DE102016207254A1

DE102016207254A1 - Wechselrichter, elektrische Antriebsanordnung mit einem Wechselrichter

Info

Publication number: DE102016207254A1
Application number: DE102016207254.4A
Authority: DE
Inventors: Franz Pfeilschifter; Hans-Peter Feustel; Matthias Töns
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Offenbart wird ein Wechselrichter (WR) für eine elektrische Maschine (EM), mit folgenden Merkmalen: – einen Zwischenkreiskondensator (ZK) und/oder eine Energiequelle; – eine Brückenschaltung (BS) mit mindestens einem steuerbaren, selbstleitenden Durchleitungsschalter (TP, TN); – mindestens eine Stromleitung (SL), die einen elektrischen Pol (PP, MP) des Zwischenkreiskondensators (ZK) bzw. der Energiequelle mit einem Versorgungsstromanschluss (PA, NA) der Brückenschaltung (BS) elektrisch verbindet; – mindestens einen steuerbaren, selbstsperrenden Schalter (TS) in der mindestens einen Stromleitung (SL), der eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand Stromfluss zwischen dem Zwischenkreiskondensator (ZK) bzw. der Energiequelle und der Brückenschaltung (BS) zu unterbrechen. Ferner wird eine elektrische Antriebsanordnung (EA) mit einem Wechselrichter (WR) bereitgestellt.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zum Bereitstellen von Phasenströmen für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Antriebsanordnung für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug mit einem genannten Wechselrichter.
Stand der Technik:
Durch den stetig steigenden Anteil des elektrischen Antriebs in Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen steigt auch die Anforderung an Leistungsbauelementen, insb. an Leistungshalbleiterschaltern eines Wechselrichters der elektrischen Antriebsanordnungen der Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge. So müssen die elektrischen Antriebsanordnungen bspw. Phasenströme mit einer Stromstärke von über 500 Ampere bzw. Spannungen mit einer Spannungshöhe von über 1000 Volt bewerkstelligen. Hierzu bedarf es leistungsstarke Leistungshalbleiterschalter, welche diese hohen Stromstärke bzw. Spannungen durchleiten können. Aufgrund der hohen Ströme bzw. Spannungen ist die Sicherheitsanforderung für die elektrischen Antriebsanordnungen ebenfalls sehr hoch.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, die elektrischen Antriebsanordnungen für Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge leistungsstärker und sicherer zu machen.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Wechselrichter zum Bereitstellen von Phasenströmen für eine elektrische Maschine bereitgestellt.
Der Wechselrichter umfasst einen Zwischenkreiskondensator und/oder einer Energiequelle sowie eine Brückenschaltung mit mindestens einem steuerbaren, selbstleitenden Durchleitungsschalter. Ferner umfasst der Wechselrichter mindestens eine Stromleitung, die einen der beiden elektrischen Pole des Zwischenkreiskondensators (bzw. der Energiequelle) mit einem der beiden Versorgungsstromanschlüsse der Brückenschaltung elektrisch verbindet. Der Wechselrichter umfasst außerdem mindestens einen steuerbaren, selbstsperrenden (Schutz-)Schalter, der in der mindestens einen Stromleitung in Reihe geschaltet ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand Stromfluss zwischen dem Zwischenkreiskondensator (bzw. der Energiequelle) und der Brückenschaltung zu unterbrechen.
Die Brückenschaltung umfasst bspw. drei Halbbrücken, die jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Durchleitungsschalter, insb. in Form von Leistungshalbleiterschaltern, umfassen. Dabei ist der Durchleitungsschalter über seine Laststromstrecke in der Brückenschaltung bzw. in einer Halbbrücke der Brückenschaltung elektrisch angeschlossen.
Alternativ kann die Brückenschaltung auch Halbbrücken, Vollbrücken, Mehrphasen-Brücken (z. B. im Falle eines 6-Phasen-Wechselrichters). Diese unterschiedlichen Brückenschaltungen können entweder symmetrisch oder unsymmetrisch ausgeführt sein. Unsymmetrisch bedeutet hier, dass am Beispiel einer Halbbrücke an der oberen Schalterposition nur eine Diode ist und an der unteren Schalterposition ein Schalter, um Strom also nur unidirektional fließen zu lassen.
Die mindestens eine Stromleitung umfasst insb. eine positive und/oder eine negative Stromleitung, wobei die positive Stromleitung einen positivspannungsseitigen Versorgungsstromanschluss der Brückenschaltung mit dem Pluspol des Zwischenkreiskondensators (bzw. der Energiequelle) elektrisch verbindet und die negative Stromleitung einen negativspannungsseitigen Versorgungsstromanschluss der Brückenschaltung mit dem Minuspol des Zwischenkreiskondensators (bzw. der Energiequelle) elektrisch verbindet.
Der mindestens eine steuerbare (Schutz-)Schalter kann in der positiven und/oder in der negativen Stromleitung in Reihe elektrisch angeschlossen sein. Dabei ist der (Schutz-)Schalter selbstsperrend ausgebildet und über seine Laststromstrecke in der Stromleitung elektrisch angeschlossen. Beim Wegbleiben des Steuersignals geht der (Schutz-)Schalter in einen offenen Schaltzustand über und unterbricht somit den Stromfluss zwischen dem Zwischenkreiskondensator (bzw. der Energiequelle) und der Brückenschaltung.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass zum Bewältigen von Strömen in Höhe von über 500 Ampere bzw. Spannungen in Höhe von über 1000 Volt entsprechende Leistungshalbleiterschalter für die Brückenschaltung (Leistungsendstufe) des Wechselrichters erforderlich sind, die die Belastungen der hohen Ströme bzw. Spannungen aushalten. Dabei wurde erkannt, dass selbstleitende Leistungshalbleiterschalter die hohen Strömen und Spannungen besser bewältigen und somit eine sichere Funktionalität des Wechselrichters garantieren.
Die Anwendung der selbstleitenden Leistungshalbleiterschalter in der Brückenschaltung eines Wechselrichters weist jedoch eine Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen auf, die bspw. durch Ausfall der Betriebsspannungen der Treiber verursacht werden können.
Auch im Allgemeinen müssen elektrische Kurzschlüsse der Zwischenkreiskondensatoren der Wechselrichter unabhängig von den verwendeten Leistungshalbleiterschaltern bzw. unabhängig von den Höhen der zu bewerkstelligenden Strömen und Spannungen vermieden werden.
Um den Wechselrichter vor elektrischen Kurzschlüssen wirksam zu schützen, wird gemäß der Erfindung ein (Schutz-)Schalter vorgesehen, der selbstsperrend ausgeführt ist. Beim Wegfallen des Steuersignals geht der (Schutz-)Schalter automatisch in den offenen Schaltzustand und unterbricht somit die elektrische Verbindung zwischen dem Zwischenkreiskondensator (bzw. der Energiequelle) und der Brückenschaltung via die positive bzw. negative Stromleitung. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass die beiden Pole des Zwischenkreiskondensators (bzw. der Energiequelle) über die Brückenschaltung bzw. über eine der Halbbrücken der Brückenschaltung miteinander und somit der Zwischenkreiskondensator elektrisch kurzschließt.
Da der Zwischenkreiskondensator (bzw. die Energiequelle) und somit der Wechselrichter dank dem selbstsperrenden (Schutz-)Schalter vor elektrischen Kurzschlüssen wirksam geschützt sind, können die Brückenschaltung bzw. die Halbbrücken der Brückenschaltung mit leistungsstarken Durchleitungsschalter bestückt werden, die auch selbstleitend sein dürfen.
Damit ist eine Möglichkeit geschaffen, die elektrischen Antriebsanordnungen für Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge leistungsstärker und sicherer zu machen.
Der Wechselrichter umfasst vorzugsweise ferner mindestens einen ersten Treiber zum Ansteuern des mindestens einen Durchleitungsschalters, sowie mindestens einen zweiten Treiber zum Ansteuern des mindestens einen (Schutz-)Schalters. Dabei werden der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Treiber von einer und derselben Betriebsspannung betrieben. Beim Wegfall der gemeinsamen Betriebsspannung fallen sowohl der erste als auch der zweite Treiber aus. Durch Ausfall der Betriebsspannung fallen auch die Steuersignale der Treiber weg. Beim Wegfall des Steuersignals wird der mindestens eine selbstsperrende (Schutz-)Schalter automatisch geöffnet und folglich wird die Stromverbindung von dem Zwischenkreiskondensator (bzw. der Energiequelle) zu der Brückenschaltung unterbrochen. Der Zwischenkreiskondensator (bzw. die Energiequelle) wird vor einem elektrischen Kurzschluss geschützt. Ist der mindestens eine Durchleitungsschalter als ein selbstleitender Schalter ausgeführt, wird dieser beim Wegfall des Steuersignals automatisch geschlossen, wobei durch den offenen (Schutz-)Schalter der Zwischenkreiskondensator (bzw. die Energiequelle) weiterhin vor dem elektrischen Kurzschluss geschützt wird.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Durchleitungsschalter als ein selbstleitender, leistungsstarker Siliziumkarbid(SiC)-Halbleiterschalter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der mindestens eine (Schutz-)Schalter als ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), insb. ein n-MOSFET (n-Kanal MOSFET), oder ein IGBT (Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Antriebsanordnung bereitgestellt.
Die Antriebsanordnung umfasst mindestens einen zuvor beschriebenen Wechselrichter sowie mindestens eine elektrische Maschine. Dabei umfasst der mindestens eine Wechselrichter ferner mindestens eine Phasenstromleitung und ist über die mindestens eine Phasenstromleitung mit mindestens einer Statorphase der mindestens einen elektrischen Maschine elektrisch verbunden. Über diese Phasenstromleitung stellt der mindestens eine Wechselrichter einen Phasenstrom für die mindestens eine elektrische Maschine bereit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Wechselrichters sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte elektrische Antriebsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Antriebsanordnung anzusehen.
Beschreibung der Zeichnung:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung eine elektrische Antriebsanordnung mit einem Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die elektrische Antriebsanordnung EA ist beispielsweise als Teil eines Antriebs eines Hybridelektrofahrzeugs ausgebildet.
Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst eine elektrische Maschine EM zum Antrieb des Hybridelektrofahrzeugs sowie einen Wechselrichter WR zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine EM.
Die elektrische Maschine EM ist bspw. als eine permanenterregte oder fremderregte Synchronmaschine ausgebildet.
Der Wechselrichter WR umfasst eine Brückenschaltung BS als Leistungsendstufe zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine EM, eine Steuereinheit SE zum Ansteuern der Brückenschaltung BS sowie einen Zwischenkreiskondensator ZK zum Stabilisieren der Betriebsspannung in dem Wechselrichter WR.
Die Brückenschaltung BS umfasst drei Halbbrücken, die zueinander parallel zwischen einem positiven Versorgungsstromanschluss PA und einem negativen Versorgungsstromanschluss NA des Wechselrichters WR geschaltet sind. Jeder der drei Halbbrücken umfasst jeweils einen positivspannungsseitigen Durchleitungsschalter TP und jeweils einen negativspannungsseitigen Durchleitungsschalter TN. Sowohl die positivspannungsseitigen als auch die negativspannungsseitigen Durchleitungsschalter TP, TN sind als selbstleitende Siliziumkarbid-basierte Leistungshalbleiterschalter ausgebildet, die ausgeführt sind, unter eine Laststreckenspannung (bspw. Drain-Source-Spannung) in Höhe von über 1000 Volt Ströme in Höhe von über 500 Ampere durchzuleiten.
Die Brückenschaltung BS umfasst ferner drei Phasenstromleitungen PL, die jeweils einen elektrischen Verbindungspunkt des positivspannungsseitigen und des negativspannungsseitigen Durchleitungsschalters TP, TN der jeweiligen Halbbrücken mit einer der drei Statorphasen der elektrischen Maschine EM elektrisch leitend verbinden.
Über den positivspannungsseitigen Anschluss PA ist die Brückenschaltung BS auch mit einer positiven Versorgungsstromleitung Vs+ der elektrischen Antriebsanordnung EA elektrisch leitend verbunden. Analog ist die Brückenschaltung BS über den negativspannungsseitigen Anschluss NA mit einer negativen Versorgungsstromleitung Vs– der elektrischen Antriebsanordnung EA elektrisch leitend verbunden.
Der Zwischenkreiskondensator ZK ist zwischen der positivspannungsseitigen und der negativspannungsseitigen Versorgungsstromleitung Vs+, Vs– elektrisch angeschlossen und über einen Pluspol PP mit dem positivspannungsseitigen Anschluss PA der Brückenschaltung BS bzw. über einen Minuspol MP mit dem negativspannungsseitigen Anschluss NA der Brückenschaltung BS elektrisch verbunden.
Der Wechselrichter WR umfasst ferner einen Schutzschalter TS, der als selbstsperrender Leistungs-MOSFET ausgebildet ist und über seine Laststromstrecke in der positivspannungsseitigen Versorgungsstromleitung Vs+ bzw. in einer Stromleitung SL zwischen dem positivspannungsseitigen Anschluss PA der Brückenschaltung BS und dem Pluspol PP des Zwischenkreiskondensators ZK in Reihe elektrisch angeschlossen ist. Alternativ kann der Schutzschalter TS auch in einer Stromleitung zwischen dem negativspannungsseitigen Anschluss NA der Brückenschaltung BS und dem Minuspol MP des Zwischenkreiskondensators ZK in Reihe elektrisch angeschlossen sein. Es können auch zwei Schutzschalter vorgesehen sein, die dann aufgeteilt in den beiden zuvor genannten Stromleitungen angeschlossen werden können und somit eine redundante Sicherheit für den Wechselrichter WR bieten.
Die Steuereinheit SE umfasst einen ersten Treiber TRS zum Ansteuern des Schutzschalters TS, drei weitere Treiber TRP zum Ansteuern der drei positivspannungsseitigen Durchleitungsschalter TP, sowie noch drei weitere Treiber TRN zum Ansteuern der drei negativspannungsseitigen Durchleitungsschalter TN. Die insgesamt sieben Treiber TRS, TRP, TRN sind über jeweils eine Steuersignalleitung mit den jeweiligen Steueranschlüssen des Schutzschalters TS, der jeweiligen drei positivspannungsseitigen sowie der drei jeweiligen negativspannungsseitigen Durchleitungsschalter TP, TN unmittelbar elektrisch leitend verbunden. Die Steuereinheit SE und somit auch die sieben Treiber TRS, TRP, TRN werden von einer gemeinsamen Betriebsspannung Vcc betrieben. Beim Wegfall dieser gemeinsamen Betriebsspannung Vcc geben alle sieben Treiber TRS, TRP, TRN keine Ausgangssignale (bzw. Ausgangssignale mit einem Signalpegel von 0 Volt) ab.
Beim Wegfallen der Ausgangssignale werden der selbstsperrende Schutzschalter TS geöffnet und die sechs selbstleitenden Durchleitungsschalter TD geschlossen. Durch Schließen der sechs Durchleitungsschalter TD werden alle drei Halbbrücken elektrisch kurzgeschlossen. Ein elektrischer Kurzschluss des Zwischenkreiskondensators ZK bzw. weiterer zwischen der positivspannungsseitigen und der negativspannungsseitigen Versorgungsstromleitung Vs+, Vs– angeschlossenen Energiequellen über die kurzgeschlossenen Halbbrücken der Brückenschaltung BS ist jedoch durch den offenen Schutzschalter TS zuverlässig unterbunden.
Wird zum Schutz der elektrischen Maschine EM vor unerwünschten Störspannungen ein aktiver Kurzschluss AKS der Brückenschaltung BS herbeigeführt, oder tritt ein ungewollter elektrischer Kurzschluss in der Brückenschaltung BS ein, so kann der Zwischenkreiskondensator ZK durch gezieltes Öffnen des Schutzschalters TS von der Brückenschaltung BS elektrisch getrennt und somit von dem ungewünschten elektrischen Kurzschluss geschützt werden.

Claims

Wechselrichter (WR) für eine elektrische Maschine (EM), mit folgenden Merkmalen: – einen Zwischenkreiskondensator (ZK) und/oder einer Energiequelle; – eine Brückenschaltung (BS) mit mindestens einem steuerbaren, selbstleitenden Durchleitungsschalter (TP, TN); – mindestens eine Stromleitung (SL), die einen elektrischen Pol (PP, MP) des Zwischenkreiskondensators (ZK) bzw. der Energiequelle mit einem Versorgungsstromanschluss (PA, NA) der Brückenschaltung (BS) elektrisch verbindet; – mindestens einen steuerbaren, selbstsperrenden Schalter (TS) in der mindestens einen Stromleitung (SL), der eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand Stromfluss zwischen dem Zwischenkreiskondensator (ZK) bzw. der Energiequelle und der Brückenschaltung (BS) zu unterbrechen.
Wechselrichter (WR) nach Anspruch 1, ferner umfassend: – mindestens einen ersten Treiber (TRP, TRN) zum Ansteuern des mindestens einen Durchleitungsschalters (TP, TN); – mindestens einen zweiten Treiber (TRS) zum Ansteuern des mindestens einen Schalters (TS); – wobei mindestens einer der mindestens einen ersten (TRP oder TRN) und der mindestens eine zweite (TRS) Treiber mit einer und derselben Betriebsspannung (Vcc) betrieben werden.
Wechselrichter (WR) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Durchleitungsschalter (TP, TN) ein Siliziumkarbid-Halbleiterschalter ist.
Wechselrichter (WR) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Schalter (TS) ein MOSFET, insb. ein n-MOSFET, oder ein IGBT ist.
Elektrische Antriebsanordnung (EA), umfassend: – mindestens einen Wechselrichter (WR) nach einem der vorangehenden Ansprüche; – mindestens eine elektrische Maschine (EM); – wobei der mindestens eine Wechselrichter (WR) ferner mindestens eine Phasenstromleitung (PL) umfasst und über die mindestens eine Phasenstromleitung (PL) mit mindestens einer Statorphase der mindestens einen elektrischen Maschine (EM) elektrisch verbunden ist.