verbunden ist.