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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Brückenschaltung umfassend eine Anzahl von Brückenmodulen, welche mittels einer Verschienung an einen Zwischenkreiskondensator verschaltet sind.
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Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise elektrische Maschinen zum Antrieb einer oder beider Kraftfahrzeugachsen auf. Derartige elektromotorische Antriebsmaschinen umfassen in der Regel einen gesteuerten Synchron- oder Elektromotor oder einem Asynchronmotor, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen Energiespeicher (Hochvolt-Batterie) gekoppelt ist.
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Der Elektromotor der elektrischen Maschine umfasst herkömmlicherweise einen gegenüber einem Stator drehbar gelagerten Rotor, welcher mittels eines magnetischen Drehfeldes angetrieben wird. Zur Erzeugung des Drehfeldes werden die Spulenwicklungen (Phasenwicklungen, Statorwicklungen) des Stators mit einem entsprechenden Drehstrom (Wechselspannung) beaufschlagt, welcher aus einer Gleichspannung des Energiespeichers mittels eines Stromrichters gewandelt wird.
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Derartige Stromrichter sind einerseits dafür geeignet und eingerichtet, als Wechselrichter (Inverter) in einem Normalbetrieb der Maschine die Gleichspannung des Energiespeichers in den Drehstrom beziehungsweise die Wechselspannung zu wandeln. Andererseits sind die Stromrichter in der Regel dazu geeignet und eingerichtet, in einem generatorischen oder rekuperativen Betrieb als Gleichrichter einen erzeugten Drehstrom des Elektromotors in einen Gleichstrom zur Einspeisung in den Energiespeicher zu wandeln.
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Zu diesem Zwecke weist der Stromrichter eine mit einem Zwischenkreiskondensator gekoppelte Brückenschaltung auf (Zwischenkreis, Kommutierungskreis). Die Brückenschaltung umfasst eine der Anzahl der (Motor-)Phasen entsprechende Anzahl von Brückenmodulen (Halbbrücken, Leistungsmodul, Kommutierungszelle) mit Leistungshalbleiterschaltern, die zwischen einer Hinleitung und einer Rückleitung als Zuleitungen des Stromrichters verschaltet sind.
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Der Stromrichter ist mittels Zuleitungen an den Energiespeicher angeschlossen. Insbesondere bei hohen Leistungen beziehungsweise Strömen, wie sie beispielsweise im Automobilbereich vorkommen, sind die (Gleichstrom-)Zuleitungen in der Regel zumindest innerhalb des Stromrichters in Form von (massiven) (Strom-)Platten beziehungsweise (Strom-)Schienen ausgeführt. Die dadurch gebildete (Zwischenkreis-)Verschienung erzeugt bauelementnah zu den Brückenmodulen eine parasitäre Induktivität (Streuinduktivität).
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Diese parasitäre Induktivität wirkt sich nachteilig auf die mögliche Schaltgeschwindigkeit, und somit auf die Schaltverluste der Leistungshalbleiterschalter der Brückenmodule aus. Insbesondere bei einem Ausschaltvorgang eines Leistungshalbleiterschalters werden hierdurch ausgeprägte (Über-)Spannungsspitzen und (Spannungs-)Oszillationen erzeugt. Die Oszillationen treten hierbei aufgrund eines Zusammenwirkens der parasitären Induktivität der Zwischenkreisverschienung mit parasitären Kapazitäten der Leistungshalbleiterschalter sowie einer externen Schaltung der Brückenmodule auf.
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Zur Vermeidung einer Beschädigung oder Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter ist es typischerweise notwendig, die Amplitude der Überspannungsspitzen durch eine Reduzierung der Schaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter zu begrenzen. Aus diesem Grunde werden Zwischenkreisverschienungen möglichst induktivitätsarm ausgeführt, sodass möglichst hohe Schaltgeschwindigkeiten möglich sind. Zu diesem Zwecke ist es beispielsweise möglich, die im Wesentlichen parallel geführten Zuleitungen des Plus- und Minuspfades insbesondere zwischen der Brückenschaltung und dem Zwischenkreiskondensator in einem möglichst geringen Abstand nebeneinander anzuordnen.
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Die auftretenden Oszillationen sind hinsichtlich der Anforderungen einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als kritisch anzusehen. Da die Oszillationen im Wesentlichen unvermeidbar sind, werden sie vorzugsweise möglichst stark gedämpft. Diese Dämpfung erfolgt in der Regel durch induzierte Wirbelströme im Bereich der Modulmetallisierung und/oder der Zwischenkreisverschienung sowie durch Verluste des angeschlossenen Zwischenkreiskondensators. Des Weiteren ist es möglich, zusätzliche Entkopplungskondensatoren zur Reduktion der transienten Schaltspitzen mit der Brückenschaltung zu verschalten. Derartige Entkopplungskondensatoren sind zweckdienlicherweise möglichst modulnah platziert, sodass die parasitäre Induktivität der Verschienung möglichst effektiv von den taktenden Leistungshalbleiterschaltern entkoppelt ist.
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Zur Verbesserung der Lebensdauer sind Zwischenkreiskondensatoren hierbei als Folienkondensatoren ausgestaltet. Nachteiligerweise weisen Zwischenkreiskondensatoren in Folienausführung eine hohe Empfindlichkeit gegenüber hohen Umgebungstemperaturen auf. Da im Betrieb aufgrund von Schalt- und Leitverlusten der Leistungshalbleiterschalter im Bereich der Brückenschaltung eine hohe Wärmeentwicklung auftritt, ist es notwendig, die Folienkondensatoren in einem entsprechenden (mechanischen) Abstand zu der Brückenschaltung zu positionieren. Dadurch werden längere Zwischenkreisverschienungen benötigt, wodurch einerseits die parasitäre Induktivität zunimmt sowie andererseits die Leistungsdichte und Kompaktheit des Stromrichters verschlechtert wird.
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Für die Anwendung in einem elektromotorischen Kraftfahrzeug ist jedoch eine möglichst hohe Leistungsdichte und Kompaktheit des Stromrichters wünschenswert. Dies bedingt Leistungshalbleiterschalter mit möglichst niedrigen Schaltverlusten sowie möglichst niedrigen Durchlassverlusten. Zu diesem Zwecke sind Leistungshalbleiterschalter mit einer hohen Bandlücke, wie beispielsweise Siliziumcarbidhalbleiter (SiC) oder Galliumnitirdhalbleiter (GaN), besonders geeignet. Derartige Halbleiterschalter ermöglichen signifikant höhere Schaltgeschwindigkeiten. Zur effektiven Nutzung derartiger Leistungshalbleiterschalter ist eine weitere Reduzierung der parasitären Induktivität der Zwischenkreisverschienung wünschenswert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst geeigneten Stromrichter anzugeben. Insbesondere soll eine parasitäre Induktivität einer Verschienung des Stromrichters möglichst reduziert werden.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter ist insbesondere für den Einsatz in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, geeignet und eingerichtet. Zu diesem Zwecke ist der beispielsweise als getaktete Gleichrichter und/oder Wechselrichter (Inverter) ausgeführte Stromrichter beispielsweise zwischen einer fahrzeuginternen Hochvolt-Batterie als Energiespeicher und einem die Kraftfahrzeugachsen antreibenden Elektromotor verschaltet.
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Der Stromrichter umfasst eine Brückenschaltung mit einer der Anzahl der Motorphasen entsprechenden Anzahl von Brückenmodulen. Die Brückenmodule der Brückenschaltung sind mittels einer (Zwischenkreis-)Verschienung an einen Zwischenkreiskondensator verschaltet.
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Die Verschienung weist eine erste Stromschiene sowie eine hierzu in einer Stapelrichtung übereinander und planparallel geführte zweite Stromschiene auf. Mit anderen Worten sind die Stromschienen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nebeneinander in einer Ebene der Brückenschaltung geführt, sondern übereinander in zwei unterschiedlichen, parallelen und beabstandeten Ebenen. Dadurch ist entlang einer Schienenlängsrichtung im Wesentlichen eine (platten-)kondensatorartige Anordnung der Stromschienen realisiert, wodurch die ungewünschte Störaussendungen sowie die (Streu-)Induktivität der Verschienung reduziert wird. Der Abstand der Stromschienen entlang der Stapelrichtung ist hierbei unter Beachtung einer erforderlichen Luft- oder Kriechstrecke zur Reduzierung der Induktivität möglichst gering ausgeführt.
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Die Schmalseiten der ersten Stromschiene sind unter Ausbildung jeweils einer im Wesentlichen rechteckigen Abkantung in Stapelrichtung zu der zweiten Stromschiene hin gebogen. Mit anderen Worten weist die erste Stromschiene entlang der Schienenlängsrichtung einen etwa U-förmigen Querschnitt auf, wobei die Abkantungen im Wesentlichen die vertikalen U-Schenkel bilden.
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Durch die planparallele Führung der Stromschienen wird eine Reduktion der parasitären (Zuleitungs-)Induktivität der Verschienung realisiert. Dadurch wird die Leistungsdichte und Kompaktheit des Stromrichters verbessert. Durch das Hinzufügen der zwei Abkantungen wird einerseits die wirksame parasitäre Induktivität bei einem geführten Wechselstrom reduziert. Somit werden schnellere und verlustreduzierte Umschaltvorgänge der Leistungshalbleiterschalter ermöglicht. Des Weiteren wird die im Betrieb erzeugte magnetische Flussdichte der Induktivität oberhalb der ersten Stromschiene, das bedeutet auf der zu den Abkantungen in Stapelrichtung gegenüberliegenden Seite, wesentlich reduziert. Aufgrund der resultierenden geringeren magnetischen Flussdichte in einem Halbraum oberhalb der ersten Stromschiene ist es möglich, Schaltungsteile mit einer vergleichsweise niedrigen Signalamplitude (Logikschaltungen, Sensorauswertungen) räumlich näher an der Brückenschaltung anzuordnen, da eine Überkopplung durch die Störaussendung (induktive Überkopplung, Störstrahlung) aufgrund der in den Abkantungen induzierten Wirbelströme der Verschienung reduziert ist. In der Folge wird die Leistungsdichte und Kompaktheit des Stromrichters verbessert, was sich insbesondere vorteilhaft bei einem Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug überträgt.
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In einer geeigneten Ausbildung sind die Abkantungen der ersten Stromschiene derart dimensioniert, dass die zweite Stromschiene zumindest abschnittsweise übergriffen ist. Mit anderen Worten ist die zweite Stromschiene innerhalb der zwischen den Abkantungen gebildeten Öffnung der ersten Stromschiene angeordnet. Dadurch wird die Induktivitätsreduktion weiter verbessert, zusätzlich wird die Störaussendung beziehungsweise das erzeugte magnetische Feld (Flussdichte) oberhalb der Verschienung weiter reduziert.
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In einer geeigneten Ausbildungsform überragen die vertikalen U-Schenkel beziehungsweise die Abkantungen der ersten Stromschiene die zweite Stromschiene entlang der Stapelrichtung. Mit anderen Worten ist die zweite Stromschiene tiefer in der Öffnung der Abkantungen angeordnet, wodurch die magnetische Feldamplitude in den Halbraum oberhalb der ersten Stromschiene für Wechselströme signifikant abgeschwächt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist die Verschienung eine, insbesondere die Abkantungen der ersten Stromschiene überlappende, schienen- oder plattenartige Deckelplatte auf. Die Deckelplatte ist in Stapelrichtung unterhalb der zweiten Stromschiene, das bedeutet hinsichtlich der ersten Stromschiene auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Stromschiene, angeordnet. Die Deckelplatte ist geeigneterweise beabstandet und planparallel zu der zweiten Stromschiene geführt. Mit anderen Worten sind die Deckelplatte und die zweite Stromschiene sowie die erste Stromschiene entlang der Stapelrichtung übereinander gestapelt angeordnet. Die Deckelplatte wirkt als ein (Ab-)Schirmblech, wodurch die Abschirmung der Streuinduktivität oberhalb der ersten Stromschiene weiter verbessert wird.
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In einer geeigneten Weiterbildung ist die Deckelplatte aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, gefertigt. Geeigneterweise ist die Deckelplatte hierbei aus dem gleichen Material wie die zweite und/oder erste Stromschiene, beispielsweise einem Kupfermaterial, hergestellt. Durch die Ausgestaltung als metallischer Leiter bewirkt die Deckelplatte eine weitere Reduzierung der Verschienungsinduktivität.
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In einer alternativen Weiterbildung ist die Deckelplatte aus einem verlustbehafteten permeablen Material zum Zwecke einer gezielten Flussführung der magnetischen Flusslinien ausgeführt. Dies ist insbesondere bei geführten Wechselströmen von Vorteil. Dadurch wirkt die Deckelplatte als ein bevorzugter Pfad für den im Betrieb auftretenden magnetischen Fluss (Flussdichte). Insbesondere bei Wechselströmen mit einer vergleichsweise hohen Frequenz (Megahertzbereich) erfolgt in Verbindung mit der Stromverdrängung innerhalb der leitfähigen Stromschienen in Summe eine Abnahme der Verschienungsinduktivität. Unter verlustbehaftet ist zu verstehen, dass die ohmschen Verluste innerhalb der Deckelplatte bei höheren Frequenzen zunehmen, sodass eine stärkere Bedämpfung von unerwünschten Spannungsspitzen und Oszillationen der Brückenschaltung ermöglicht ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Deckelplatte im Vergleich zu den beiden Stromschienen entlang der Stapelrichtung eine verringerte Plattendicke aufweist. Dies bedeutet, dass die Materialhöhe entlang der Stapelrichtung geringer ist als die der Stromschienen. Dies ist insbesondere bei einer Ausgestaltung der Deckelplatte aus einem elektrisch leitfähigen Material vorteilhaft, da die Deckelplatte vorrangig bei Wechselströmen mit einer hohen Frequenz wirkt. Des Weiteren wird der Strom im Wesentlichen von den Stromschienen geführt, sodass die Deckelplatte vergleichsweise dünn ausführbar ist.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Deckelplatte in einem, insbesondere elektrisch leitfähigen, Berührungskontakt mit den Abkantungen der ersten Stromschiene ist. Mit anderen Worten liegt die Deckelplatte an den vertikalen U-Schenkeln der ersten Stromschiene elektrisch leitfähig an, sodass die zweite Stromschiene im Wesentlichen vollständig von der ersten Stromschiene und der Deckelplatte umschlossen ist. Dadurch ist im Wesentlichen eine hohlprofilartige Koaxialstruktur der Verschienung realisiert. Dies bedeutet, die zweite Stromschiene ist als ein Innenleiter von einem umfangsseitig im Wesentlichen geschlossenen Außenleiter umgeben, wodurch eine signifikante Reduzierung der externen magnetischen Flussdichte sowie der Verschienungsinduktivität realisiert ist.
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Zur Herstellung des Berührungskontakts ist es beispielsweise denkbar, dass die Deckelplatte stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißens, an die Abkantungen der ersten Stromschiene angebunden wird. Zweckmäßigerweise sind die Deckelplatte und die erste Stromschiene aus einem gleichen Material hergestellt.
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Durch die Koaxialstruktur ergibt sich aufgrund des Proximity-Effekts insbesondere für Wechselströme mit hohen Frequenzen eine Stromverdrängung zu den Innenflächen der Verschienung hin. Dadurch wird einerseits das magnetische Feld im Außenbereich der Verschienung wesentlich abgeschwächt sowie andererseits die Dämpfungseigenschaften der Verschienung verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Verschienung mit einem Kunststoffmaterial umspritzt. Dadurch ist eine besonders aufwandsarme Herstellung des Stromrichters ermöglicht.
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In einer geeigneten Weiterbildung weisen die Brückenmodule der Brückenschaltung jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter auf, welche vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke, hergestellt sind. Die Leistungshalbleiterschalter sind hierbei als MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) auf Siliziumcarbid-Basis ausgeführt. In einer alternativen Weiterbildungsform ist es beispielsweises ebenso denkbar, Leistungshalbleiterschalter auf Galliumnitird-Basis einzusetzen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Abkantung insbesondere in dem Verschienungsbereich zwischen der Brückenschaltung und dem Zwischenkreiskondensator an die erste Stromschiene angeformt. Dadurch ist eine einfache Herstellung des Stromrichters gewährleistet.
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In einer bevorzugten Anwendung ist der erfindungsgemäße Stromrichter zwischen einem Energiespeicher und einem Elektromotor einer elektrischen Maschine geschaltetet. Die elektrische Maschine ist hierbei in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, eingebaut.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei einem Stromrichter mit einer Brückenschaltung mit einem gekoppelten Zwischenkreiskondensator die parasitäre Induktivität der (Zuleitungs-)Verschienung reduziert wird. Hinsichtlich der Störaussendung hochfrequenter Störsignale, welche aufgrund der Schaltvorgänge der Brückenmodule erzeugt werden, ist eine besonders effektive Vermeidung oder zumindest Reduzierung der Überkopplung innerhalb des Stromrichters realisiert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von schnellschaltenden (hohe Schaltgeschwindigkeit) Leistungshalbleiterschaltern auf Siliziumcarbid- oder Galiumnitrid-Basis vorteilhaft.
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Durch die Anordnung und geometrische Form der Verschienung ist es möglich, in einfacher Art und Weise Grenzwerte bezüglich der EMV einzuhalten und stromrichterinterne Fehlfunktionen zu vermeiden sowie aufwändige EMV-Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Abschirmungen, zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden. Dadurch ist ein besonders einfach und kostengünstig herstellbarer sowie zuverlässiger Stromrichter realisiert.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Induktivitätsreduktion einen größeren mechanischen Abstand zwischen der Brückenschaltung und weiteren temperaturempfindlichen Bauteilen wie insbesondere Folienkondensatoren innerhalb es Stromrichters ermöglicht, ohne dass die Schalteigenschaften (Schaltperformance) der Brückenschaltung nachteilig beeinflusst werden. Dadurch werden die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Stromrichters wesentlich verbessert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
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1 in Blockdarstellung einen Stromrichter zur Versorgung eines Elektromotors, mit einer Verschienung und einer dazwischen geschalteten Brückenschaltung,
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2, 3 in Schnittdarstellung die Verschienung mit zwei planparallel und in einer Stapelrichtung beabstandet angeordneten Strombahnen, wobei eine Strombahn zwei schmalseitige Abkantungen aufweist,
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4, 5 in Schnittdarstellung die Verschienung mit der abgekanteten Strombahn, wobei die Abkantungen der zweite Strombahn überstehen,
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6, 7 in Schnittdarstellung die Verschienung mit der abgekanteten Strombahn und einer elektrisch leitfähigen und angebundenen Deckelplatte,
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8, 9 in Schnittdarstellung die Verschienung mit der abgekanteten Strombahn und einer elektrisch leitfähigen Deckelplatte in einem nicht leitenden Abstand zur Abkantung, und
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10, 11 in Schnittdarstellung die Verschienung mit der abgekanteten Strombahn und einer magnetisch permeablen Deckelplatte.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist ein Antriebsstrang eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, in Form einer elektrischen (Antriebs-)Maschine 2 dargestellt. Die Maschine 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen, elektrischen Energiespeicher 3 in Form einer Hochvolt-Batterie und einen die Kraftfahrzeugachsen antreibenden Elektromotor 4. Der Elektromotor 4 ist hierbei mittels eines Stromrichters 6 an den Energiespeicher angeschlossen.
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Der Stromrichter 6 weist eine (Zwischenkreis-)Verschienung 8 mit einer Stromschiene 8a als Hinleitung und einer Stromschiene 8b als Rückleitung auf. Die Stromschiene 8a ist an eine mit dem Energiespeicher 3 verbundene Leitung 8a‘ angeschlossen. Entsprechend ist die Stromschiene 8b mit einer an den Energiespeicher 3 geführten Leitung 8b‘ kontaktiert.
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Zwischen den Stromschienen 8a und 8b der Verschienung 8 ist ein Zwischenkreiskondensator 10 sowie eine Brückenschaltung 12 mit drei Brückenmodulen (Halbbrücken, Kommutierungszellen) 14 geschaltet. Die Stromschienen 8a und 8b der Verschienung 8 bilden hierbei insbesondere den Verschienungsbereich zwischen dem Zwischenkreiskondensator 10 und der Brückenschaltung 12 aus. Im Betrieb wird eine Hochvolt-Gleichspannung des Energiespeichers durch die Brückenschaltung 12 in eine dreiphasige Motorspannung beziehungsweise einen Drehstrom mit den Phasen u, v, w gewandelt wird. Die Phasen u, v, w werden zum Betrieb des Elektromotors 4 an entsprechende Phasen- oder Wicklungsenden eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
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Zur Wandlung der Hochvolt-Gleichspannung in den Drehstrom werden die Brückenmodule 14 mittels eines an eine Motorsteuerung angeschlossenen Controllers 16 gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zwecke sendet der Controller 16 nicht näher bezeichnete Steuersignale an die Brückenmodule 14. Jedes Brückenmodul 14 weist hierbei zwei als MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) ausgeführte Leistungshalbleiterschalter 18 auf. Die Leistungshalbleiterschalter 18 sind hierbei vorzugsweise aus einem Siliziumcarbid-Material hergestellt.
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Die lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehenen Halbleiterschalter 18 werden mittels pulsweitenmodulierter Signale (PWM-Signal) eines durch die Steuersignale gesteuerten Treibers getaktet zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand umgeschaltet. Die Steuersignale sowie die PWM-Signale sind in der 1 mittels Pfeilen schematisch dargestellt.
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Bei einem (Um-)Schaltvorgang der Leistungshalbleiterschalter 18 werden gepulste Ströme in der durch die Stromschienen 8a und 8b gebildeten Kommutierungszelle erzeugt. Die Stromschienen 8a und 8b weisen eine parasitäre Induktivität auf, wodurch diese gepulsten Ströme als ein magnetisches (Wechsel-)Feld beziehungsweise als eine zeitlich veränderbare magnetische Flussdichte in der Umgebung erzeugt wird (Streuinduktivität). Die resultierenden Wechselfelder können in der Folge in benachbarte Schaltteile oder elektronische Bauteile als induktive Überkopplung einkoppeln.
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Die Verschienung 8 führt somit im Normalbetrieb des Elektromotors 4 mittels der Stromschienen 8a‘ und 8b‘ einen Gleichstrom von dem Energiespeicher 3 zu der Brückenschaltung 12. Während eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs des Elektromotors 4 wird elektrische Energie in den Energiespeicher 3 eingespeist. Die Verschienung 8 ist im Montagezustand des Stromrichters 6 vorzugsweise mit einem Kunststoff umspritzt.
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Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Verschienung 8 näher erläutert, deren parasitäre Induktivität reduziert ist. Die Figuren zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel der Verschienung 8 bei einem geführten Gleichstrom und einem geführten Wechselstrom. Unter einem Wechselstrom ist nachfolgend insbesondere ein elektrischer Strom mit einer vergleichsweise hohen Frequenz (f >> 0 Hz) zu verstehen, insbesondere mit einer Frequenz im Megahertzbereich.
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Die Figuren zeigen weiterhin schematisch die durch die Ströme erzeugten Flussröhren der Magnetfelder (Störfelder), beziehungsweise des erzeugten magnetischen Flusses der Stromschienen 8a und 8b bei Führung des Stromes, in einer strichlinierten Darstellung.
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Das Ausführungsbeispiel der 2 und 3 zeigt eine Verschienung 8 mit zwei im Querschnitt etwa rechteckigen Stromschienen 8a und 8b. Die Stromschienen 8a und 8b sind im Wesentlichen parallel und beabstandet zueinander geführt, wobei die Stromschiene 8a in einer Stapelrichtung S planparallel oberhalb der Stromschiene 8b angeordnet ist. Die zur Stapelrichtung S senkrecht orientierten Schienenstirnseiten sind nachfolgend auch als Ober- und Unterseite beziehungsweise Ober- und Unterkante der Stromschienen 8a und 8b bezeichnet.
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Durch die die planparallele Anordnung der Stromschienen 8a und 8b in der 2 und 3 wird die Induktivität der Verschienung 8 reduziert. Insbesondere wird das im Betrieb erzeugte magnetische Feld oberhalb der Stromschiene 8a beziehungsweise unterhalb der Stromschiene 8b reduziert. Dies ist in den Figuren beispielhaft anhand einer reduzierten Feldliniendichte dargestellt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 weist die Stromschiene 8a eine gegenüber der Stromschiene 8b vergrößerte Schienenbreite auf. Die Schmalseiten der Stromschiene 8a sind hierbei entlang der Stapelrichtung S zu der Stromschiene 8b hin umgebogen. Dadurch weist die Stromschiene 8a eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsform auf, wobei der horizontale U-Schenkel 20 beabstandet und planparallel zu der Stromschiene 8b geführt ist.
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Die vertikalen U-Schenkel beziehungsweise Abkantungen 22 der Stromschiene 8a sind im Wesentlichen rechteckig nach unten, das bedeutet zu der Stromschiene 8b hin, umgebogen. Wie in den Schnittdarstellungen der 2 und 3 ersichtlich, sind die Schenkelenden der Abkantungen 22 entlang der Stapelrichtung S etwa auf der Höhe einer der Stromschiene 8a zugewandten Oberkante 24 der Stromschiene 8b angeordnet. Mit anderen Worten sind die Unterkanten 26 der Abkantungen 22 der Stromschiene 8a in einer Ebene mit der Oberkante 24 der Stromschiene 8b angeordnet.
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Durch die Abkantungen 22 wird die Ausbreitung des magnetischen Feldes in den in Stapelrichtung S oberhalb der Stromschiene 8a erstreckenden Halbraum reduziert. Mit anderen Worten wird im Betrieb die magnetische Flussdichte oberhalb der Stromschiene 8a reduziert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind empfindliche Schaltteile und/oder elektrische Bauteile des Stromrichters 6, wie beispielsweise der Controller 16, in diesem feldreduzierten Halbraum angeordnet.
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Die 4 und 5 zeigen eine Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. In dieser Ausgestaltung überragen die Abkantungen 22 die Stromschiene 8b. Mit anderen Worten ist die Unterkante 26 der Abkantungen 22 der Stromschiene 8a entlang der Stapelrichtung S unterhalb einer Unterkante 28 der Stromschiene 8b angeordnet. Dies bedeutet, dass die Stromschiene 8b von der Stromschiene 8a zumindest teilweise übergriffen wird, beziehungsweise, dass die Stromschiene 8b in der U-Öffnung zwischen den Abkantungen 22 einliegend angeordnet ist.
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Durch die Verlängerung der Abkantungen 22 entlang der Stapelrichtung S ist eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Induktivität der Verschienung 8 realisiert. Insbesondere im Wechselstromfall (5) wird die Amplitude des magnetischen Feldes im Halbraum oberhalb der Stromschiene 8a wesentlich reduziert.
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Das Ausführungsbeispiel der 6 und 7 zeigt eine Verschienung 8 gemäß den 4 und 5 mit einer zusätzlichen Deckelplatte (Schirmblech) 30. Die Deckelplatte 30 ist in dieser Ausführung aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall wie beispielsweise Kupfer, hergestellt. Vorzugsweise ist die Deckelplatte 30 aus dem gleichen Material wie die Stromschiene 8a und/oder die Stromschiene 8b hergestellt.
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Die Deckelplatte 30 überlappt die Abkantungen 22 der Stromschiene 8a. Mit anderen Worten sind die Außenkanten der Abkantungen 20 und der Deckelplatte 30 fluchtend miteinander angeordnet. Die Deckelplatte 30 ist in einem elektrisch leitfähigen Berührungskontakt mit den Abkantungen 22, das bedeutet, die Deckelplatte 30 liegt im Wesentlichen an den Unterkanten 26 der Abkantungen 22 an. Vorzugsweise ist die Deckelplatte 30 hierbei stoffschlüssig an die Abkantungen 22 angebunden.
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Wie in den 6 und 7 vergleichsweise deutlich ersichtlich wird, ist durch die Anbindung der Deckelplatte 30 an die Abkantungen 22 im Wesentlichen eine hohlprofilartige Koaxialstruktur gebildet. Mit anderen Worten ist die Stromschiene 8b als ein Innenleiter von der Stromschiene 8a und der Deckelplatte 30 als Außenleiter umfangsseitig umfasst beziehungsweise im Wesentlichen vollständig umschlossen.
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Die Stromschienen 8a und 8b führen im Betrieb den Hauptteil des Laststroms, sodass die Plattendicke der Deckelplatte 30 in Stapelrichtung S vergleichsweise dünn ausgestaltet ist.
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Insbesondere im Wechselstromfall wird durch die Koaxialstruktur der Stromschiene 8a und der Deckelplatte 30 sowie der darin angeordneten Stromschiene 8b eine Ausbreitung des magnetischen Feldes in den Außenraum im Wesentlichen vollständig unterdrückt. Hierbei bewirkt der Proximity-Effekt bei hohen Frequenzen des Wechselstroms eine Stromverdrängung zu den Innenwänden der Koaxialstruktur hin, sodass die externe Flussdichte reduziert wird.
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Die 8 und 9 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel der Verschienung 8, bei welchem die Deckelplatte 30 elektrisch nicht leitfähig an die Abkantungen 22 der Stromschiene 8a gekoppelt ist. In der Darstellung ist die elektrisch nicht leitfähige Anbindung durch einen Luftspalt beispielhaft dargestellt. Ebenso denkbar ist jedoch beispielsweise auch ein zwischen der Unterkante 26 der Abkantungen 22 und der Deckelplatte 30 angeordnetes Verbindungsstück aus einem elektrisch nicht leitfähigen beziehungsweise isolierenden Material.
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Das Ausführungsbeispiel der 10 und 11 zeigt eine Weiterbildungsform des Ausführungsbeispiels der 8 und 9. In dieser Weiterbildung ist die Deckelplatte 30 aus einem permeablen Material hergestellt. Bei dem permeablen Material handelt es sich vorzugsweise um ein verlustbehaftetes Ferritmaterial.
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Die Deckelplatte 30 weist in diesem Ausführungsbeispiel entlang der Stapelrichtung S eine vergleichsweise große Plattendicke auf, sodass eine verbesserte Flussführung der magnetischen Flussdichte realisiert ist. Aufgrund der Flussführung der permeablen Deckelplatte 30 ist eine wesentliche Reduzierung der magnetischen Flussdichte im oberen Halbraum der Verschienung 8 realisiert.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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So ist es beispielsweise auch denkbar, dass der Stromrichter 6 als ein DC/DC-Wandler, ein AC/DC-Wandler oder als ein AC/AC-Wandler ausgeführt ist.
