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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter für einen elektrischen Kompressor, der zum Beispiel in einer Klimaanlage eines Fahrzeugs verwendet wird.
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STAND DER TECHNIK
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Ein elektrischer Kompressor ist zum Beispiel aus
WO 2016/032259 A1 bekannt. Der Kompressor umfasst einen Elektromotor, der von einem Wechselrichter mit Wechselstrom versorgt wird. Der Wechselrichter umfasst sechs Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Die IGBTs sind in zwei Zeilen mit je drei IGBTs angeordnet. Dabei stehen sich die Anschlüsse von jeweils zwei IGBTs genau gegenüber (siehe
4).
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Ein weiterer Wechselrichter ist aus
EP 1 363 026 A2 bekannt. Sechs MOS-Transistoren sind dort derart in zwei Zeilen angeordnet, dass der Drain-Anschluss bzw. der Source-Anschluss für zwei MOS-Transistoren der gleichen Phase die gleiche axiale Position aufweisen (siehe
4).
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Allgemeinen ist in einem Wechselrichter eine Leistungsendstufe bestehend aus mehreren Kommutierungszellen ausgebildet, die Leistungsschalter, Dioden und den Motor des elektrischen Kompressors umfasst. Dabei ist es vorteilhaft, die Kommutierungszelle möglichst klein zu gestalten. Insbesondere sollte die Fläche, die eine Kommutierungszelle einnimmt, durch einen kompakten Aufbau minimiert werden, um die Induktivität zu verringern. Eine möglichst kleine Kommutierungszelle verbessert die Störfestigkeit der Schaltung und vermindert die Belastung der Bauteile durch Überspannungen. Weiterhin verbessert sich die elektromagnetische Verträglichkeit EMV (engl.: electromagnetic compatibility EMC) der Schaltung wodurch der Aufwand für Filtermaßnahmen verringert werden kann.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schaltverhalten der Leistungsendstufe zu verbessern und somit die Störfestigkeit sowie die elektromagnetische Verträglichkeit des Wechselrichters zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 definierten Wechselrichter gelöst.
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Demzufolge umfasst ein Wechselrichter für einen elektrischen Kompressor eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, die in einer ersten Zeile und einer zweiten Zeile angeordnet sind. Die erste Zeile und die zweite Zeile sind zueinander parallel. Die Halbleiterschalter in der ersten Zeile weisen jeweils einen ersten Abstand in der Zeilenrichtung auf und die Halbleiterschalter in der zweiten Zeile weisen jeweils einen zweiten Abstand in der Zeilenrichtung auf, der größer als der erste Abstand ist.
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Dadurch, dass die Halbleiterschalter in der zweiten Zeile einen größeren Abstand aufweisen, ist es möglich, die Gestaltung des Wechselrichters flexibler zu gestalten. Insbesondere können zum Beispiel Leitungen flexibler verlegt werden, wodurch sich die Störfestigkeit der Leistungen sowie die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern lässt. So können Signalleitungen und Sensorleitungen zur Strom-/Spannungsmessung in dem Zwischenraum zwischen den Halbleiterschaltern in der zweiten Zeile verlegt werden, wodurch Störeinflüsse auf die Signalleitungen verringert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wechselrichter weiterhin eine Ansteuerschaltung für die Halbleiterschalter und Signalleitungen von der Ansteuerschaltung zu den Halbleiterschaltern verlaufen in einer Lücke zwischen Halbleiterschaltern in der zweiten Zeile, die durch den zweiten Abstand entsteht. Diese Anordnung ermöglicht es, Störungen in den Signalleitungen zu verhindern. Insbesondere können Störungen auf den Signalleitungen zu einer Fehlfunktion bis hin zu einem Brückenkurzschluss führen, der zu einer vollständigen Zerstörung des Wechselrichters führen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erste Abstand derart eingestellt, dass die Halbleiterschalter in der ersten Zeile aneinander angrenzen. Hierdurch können die Halbleiterschalter besonders platzsparende angeordnet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wechselrichter weiterhin ein rundes Gehäuse und die erste Zeile ist weiter entfernt vom Mittelpunkt des Gehäuses als die zweite Zeile angeordnet. Durch die unterschiedlichen Abstände in den beiden Zeilen kann der Raum in dem runden Gehäuse besser ausgenutzt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform steht ein Halbleiterschalter in der ersten Zeile einem Halbleiterschalter in der zweiten Zeile gegenüber.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die sind Halbleiterschalter Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, und die IGBTs sind derart angeordnet, dass der Abstand zwischen den Kollektoranschlüssen in der ersten Zeile und den Emitteranschlüssen in der zweiten Zeile minimiert wird. Durch diese Anordnung kann die Größe der Kommutierungszelle minimiert werden, wodurch sich parasitäre Überspannungen und mögliche Störeinflüsse reduzieren lassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Halbleiterschalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, und die MOSFETs sind derart angeordnet, dass der Abstand zwischen den Drain-Anschlüssen in der ersten Zeile und den Source-Anschlüssen in der zweiten Zeile minimiert wird. Durch diese Anordnung kann die Größe der Kommutierungszelle minimiert werden, wodurch sich parasitäre Überspannungen und mögliche Störeinflüsse reduzieren lassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wechselrichter sechs Halbleiterschalter, die eine Brückenschaltung bilden, die einen Drei-Phasen-Wechselstrom ausgibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen zwei benachbarte Halbleiterschalter (12) in der zweiten Zeile einen Versatz senkrecht zur Zeilenrichtung auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wechselrichter weiterhin eine Stromschiene, die den von den Halbleiterschaltern erzeugten Wechselstrom ausgibt. Die Stromschiene verläuft in einer Lücke, die durch den Versatz entsteht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind in den verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die im Folgenden detailliert beschreiben werden, werden ausführlich mit Bezug auf Wechselrichter für einen elektrischen Kompressor beschrieben. Jedoch wird angemerkt, dass die folgenden Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Der Wechselrichter für einen elektrischen Kompressor umfasst eine Vielzahl von Halbleiterschaltern 11, 12, die in einer ersten Zeile und einer zweiten Zeile angeordnet sind. Die erste Zeile und die zweite Zeile sind zueinander parallel. Die Halbleiterschalter in der ersten Zeile weisen jeweils einen ersten Abstand d1 in der Zeilenrichtung auf und die Halbleiterschalter in der zweiten Zeile weisen jeweils einen zweiten Abstand d2 in der Zeilenrichtung auf, der größer als der erste Abstand ist. Das heißt, die Abstände erstrecken sich parallel zu der Richtung der Zeilen.
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In der ersten Ausführungsform handelt sich um einen Dreiphasen-Wechselrichter, der Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandelt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Dreiphasen-Wechselrichter beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr auch Wechselrichter für eine beliebige Anzahl von Phasen des Wechselstroms. Der Gleichstrom kann zum Beispiel von einer Fahrzeugbatterie erhalten werden. Der erzeugte Wechselstrom kann dazu verwendet werden, einen Elektromotor des Kompressors anzutreiben. Der Kompressor kann Teil einer Klimaanlage sein.
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Der Wechselrichter umfasst sechs Halbleiterschalter 11, 12 mit Anschlüssen 15, die in einer Brückenschaltung (eine sogenannte B6-Brücke) auf einer Leiterplatte verschaltet sind. Als Halbleiterschalter 11, 12 können Leistungstransistoren wie z.B. Bipolartransistoren, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwendet werden. Im Fall von IBGTs sind die drei Anschlüsse 15 die Kollektor-, Emitter- und Gate-Anschlüsse. Im Fall von MOSFETs sind die Anschlüsse 15 die Source-, Drain- und Gate-Anschlüsse.
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Jeweils zwei gegenüberliegende Halbleiterschalter
11,
12 werden dabei für eine Phase (U, V oder W) des Wechselstroms verwendet und bilden eine Halbbrücke. Die Verdrahtung der Anschlüsse ist hier nicht gezeigt. Diese ist jedoch bekannt (siehe z.B.
US 2016/032930 A1 ).
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Die Brückenschaltung umfasst einen Gleichstrom-Bus (HV-Bus), der mit einem Pol der Gleichstromquelle verbunden ist, und einen Gleichstrom-Bus, der mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbunden ist. Der Einfachheit halber werden hier die Halbleiterschalter 11 als positiver Gleichstrom-Bus bezeichnet und die Halbleiterschalter 12 werden als negativer Gleichstrom-Bus bezeichnet. Die Polarität kann der Gleichstrom-Busse kann jedoch auch umgekehrt sein.
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Die Halbleiterschalter 11 des positiven Gleichstrom-Busses (Highside) sind dabei in einer ersten Zeile auf der Leiterplatte angeordnet. Mit anderen Worten liegen die anschlussseitigen Begrenzungen der Halbleiterschalter 11 auf einer Linie. Die Halbleiterschalter 12 des negativen Gleichstrom-Busses (Lowside) sind dabei in einer zweiten Zeile auf der Leiterplatte angeordnet, die parallel zu der ersten Zeile verläuft. Folglich steht die erste Zeile der zweiten Zeile gegenüber, wodurch ein Raum entsteht, in dem die Halbleiterschalter 11, 12 verdrahtet werden können. Die Anschlüsse 15 der Halbleiterschalter sind im Raum zwischen den beiden Zeilen angeordnet.
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Die Halbleiterschalter 11 in der ersten Zeile weisen dabei jeweils einen ersten Abstand d1 auf. Die Halbleiterschalter 12 in der zweiten Zeile weisen jeweils einen zweiten Abstand d2 auf. Der zweite Abstand d2 ist größer als der erste Abstand d1 (d1 < d2).
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Der erste Abstand d1 wird bevorzugter Weise derart eingestellt, dass die Halbleiterschalter 11 aneinander angrenzen. Mit anderen Worten wird der erste Abstand so klein wie möglich gewählt. Dies bedeutet, dass der erste Abstand so klein gewählt wird, wie es sowohl der mechanische Aufbau der Halbleiterschalter 11 als auch die erforderliche elektrische Isolierung der Bauteile (elektrische Isolationskoordination) zulassen. Somit sind die Halbleiterschalter 11 besonders platzsparend angeordnet.
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Durch diese Anordnung der Halbleiterschalter entsteht ein Zwischenraum zwischen den Halbleiterschaltern 12. Dieser Zwischenraum kann genutzt werden, um die Leiterbahnführung (Routing) auf der Leiterplatte vorteilhaft zu gestalten und somit Störungen zu verringern.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst der Wechselrichter eine Ansteuerschaltung 20 für die Halbleiterschalter 11, 12 und Signalleitungen von der Ansteuerschaltung 20 zu den Halbleiterschaltern 11, 12 verlaufen in einer Lücke zwischen Halbleiterschaltern in der zweiten Zeile, die durch den zweiten Abstand d2 entsteht.
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In dieser Ausführungsform werden IGBTs als Halbleiterschalter 11, 12 verwendet. Jeder der Halbleiterschalter 11, 12 weist einen Emitter-Anschluss E, einen Kollektor-Anschluss C und einen Gate-Anschluss G auf.
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Die Gate-Anschlüsse G jeder Phase werden durch Gate-Ansteuerschaltungen (Treiberschaltung, engl. Dual Gate Driver) 20 angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt z. B. mittels Pulsweitenmodulation (PWM). Die Gate-Ansteuerschaltungen 20 sind auf der Ober- oder Unterseite einer Platine angeordnet, die sich über oder unter den Halbleiterschaltern 12 in der zweiten Zeile befindet.
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Die Signalleitungen von der Gate-Ansteuerschaltungen 20 zu den Gate-Anschlüssen G der Halbleiterschalter 11 in der ersten Zeile verlaufen in einer Lücke (Zwischenraum) zwischen den Halbleiterschaltern 12, die durch den zweiten Abstand d2 entsteht.
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Durch diesen Verlauf der Signalleitungen und die kurzen Leitungslängen können Störungen (Interferenzen) der Gate-Signale verhindert werden. Folglich ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine kompakte Bauweise des Wechselrichters mit reduzierter Störanfälligkeit.
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Weiterhin sind die Halbleiterschalter 11, 12 bevorzugter Weise derart angeordnet, dass der Abstand zwischen den Kollektor-Anschlüssen C in der ersten Zeile und den Emitter-Anschlüssen E in der zweiten Zeile minimiert wird. Diese Anordnung trägt dazu bei, dass die Länge der Verdrahtung minimiert wird, wodurch weitere Störeinflüsse und parasitäre Spannungsspitzen minimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wechselrichter weiterhin ein rundes Gehäuse 40. Die Halbleiterschalter 11, 12 sind in dem runden Gehäuse 40 angeordnet. Die erste Zeile der Halbleiterschalter 11 ist weiter entfernt vom Mittelpunkt des Gehäuses als die zweite Zeile der Halbleiterschalter 12 angeordnet. Demzufolge kann die runde Form des Gehäuses optimal ausgenutzt werden, um die weiteren Bauteile (zum Beispiel Microcontroller, Kondensatoren, Flyback- Transformatoren, EMC-Filter etc.) des Wechselrichters vorteilhaft und platzsparend anzuordnen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform steht ein Halbleiterschalter 11 in der ersten Zeile einem Halbleiterschalter 12 in der zweiten Zeile gegenüber. In 2 ist dies für die Halbleiterschalter der Fall, die links in den beiden Zeilen angeordnet sind.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters. In dieser Ausführungsform weisen zwei benachbarte Halbleiterschalter 12 in der zweiten Zeile einen Versatz d3, d3‘ senkrecht zur Zeilenrichtung auf. Folglich liegen die anschlussseitigen Begrenzungen der Halbleiterschalter 12 nicht auf einer Linie, sondern weisen einen Abstand d3 bzw. d3‘ auf.
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Die Versätze d3, d3‘ können beliebig gewählt werden. Insbesondere kann ein Versatz Null sein (z.B. d3 = 0). Es ist jedoch vorteilhaft, dass die Halbleiterschalter 12 jeweils den gleichen Versatz aufweisen (d3 = d3‘). Hierdurch wird ein möglichst symmetrischer Aufbau der Brückenschaltung ermöglicht.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters. Die vierte Ausführungsform basiert auf der dritten Ausführungsform, wobei der Wechselrichter eine Stromschiene (Busbar) 50 umfasst, die den von den Halbleiterschaltern 11, 12 erzeugten Wechselstrom ausgibt. Die Stromschiene ist beispielweise über eine Durchkontaktierung mit einem Motor eines elektrischen Kompressors verbunden. Die Stromschiene 50 verläuft dabei in einer Lücke (Zwischenraum), die durch den Versatz der Halbleiterschalter 12 in der zweiten Zeile entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/032259 A1 [0002]
- EP 1363026 A2 [0003]
- US 2016/032930 A1 [0027]
