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Hinweis bezüglich staatlich geförderter
Forschung oder Entwicklung
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Diese
Erfindung wurde mit vom US-Ministerium für Energie zugeteilter staatlicher
Unterstützung unter
DOE AIETS Vertragsnummer DE-FC26-07NT43123 gemacht. Die Regierung
hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energiewechselrichter,
und insbesondere eine Energiemodulanordnung für einen Fahrzeug-Energiewechselrichter.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische
und Hybrid-Elektro-Fahrzeuge verwenden oft Hochspannungsquellen,
wie zum Beispiel Batteriepacks oder Brennstoffzellen, die einen Gleichstrom
(DC) liefern, um Fahrzeugmotoren, elektrische Antriebssysteme (ETS),
und andere Fahrzeugsysteme anzutreiben. Ein ETS wird typischerweise
von einem variablen Motorantriebs-(VMD)Modul gesteuert, das im Allgemeinen
wenigstens ein Energiewechselrichter-System umfasst, welches dazu
ausgelegt ist, das DC-Quellen-Eingangssignal in ein Wechselstrom-(AC)Ausgangssignal
umzuwandeln, welches mit Elektromotoren und anderen verschiedenen
elektrischen Komponenten kompatibel ist. Solche Energiewechselrichter-Systeme
umfassen im Allgemeinen sowohl Module mit integriertem Bipolartransistor
mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) als auch Kondensator-Module, welche durch
bipolare Busschienen und/oder Verkabelungsanordnungen miteinander
verbunden sind, welche den Strom durch den Wechselrichter leiten.
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Das
IGBT-Modul umfasst im Allgemeinen eine Mehrzahl an individuellen
Energiemodulen zum Umwandeln des DC-Eingangssignals in ein AC-Ausgangssignal.
Da dazugehörige
elektronische Komponenten, wie zum Beispiel AC- und DC-Kabel, Busschienen-Anordnungen,
und andere eigenständige und
integrierte Komponenten, wie zum Beispiel Leistungsdioden und individuelle
IGBTs, oftmals eine inhärente
Kapazität
und/oder Induktivität
aufweisen, kann eine solche Wechselbeanspruchung Streu-Wechselströme (oder ”Gleichtakt”-Ströme) erzeugen.
Gleichtakt-Ströme
können
im Allgemeinen unerwünschte
elektromagnetische Stör-(EMI)Strahlung
erzeugen, die sich ungünstig
auf die Leistung anderer in der Nähe befindlicher auf Radiofrequenz basierter
elektronischer Systeme, wie zum Beispiel Radioempfänger, Mobiltelephone
und dergleichen, auswirken kann. Da EMI-Ausstrahlungen allgemein mit
dem Abstand zunehmen, welchen Gleichtaktstöme vom Ursprung zurücklegen,
um ihre positive oder negative Busschienen-Quelle zu erreichen, umfassen Energiewechselrichter
in vielen Fahrzeugen Filterkondensatoren innerhalb eines geerdeten
Wechselrichtergehäuses,
welche zwischen Busschienen und/oder Verkabelung und dem Gehäuse angeordnet
sind, welche solche Ströme
mit einer verkürzten Wegstrecke
mit geringer Impedanz vom Ursprung zur Quelle bereitstellen.
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Jedoch
offenbaren auf diese Art konfigurierte Filterkondensatoren mehrere
Nachteile. Kondensatorfilter sind in einem Abstand zu den Energiemodulen
und IGBT-Vorrichtungen angeordnet, in dem viele Gleichtakt-Ströme ihren
Ursprung haben. Als ein Ergebnis kann die ”Loop-Fläche” oder Fläche, welche diese Ströme auf dem
Massepfad umgehen, ausreichend sein, um ein beträchtliches Ausmaß an EMI-Strahlung
zu erzeugen. Dieser Zustand ist möglicherweise in Fahrzeugen
erhöht,
wo das Energiewechselrichter-Gehäuse
und die DC- Quelle
einen merklichen Abstand voneinander haben. Weiterhin kann das Erzielen
einer zuverlässigen
Verbindung zwischen Kondensatorelektroden und Busschienen-/Gehäuse-Oberflächen eine
besondere Herausforderung sein, wobei es oftmals in bedeutender
Weise zu den Herstellungs-/Montagekosten und der Komplexität beiträgt.
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Demgemäß ist es
wünschenswert,
eine Energiemodulanordnung mit reduzierter EMI-Strahlung bereitzustellen.
Außerdem
ist es auch wünschenswert,
wenn eine solche Anordnung einfacher in der Herstellung ist. Weitere
andere wünschenswerte Merkmale
und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen Technischen Gebiet
und Hintergrund offensichtlich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß verschiedener
Ausführungsformen wird
eine Energiemodulanordnung von der Art geeignet für eine Verwendung
in einem Fahrzeug-Energiewechselrichter bereitgestellt, wobei der
Energiewechselrichter ein geerdetes Gehäuse aufweist. Die Energiemodulanordnung
umfasst eine mit dem Gehäuse
elektrisch gekoppelte leitfähige
Basisschicht, einen ersten auf der isolierenden Schicht angeordneten
leitfähigen
Knoten, und einen zweiten auf der isolierenden Schicht angeordneten
leitfähigen
Knoten, wobei der erste und zweite leitfähige Knoten elektrisch voneinander
isoliert sind. Die Energiemodulanordnung umfasst außerdem einen
ersten Kondensator mit einer ersten Elektrode, welche elektrisch
mit der leitfähigen
Basisschicht verbunden ist, und eine zweite Elektrode, welche elektrisch
mit dem ersten leitfähigen
Knoten verbunden ist, und umfasst weiterhin einen zweiten Kondensator
mit einer ersten Elektrode, welche elektrisch mit der leitfähigen Basisschicht
verbunden ist, und eine zweite Elektrode, welche elektrisch mit
dem zweiten leitfähigen
Knoten verbunden ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
bedeuten, und
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1 ein
schematisches Diagramm eines beispielhaften Fahrzeugs ist, wobei
die Art und Weise dargestellt wird, in welcher ein Energiewechselrichter
und eine DC-Quelle mit verschiedenen untergeordneten Komponenten
des Fahrzeugs gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
integriert sind;
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2 ein
schematisches Diagramm des in 1 gezeigten
Energiewechselrichters mit Energiemodulanordnungen gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
ist;
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3 eine
Querschnittsansicht einer beispielhaften Energiemodulanordnung von
der in 2 gezeigten Art ist, wobei eine Art und Weise dargestellt
wird, in welcher ein Filterkondensator darin integriert ist, und
zwar gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform;
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4 eine
Querschnittsansicht eines beispielhaften Energiemoduls von der in 2 dargestellten
Art ist, wobei eine Art und Weise dargestellt wird, in welcher ein
Filterkondensator darin integriert ist, und zwar gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform;
und
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5 ein
schematisches Diagramm eines Fahrzeug-Energiewechselrichtersystems ist, einschließlich Energiewechselrichter-
und DC-Quellen-Anordnungen von der Art, wie sie in dem in 1 dargestellten
Fahrzeug verwendbar sind, und mit Filterkondensatoren gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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Beschreibung
einer beispielhaften Ausführungsform
Die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung stellen Anordnungen zum Unterdrücken von EMI-Strahlung bereit,
und zwar durch Filtern von Gleichtakt-Strömen aus einem Fahrzeug-Energiewechselrichter-System. Diese Anordnungen,
welche wenigstens ein Paar von Kondensatoren umfassen, können entweder
in einem Energiemodul innerhalb des Energiewechselrichters integriert
sein, oder können
in eine DC-Quellen-Anordnung integriert sein, welche an einer geeigneten
Stelle innerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist. Eine Energiemodul-basierte
Integration umfasst einen zwischen Masse und positiven DC-Knoten
eines Energiemoduls verbundenen ersten Kondensator, und einen zwischen
Masse und negativen DC-Knoten des Energiemoduls verbundenen zweiten
Kondensator. Eine DC-Quellen-Integration umfasst einen zwischen
Fahrzeugmasse und einem positiven DC-Quellen-Pol (oder Anschluss)
gekoppelten ersten Kondensator, und einen zwischen Masse und einem
negativen DC-Quellen-Anschluss gekoppelten zweiten Kondensator.
In beiden Konfigurationen stellen die Kondensatoren einen Pfad mit
geringer Impedanz von der Masse her kommend bereit, und zwar für Gleichtakt-Ströme, welche
näher an
der Quelle davon sind, wobei die Strom-Loop-Fläche vermindert wird und die
EMI-Strahlung dadurch unterdrückt
wird.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Fahrzeugs 10 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Fahrzeug 10 umfasst ein Fahrgestell 12,
eine Karosserie 14, vier Räder 16, und ein elektronisches
Steuerungssystem (oder elektronische Steuereinheit (ECU)) 18.
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Die
Karosserie 14 ist auf dem Fahrgestell 12 angeordnet,
und umfasst im Wesentlichen die anderen Komponenten des Fahrzeugs 10.
Die Karosserie 14 und das Fahrgestell 12 können zusammen
einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind
jeweils drehbar mit dem Fahrgestell 12 nahe einer entsprechenden Ecke
der Karosserie 14 gekoppelt.
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Fahrzeug 10 kann
ein beliebiges einer Anzahl verschiedener Arten von Automobilen
sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen,
oder ein Sports Utility Vehicle (SUV), und kann Zweiradantrieb (2WD)
(d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), Vierradantrieb (4WD),
oder Allradantrieb (AWD) aufweisen. Fahrzeug 10 kann auch jede
Art oder Kombination von Arten verschiedener Maschinen (oder Antrieben)
umfassen, wie zum Beispiel einen mit Benzin oder Dieselkraftstoff
betriebenen Verbrennungsmotor, einen ”Gemischt-Kraftstoff-Fahrzeug”(FFV =
flex fuel vehicle)-Motor (d. h. unter Verwendung einer Mischung
von Benzin und Alkohol), einen mit Gasgemisch (z. B. Wasserstoff und/oder
Erdgas) betriebenen Motor, oder eine Brennstoffzelle, einen Verbrennungs-/Elektro-Hybridmotor,
und einen Elektromotor.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist Fahrzeug 10 ein
Hybridfahrzeug, das weiterhin eine Antriebsanordnung (oder Powertrain) 20 umfasst,
eine Batterie-(oder DC-Quellen-)Anordnung 22,
ein Batterie-Ladungszustand-(SOC = state of charge)System 24,
eine Energiewechselrichteranordnung 26, und eine Heizung 28.
Batterieanordnung 22 kann innerhalb eines geeigneten Bereiches
von Fahrzeug 10 angeordnet sein, wie zum Beispiel im hinteren
Teil des Fahrzeugs, wobei es mit verschiedenen elektrischen Komponenten
einschließlich
Energiewechselrichteranordnung 26 unter Verwendung einer
Verkabelung und/oder Busschienen elektrisch gekoppelt ist.
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Die
Antriebsanordnung 20 umfasst in geeigneter Weise eine interne
Verbrennungskraftmaschine 30 und einen Elektromotor/-Generator(oder Motor-)-System
(oder Anordnung) 32. In einer Ausführungsform umfasst Batterianordnung 22 eine
Lithiumionen-(Li-Ionen)Batterie einschließlich einer beliebigen Anzahl
von Zellen, wie sie allgemein verwendet werden. ECU 18 kann
außerdem
ein variables Motorantriebsmodul 34 umfassen, welches eingerichtet
ist, um verschiedene Fahrzeugfunktionen zu steuern, einschließlich, jedoch
nicht begrenzt darauf, elektrisches Motordrehmoment und Geschwindigkeit.
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Energiewechselrichteranordnung 26 umfasst Kondensator-
und IGBT-Module (nicht dargestellt), als auch andere leitfähige Elemente,
welche eingerichtet sind, um einen Strompfad zwischen diesen und
anderen zugeordneten elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel
DC-Quellen-Anordnung 22, bereitzustellen. Diese leitfähigen Elemente
können eine
oder mehrere Busschienen umfassen, welche in Verbindung mit der
leitfähigen
Verkabelung verwendet werden. Solche Busschienenanordnungen können nach
Bedarf konfiguriert werden, um in kompakter Weise zwischen Kondensator-
und IGBT-Modulanordnungen
zu passen, und um den Strompfad zwischen diesen Komponenten zu verkürzen, um
die Induktivität
des Gesamtsystems zu minimieren.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches ausgewählte Komponenten der Energiemodulanordnung 26 einschließlich Energiemodulen
zur Verwendung in Fahrzeug 10 (1) gemäß einer ersten
beispielhaften Ausführungsform
darstellt. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht
eines beispielhaften Energiemoduls von der in 2 dargestellten
Art, wobei eine Art dargestellt ist, in welcher ein Filterkondensator
darin integriert ist, und zwar gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Mit
Bezug auf 2 umfasst eine Energiewechselrichteranordnung 26 ein
Gehäuse
(oder Gestell) 40, ein IGBT-Modul 44, und eine
geeignete Stromverteilvorrichtung, wie zum Beispiel eine Busschiene 48. Gehäuse 40 stellt
eine Schutzummantelung gegen Umwelteinflüsse für die elektronischen Komponenten
bereit, welche innerhalb der Energiewechselrichteranordnung angeordnet
sind. Gehäuse 40 kann selber
aus einem leitfähigen
Material hergestellt sein, und über
das Fahrgestell 12 (1) geerdet
sein, um einen Masseanschluss für
geerdete elektrische Komponenten bereitzustellen, oder kann ein
oder mehrere geerdete leitfähige
und für
diesen Zweck geeignete Glieder enthalten. IGBT-Modul 44 kann
jede Anzahl von individuellen Energiemodulen enthalten, wobei es
in dem in 2 gezeigten Beispiel drei solcher
Energiemodule 52 bis 54 enthält. Busschiene 48 ist
in herkömmlicher
Weise ausgelegt, um ein bipolares DC-Eingangssignal von einer Batterie 50 innerhalb
DC-Quellen-Anordnung 22 (1) zu empfangen,
und um positive und negative DC-Signale zu entsprechenden Eingangsknoten
jedes der Module 52 bis 54 zu verteilen.
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Da
Module 52 bis 54 sowohl in Funktion als auch Konfiguration ähnlich sind,
wird aus Gründen der Übersichtlichkeit
lediglich das erste Modul 52 im Detail beschrieben. Das
erste Modul 52 umfasst jeweils positive und negative DC-Eingangsknoten 58 und 62,
wobei jeder mittels Busschiene 48 mit den positiven und
negativen Anschlüssen
von Batterie 50 elektrisch gekoppelt ist. Das erste Modul 52 umfasst erste
und zweite leitfähige
Schichten 66 und 70 an einer Außenfläche davon,
wobei diese Schichten elektrisch voneinander isoliert sind, und
elektrisch jeweils mit positiven und negativen DC-Eingangsknoten 58 und 62 gekoppelt
sind. Leitfähige
Schichten 66 und 70 können aus jedem geeigneten leitfähigen Material hergestellt
sein, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Legierung davon. Leitfähige Schichten 66 und 70 können jeweils
eine beliebige Anzahl von Energievorrichtungen einschließlich wenigstens
eines individuellen IGBT und einer damit elektrisch verbundenen Leistungsdiode
aufweisen. Zum Beispiel weist die erste leitfähige Schicht 66 einen
ersten IGBT 74 und eine erste Leistungsdiode 78 auf,
und die zweite leitfähige
Schicht 70 weist einen zweiten IGBT 82 und eine
zweite Leistungsdiode 86 auf. Mit Bezug auf 3 weist
das erste Energiemodul 52 auch eine mit Masse verbundene
Basis-Leitschicht 90 auf, welche elektrisch von der ersten
und zweiten leitfähigen Schicht 66 und 70 mittels
einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht 110 isoliert
ist. In einer Ausführungsform
umfasst die Basis-Leitschicht 90 wenigstens einen Masseanschluss 94,
welcher für ein
zweckmäßiges mechanisches
Koppeln und elektrisches Erden innerhalb des Gehäuses 40 ausgelegt ist.
Das erste Modul 52 umfasst außerdem einen AC-Ausgangsknoten 96,
welcher dazu ausgelegt ist, ein einphasiges AC-Ausgangssignal von
Modul 52 zu einem geeigneten AC-System zu leiten.
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Das
erste Energiemodul 52 umfasst einen ersten Kondensator 98 mit
einer ersten Elektrode 118, welche elektrisch mit der ersten
leitfähigen Schicht 66 verbunden
ist, und eine zweite Elektrode 122 in elektrischer Verbindung
mit Masse (geerdet) über
eine elektrische Verbindung mit Basis-Leitschicht 90. In
einer Ausführungsform
ist die zweite Elektrode 122 mittels elektrischer Verbindung
mit Anschluss 94 geerdet. Nochmals mit Bezug auf 2 umfasst
das erste Modul 52 außerdem
einen zweiten Kondensator 102 mit zwei Elektroden; die
erste Elektrode ist über
eine Verbindung mit der zweiten leitfähigen Schicht 70 in
elektrischer Verbindung mit dem negativen DC-Eingangsknoten 62,
und die zweite Elektrode ist elektrisch verbunden mit Basis-Leitschicht 90 (3).
Der Masseanschluss kann in einer zuvor mit Bezug auf ersten Kondensator 98 beschriebenen
Art und Weise ausgeführt
werden, und zwar durch eine elektrische Verbindung mit einem zweiten
Anschluss 106 (wie dargestellt). Zweite und dritte Energiemodule 53 und 54 können außerdem eine
Kondensator-Paarung ähnlich den
Kondensatoren 98 und 102 aufweisen, wobei individuelle
Kondensatoren zwischen positiven und negativen Knoten jedes Moduls
und Masse geschaltet sind. Ein Ausgleichskondensator 107 mit
geeigneter Kapazität kann
zwischen positiven und negativen DC-Quellen-Leitern an jeder geeigneten
Stelle und in jeder geeigneten Weise gekoppelt sein, wie zum Beispiel durch
Verkabelung von DC-Quellen-Anordnung 22. Ausgleichskondensator 107 erhöht die Leistung
des Gesamtsystems durch Unterdrücken
von Spannungsschwankungen zwischen der positiven DC und/oder der
negativen DC.
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Erste
und zweite Kondensatoren 98 und 102 können jede
geeignete Nennkapazität
aufweisen, die von Faktoren abhängt,
welche die Schaltfrequenz der zugeordneten IGBT umfassen. In einer
Ausführungsform
weisen Kondensator 98 und 102 eine Kapazität von etwa
100 Pikofarad (pF) bis etwa 1 Mikrofarad (μF) auf. In einer anderen Ausführungsform weisen
Kondensator 98 und 102 eine Kapazität von etwa
100 Nanofarad (nF) bis etwa 0,5 Mikrofarad (μF) auf.
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Während des
Betriebs stellt DC-Quellen-Anordnung 22 ein DC-Eingangssignal bereit,
welches jeweils von Busschiene 48 zu positiven und negativen
DC-Eingangsknoten 58 und 62 weitergeleitet wird.
Das DC-Signal wird von den Energievorrichtungen und anderen zugeordneten
elektronischen Komponenten des Moduls 52 in ein schaltbares,
einphasiges AC-Signal
umgewandelt, welches durch Ausgangsknoten 96 übertragen
wird. Erste und zweite Kondensatoren 98 und 102 stellen
einen Pfad mit geringer Impedanz von Masse zu positiven und negativen
Energiemodul-Eingangsknoten für
Gleichtakt-Ströme
bereit, welche durch eine solche Spannungsschwankung erzeugt werden.
Die direkte Verbindung der Kondensatoren zu den Energiemodul-Eingangsknoten
reduziert die Loop-Fläche
für solche
Gleichtakt-Ströme,
wodurch EMI-Strahlung entsprechend unterdrückt wird.
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Weiterhin
mit Bezug zu 3 umfasst Energiemodul 52 eine
Basis-Leitschicht 90, eine erste Leitschicht 66,
und eine zwischen ihnen angeordnete isolierende Schicht 110.
Die Leitschichten sind in herkömmlicher
Weise mit gegenüberliegenden
Flächen der
isolierenden Schicht 110 verbunden. Die Leitschichten 66 und 90 können aus
einem geeigneten leitfähigen
Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Legierung
davon. Die isolierende Schicht 110 kann aus einer in geeigneter
Weise festen und elektrisch isolierenden Schicht hergestellt sein,
wie zum Beispiel aus einem Epoxydharz, und zwar von der Art, wie
er herkömmlicherweise
für Schaltplatinen
verwendet wird. Der erste IGBT 74 und die erste Energiediode 78 sind
jeweils elektrisch mit einer äußeren Fläche 112 der
ersten leitfähigen Schicht 66 auf
herkömmliche
Weise verbunden, wie zum Beispiel durch Löten. In einer Ausführungsform umfasst
Basis-Leitschicht 90 einen damit gekoppelten Anschluss 94.
In einer anderen Ausführungsform ist
der Anschluss 94 integral mit der Basis-Leitschicht 90 gebildet.
Wie hierin verwendet bedeutet der Ausdruck ”integral verbunden” oder ”integral
gebildet”, dass
ein erstes Element, (wie zum Beispiel Anschluss 94) sich
in einer durchgängigen
Weise von einem zweiten Element (wie zum Beispiel Basis-Leitschicht 90)
erstreckt oder hindurch geht, und nicht als zwei separate Elemente
mit einer klar unterscheidbaren Grenze ausgebildet ist. Dementsprechend
ist in dieser Ausführungsform
der Anschluss 94 eine Erweiterung von, und daher ein integraler
Teil von, der Basis-Leitschicht 90. Der Anschluss 94 weist
eine Öffnung 114 auf,
welche für
eine geeignete Verbindung mit einer geerdeten Struktur innerhalb
des Gehäuses 40 (2)
unter Verwendung eines geeigneten Befestigungselements (nicht dargestellt)
ausgelegt ist. Der erste Kondensator 98 umfasst eine erste Elektrode 118,
welche elektrisch mit der ersten leitfähigen Schicht 66 verbunden
ist, und eine zweite Elektrode 122, welche elektrisch mit
der Basis-Leitschicht 90 verbunden ist. Eine Verbindung
der Kondensatorelektroden mit den leitfähigen Schichten kann auf herkömmliche
Weise hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Löten. Die
zweite Elektrode 122 ist derart ausgelegt, um nicht in
Kontakt zu sein mit, und daher elektrisch kurz geschlossen zu sein
mit, erster leitfähiger
Schicht 66. In einer Ausführungsform weist die leitfähige Schicht 110 eine
Seitenfläche 126 auf, wobei
die zweite Elektrode 123 mit der Basis-Leitschicht 90 über Seitenfläche 126 verbunden
ist. In einer weiteren Ausführungsform
ist die zweite Elektrode 122 mit Anschluss 94 verbunden.
Während 3 darstellt,
wie der erste Kondensator 98 zwischen der ersten leitfähigen Schicht 66 und
der Basis-Leitschicht 90 über Seitenfläche 126 verbunden
ist, sollte zur Kenntnis genommen werden, dass der zweite Kondensator 102 (2)
ebenfalls über
Seitenfläche 126 zwischen
zweiter leitfähiger
Schicht 70 und Basis-Leitschicht 90 verbunden
sein kann.
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Während des
Betriebs werden DC-Signale zu ersten und zweiten leitfähigen Schichten 66 und 70 (2)
in einer zuvor beschriebenen Weise übertragen, wobei sie in ein
einphasiges AC-Ausgabesignal unter Verwendung von Energievorrichtungen
einschließlich
erstem IGBT 74 und erster Energiediode 78 umgewandelt
werden. Der erste Kondensator 98 stellt einen geerdeten
Pfad mit geringer Impedanz von erster leitfähiger Schicht 66 zu
Basis-Leitschicht 90 für
Gleichtakt-Ströme
bereit, welche erzeugt werden, wenn solche Ausgabesignale ein- und
ausgeschaltet werden. Da diese Ströme über einen Pfad zu Masse abgeleitet
werden, was eher einen längeren Umweg
bedeutet, ist das Ausmaß an
erzeugter zugeordneter EMI-Strahlung
in bedeutsamer Weise reduziert.
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Energiemoduls 130, und zwar
in Übereinstimmung
mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Energiemodul 130 umfasst
eine Basis-Leitschicht 134, eine
erste leitfähige
Schicht 138, eine isolierende Schicht 142, einen
IGBT 144, und eine Leistungsdiode 148, wobei diese
Elemente in einer ähnlichen Weise
angeordnet sind wie die zuvor mit Bezug auf Energiemodul 52 beschriebenen
und in 3 dargestellten gleichen Elemente. Die erste leitfähige Schicht 138 kann
entweder mit den positiven oder negativen DC-Eingangsquellenknoten gekoppelt sein.
Ein Kondensator 152 weist eine erste Elektrode 156 auf,
welche mit Basis-Leitschicht 134 durch
eine Öffnung 160 verbunden
ist, welche sich durch die leitfähigen
Schichten 134 und 138, sowie durch isolierende
Schicht 142 hindurch erstreckt. Der Kondensator 152 weist
eine zweite Elektrode 164 auf, welche elektrisch mit der
ersten leitfähigen
Schicht 138 verbunden ist. In einer Ausführungsform
weist die Öffnung 160 eine
nichtleitfähige
Hülse 168 auf,
welche die Innenfläche
davon auskleidet, so dass ein Kurzschluss von erster Elektrode 156 mit
erster leitfähiger Schicht 138 vermieden
wird. Hülse 168 kann
aus jedem geeigneten isolierenden Material bestehen, wie zum Beispiel
einer Keramik, wobei es idealerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich dem
für die
leitfähigen
Schichten 134 und 138 gewählten Material aufweist.
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Während des
Betriebs können
Gleichtakt-Ströme
durch dem Energiemodul 130 zugeordneten Vorrichtungen erzeugt
werden, wie zuvor beschrieben wurde. Kondensator 152 stellt
einen Pfad mit geringer Impedanz für solche Ströme zwischen erster
leitfähiger
Schicht 138 und Masse bereit, und zwischen Basis-Leitschicht 134 und
Masse, wobei dadurch die dazugehörige
EMI-Strahlung reduziert wird.
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5 ist
ein schematisches Diagramm, welches ausgewählte Elemente eines Energiewechselrichter-Systems 180 einschließlich eines
mit einer DC-Batterieanordnung 188 elektrisch gekoppelten Energiewechselrichters 184 darstellt,
und zwar gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform. Die
DC-Batterieanordnung 188 umfasst ein Gehäuse (oder
Gestell) 196 und eine darin angeordnete DC-Batterie 192 mit
positiven und negativen Anschlüssen 200 bzw. 204,
welche mit positiven und negativen DC-Eingangsknoten 206 bzw. 207 innerhalb Energiewechselrichter 184 gekoppelt
sind. Gehäuse 196 kann
aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, einschließlich eines
am Fahrzeugrahmen 212 geerdeten leitfähigen Materials, und welches
als ein Masseanschluss für
darin untergebrachte elektrische Komponenten nutzbar ist. Gehäuse 196 kann
auch wenigstens ein geerdetes leitfähiges Element in elektrischer
Verbindung mit Masse 212 enthalten, welches für diesen
Zweck geeignet ist, falls Gehäuse 196 nicht
aus einem leitfähigen
Material hergestellt ist. Die elektrische Kopplung zwischen DC-Batterieanordnung 188 und
Energiewechselrichter 184 umfasst eine bipolare Kabelanordnung 208,
welche eine geeignete Abschirmung umfassen kann. Der Fachmann wird
verstehen, dass die DC-Batterieanordnung 188 in
jedem geeigneten Abstand von dem Energiewechselrichter 184 angeordnet
sein kann, einschließlich
an im Wesentlichen entgegengesetzten Enden des Fahrzeugs, wobei
sie zusätzliche
Komponenten für
eine elektrische Kopplung von DC-Batterie 192 mit Wechselrichter 184 enthalten
kann, wie zum Beispiel eine oder mehrere Busschienen.
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DC-Batterieanordnung 188 umfasst
einen ersten Kondensator 210, welcher innerhalb des Gehäuses 196 angeordnet
ist und eine erste Elektrode aufweist, welche mit positivem Anschluss 200 gekoppelt
ist, sowie eine zweite Elektrode aufweist, welche mit dem Fahrzeugrahmen 212 gekoppelt
ist. Anordnung 188 umfasst außerdem einen im Gehäuse 196 angeordneten
zweiten Kondensator 214 mit einer mit negativem Anschluss 204 gekoppelter
erster Elektrode, und mit einer mit Masse 212 gekoppelten
zweiten Elektrode. Das Koppeln von Kondensatorelektroden mit Batterieanschlüssen kann
in herkömmlicher
Weise mittels Kopplung mit Kabelanordnung 208 oder mit
einer Busschiene (nicht dargestellt) erfolgen, falls eine verwendet
wird. In einer anderen Ausführungsform
wird ein zweites Paar von Kondensatoren jeweils zwischen Batterieanschlüssen 200 und 204 und
Masse 212 parallel zu ersten und zweiten Kondensatoren 210 und 214 gekoppelt.
Das heißt,
dass ein dritter Kondensator 218 eine mit positivem Anschluss 200 gekoppelte
erste Elektrode aufweist, und eine mit Fahrzeugrahmen 212 gekoppelte
zweite Elektrode aufweist. Ein vierter Kondensator 219 ist
in ähnlicher
Weise zwischen negativem Anschluss 204 und Masse 212 gekoppelt.
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Energiewechselrichter 184 umfasst
ein IGBT-Modul 222, welches jede Anzahl von individuellen Energiemodulen
aufweisen kann, sowie eine Busschiene 216, wobei beide
in einem Gehäuse 220 untergebracht
sind, welches elektrisch mit Fahrzeugrahmen 212 gekoppelt
ist. In dem in 5 dargestellten Beispiel umfasst
IGBT-Modul 222 drei Energiemodule 224 bis 226,
wobei jedes Energiemodul einen positiven DC-Eingangsknoten aufweist,
welcher mit positivem DC-Eingangsknoten 206 gekoppelt ist, einen
mit negativem DC-Eingangsknoten 207 gekoppelten negativen
DC-Eingangsknoten, und einen mit Fahrzeugmasse 212 gekoppelten
Masseknotenpunkt. Zum Beispiel sind die positiven DC-Eingangsknoten 230 bis 232 des
Energiemoduls jeweils elektrisch mit positivem DC-Eingangsknoten 206 gekoppelt,
die negativen DC-Eingangsknoten 233 bis 235 des
Energiemoduls sind jeweils elektrisch mit negativem DC-Eingangsknoten 207 gekoppelt,
und die Masseknoten 236 bis 238 des Energiemoduls
sind jeweils elektrisch mit Fahrzeugmasse 212 gekoppelt. Die
positiven und negativen Eingangsknoten jedes Energiemoduls umfassen
wenigstens ein IGBT/Leistungsdiode-Paar, wie es herkömmlich verwendet wird.
Jeder Energiemodul-DC-Eingangsknoten umfasst einen Kondensator,
welcher elektrisch zwischen diesem Knoten und einem Masseknoten
auf der Basis jedes Energiemoduls verbunden ist. Zum Beispiel weisen
die Kondensatoren 240 bis 242 jeweils erste Elektroden
auf, welche jeweils mit positiven DC-Eingangsknoten 230 bis 232 verbunden sind,
wobei die Kondensatoren zweite Elektroden aufweisen, welche jeweils
mit Masseknoten 236 bis 238 verbunden sind. In ähnlicher
Weise weisen Kondensatoren 244 bis 246 jeweils
erste Elektroden auf, welche jeweils mit negativen DC-Eingangsknoten 233 bis 235 verbunden
sind, wobei sie jeweils zweite Elektroden aufweisen, welche jeweils
mit Masseknoten 236 bis 238 verbunden sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das erste Energiemodul 224 ein zweites Paar von Kondensatoren
auf, welche parallel zu den Kondensatoren 240 und 244 geschaltet
sind. Solch eine Konfiguration kann verwendet werden, um die internen
Widerstände
und Induktivitäten
der Kondensatoren zu reduzieren, wodurch die EMI-Strahlung noch
weiter reduziert wird. Das heißt,
dass ein erster paralleler Kondensator 248 eine erste mit
positivem DC-Eingangsknoten 230 verbundene Elektrode und
eine zweite mit Masseknoten 236 verbundene Elektrode aufweist,
so dass der Kondensator somit parallel zu zweitem Kondensator 244 geschaltet
ist. In ähnlicher Weise
weist ein zweiter parallel geschalteter Kondensator 250 eine
erste mit negativem DC-Eingangsknoten 233 verbundene Elektrode
und eine zweite mit Masseknoten 236 verbundene Elektrode
auf, so dass der Kondensator parallel zu zweitem Kondensator 244 geschaltet
ist. Während
eine Elektrode jedes oben beschriebenen Kondensators als mit einem Masseknoten
verbunden beschrieben ist, wird davon ausgegangen, dass diese geerdeten
Elektroden mit der Basis-Leitschicht in dem zugeordneten Energiemodul
verbunden sind, oder mit einem Masseanschluss, der elektrisch mit
dieser Basis-Leitschicht gekoppelt ist, wie es zuvor beschrieben
und beispielsweise in 3 dargestellt wurde. Aus zuvor
in Bezug auf Ausgleichskondensator 107 diskutierten Gründen kann
ein geeigneter Ausgleichskondensator 252 zwischen positive
und negative DC-Quellenleiter geschaltet sein, wie beispielsweise
zwischen positive und negative Leitungen von Kabelanordnung 208 (wie
dargestellt) oder zwischen positive und negative Knoten von Busschiene 216.
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Während des
Betriebs stellt DC-Batterie 192 DC-Eingangssignale bereit, welche über Kabelanordnung 208 zu
Busschiene 216 geleitet werden. Busschiene 216 verteilt
dieses DC-Signal jeweils zu positiven und negativen DC-Eingangsknoten 230 bis 232 und 233 bis 235 von
Energiemodulen 224 bis 226. Diese Energiemodule
stellen jeweils ein einphasiges AC-Ausgangssignal bereit, welches
an ein geeignetes AC-System, wie beispielsweise einen Motor 254,
gesendet wird. Gleichtakt-Ströme,
welche von Energiemodulen erzeugt werden, werden von positiven Eingangsknoten
des Energiemoduls mittels Kondensatoren 40 bis 242 (und Kondensator 248,
falls verwendet) zu Masse geleitet, und von negativen Eingangsknoten
des Energiemoduls mittels Kondensatoren 244 bis 246 (und
Kondensator 250, falls verwendet). In ähnlicher Weise werden Gleichtakt-Ströme, welche
innerhalb der DC-Batterieanordnung 188 erzeugt werden,
zu Masse abgeleitet von positiven DC-Kabeln/Knoten mittels Kondensator 210 (und Kondensator 219,
falls verwendet), und von negativen DC-Kabeln/Knoten mittels Kondensator 214 (und Kondensator 219,
falls verwendet). Zusätzliche
Kondensatorpaarungen können
nach Bedarf parallel zu den ersten Kondensatorpaarungen für die DC-Batterieanordnung 188 und/oder
jedes der Energiemodule 224 bis 226 geschaltet
werden.
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Dementsprechend
stellen die verschiedenen Ausführungsformen
der hierin beschriebenen vorliegenden Erfindung ein Energiemodul
und DC-Quellenanordnungen mit reduzierter EMI-Strahlung bereit, und zwar von der Art,
wie sie für
eine Integration in ein Fahrzeug-Energiewechselrichtersystem geeignet
sind. Energiemodule umfassen einen ersten Kondensator, welcher direkt
zwischen einen Modul-Masseknoten und den positiven DC-Modul-Eingangsknoten
geschaltet ist, und einen zweiten Kondensator, der zwischen den
Modul-Masseknoten und einen negativen DC-Modul-Eingangsknoten geschaltet
ist. Eine solche Integration in das Energiemodul erübrigt den
Bedarf, Kondensatoren mit anderen Energiewechselrichterkomponenten
zu verbinden, wie zum Beispiel mit Verkabelung oder Busschienenanordnungen,
wodurch die Anordnung von IGBT-Modulen vereinfacht wird. Diese Integration
reduziert außerdem
den Bedarf nach zusätzlichen,
größeren Kondensatoren,
welche in dem Wechselrichtergehäuse untergebracht
sind, und ist daher platzsparender und leichter im Gewicht. DC-Quellenanordnungen
umfassen einen ersten Kondensator, welcher zwischen Fahrzeugmasse
und dem positiven DC-Quellenanschluss geschaltet ist, und einen
zweiten Kondensator, welcher zwischen Masse und dem negativen DC-Quellenanschluss
geschaltet ist. Durch Einbau der Kondensatoren näher an die Quelle von Gleichtakt-Strömen entweder
in den DC-Quellenanordnungen oder den Energiemodulen, nimmt die Loop-Strom-Fläche in bedeutendem
Maße ab,
und daher wird auch einhergehende EMI-Strahlung entsprechend reduziert.
Weiterhin werden, bei externer Verwendung an einem Wechselrichtergehäuse und in
einer DC-Quellenanordnung,
Kondensatoren von Wärmequellen
und erhöhten
Temperaturen dadurch ferngehalten. Unabhängig von der Anwendung können zusätzliche
Kondensatoren parallel zu dem ersten Satz an Kondensatoren geschaltet
werden, um eine bessere Gesamtleistung zu erzielen. Während einige
der vorangegangenen Ausführungsformen
in Bezug auf eine Verwendung in einer Energiewechselrichteranordnung
beschrieben wurden, wird davon ausgegangen, dass diese Erfindung
bei anderen Systemen anwendbar ist, welche IGBT-Module umfassen, wie zum Beispiel Motorantriebe, AC-zu-AC-Umwandler, AC-zu-DC-Umwandler
und dergleichen.
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Die
vorangegangene Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten
oder Merkmale, die miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind.
Wie hierin verwendet, es sei denn, es ist ausdrücklich sonst wie beschrieben,
bedeutet ”verbunden”, dass ein
Element/Knoten/Merkmal direkt verknüpft ist mit (oder in direkter
Kommunikation ist mit) einem anderen Element, Knoten oder anderem
Merkmal, und zwar in mechanischer, logischer, elektrischer oder anderen
geeigneten Art. Gleichermaßen
bedeutet ”gekoppelt”, es sei
denn, es ist ausdrücklich
sonst wie beschrieben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder
indirekt verknüpft
ist mit (oder direkt oder indirekt in Kommunikation ist mit) einem
anderen Element/Knoten/Merkmal in einer mechanischen, logischen, elektrischen
oder anderen geeigneten Art. Der Begriff ”beispielhaft” wird in
dem Sinne von ”Beispiel”, und weniger
als ”Modell” verwendet.
Weiterhin können,
obwohl die Figuren Beispielanordnungen von Elementen zeigen, zusätzliche
Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer praktischen
Ausführungsform
der Erfindung gegenwärtig
sein. Weiterhin bedeutet der Begriff ”integral gebildet” oder ”integral
verbunden”,
dass sich ein erstes Element/Knoten/Merkmal erstreckt oder übergeht in
einer kontinuierlichen Weise von einem zweiten Element/Knoten/Merkmal,
und nicht als zwei separate und unterscheidbare Elemente.
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Während in
der vorangegangenen detaillierten Beschreibung wenigstens eine beispielhafte
Ausführungsform
aufgezeigt wurde, wird darauf hingewiesen, dass eine große Anzahl
von verschiedenen Ausführungsformen
existiert. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebene
Ausführungsform
oder Ausführungsformen
lediglich Beispiele sind, und nicht den Umfang, die Anwendbarkeit,
oder die Ausführung
des beanspruchten Erfindungsgegenstands in irgendeiner Weise beschränken sollen.
Vielmehr soll durch die vorangegangene detaillierte Beschreibung
dem Fachmann eine praktische Anleitung für die Implementierung einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung zur Verfügung
gestellt werden, wobei verschiedene Änderungen in der Funktion und
Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente
vorgenommen werden können,
ohne dass der durch die beigefügten
Ansprüche
und ihrer rechtlichen Äquivalente
definierte Schutzbereich verlassen wird.