DE102016224569A1 - Power control device for an electrical machine and method for separating an electric machine from an electrical energy storage - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Leistungsansteuervorrichtung für eine elektrische Maschine wird beschrieben. Ein Inverter (IN) ist zwischen einem Gleichspannungsanschluss (GA) und einem Wechselspannungsanschluss (WA) der elektrischen Maschine (EM) angeschlossen. Einer Steuerung (C, C1) ist eine Halbleiter-Brückenschaltung (11-23; H1-H24) des Inverters (IN) ansteuernd nachgeschaltet. Die Brückenschaltung (11-23; H1, H11, H21) weist einen ersten Halbleiterschalter (11-13; H1, H11, H21) auf, der zwischen dem Wechselspannungsanschluss (WA) und einem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses (GA) liegt. Ein zweiter Halbleiterschalter (S1; H3, H13, H23) der Leistungsansteuervorrichtung (LS) ist antiseriell zu dem mindestens einen ersten Halbleiterschalter (11-13; H1 - H21) und an dem ersten Potential (P; EA1) des Gleichspannungsanschlusses angeschlossen. Die Steuerung (C; C1, C2) weist einen Trennsignaleingang (FE) auf. Die Steuerung (C; C1, C2) öffnet den ersten und den zweiten Halbleiterschalter, wenn ein Trennsignal auftritt.Es wird ferner ein Verfahren zum Abtrennen einer elektrischen Maschine (EM) von einem elektrischen Energiespeicher (ES) beschrieben, bei dem bei einem Trennsignals ein erster und ein (hierzu antiparallel geschalteter) zweiter Halbleiterschalters (11-13; H1, H11, H21) geöffnet wird.A power driving apparatus for an electric machine will be described. An inverter (IN) is connected between a DC voltage terminal (GA) and an AC voltage terminal (WA) of the electric machine (EM). A controller (C, C1) is followed by a semiconductor bridge circuit (11-23; H1-H24) of the inverter (IN). The bridge circuit (11-23; H1, H11, H21) has a first semiconductor switch (11-13; H1, H11, H21) interposed between the AC voltage terminal (WA) and a first potential of the DC terminal (GA). A second semiconductor switch (S1; H3, H13, H23) of the power driver (LS) is antiserially connected to the at least one first semiconductor switch (11-13; H1-H21) and to the first potential (P; EA1) of the DC terminal. The controller (C; C1, C2) has a separation signal input (FE). The controller (C; C1, C2) opens the first and the second semiconductor switch when a disconnect signal occurs. A method for disconnecting an electric machine (EM) from an electrical energy store (ES) is also described, in which a disconnect signal is applied First and one (this antiparallel connected) second semiconductor switch (11-13, H1, H11, H21) is opened.
Description
Es ist bekannt, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb auszustatten, wobei ein elektrischer Energiespeicher in Form eines Akkumulators die Energie zum Betrieb des elektrischen Antriebs liefert. Zum Vortrieb eines Fahrzeugs sind relativ hohe Leistungen erforderlich, sodass auch der Antrieb gemäß dieser Leistung ausgelegt sein muss. Um den Leiterdurchmesser und auch den zu steuernden Strom bei gleicher (hoher) Leistung zu reduzieren, werden relativ hohe Betriebsspannungen für elektrische Antriebe und deren Energiespeicher verwendet. Beispielsweise können hier Spannungsniveaus von mehr als 300 Volt auftreten, insbesondere von mehr als 350 Volt, beispielsweise 400 Volt oder auch 600 Volt oder 800 Volt.It is known to equip a vehicle with an electric drive, wherein an electrical energy store in the form of a rechargeable battery supplies the energy for operating the electric drive. To drive a vehicle relatively high power levels are required, so that the drive must be designed according to this power. In order to reduce the conductor diameter and the current to be controlled with the same (high) power, relatively high operating voltages for electric drives and their energy storage are used. For example, voltage levels of more than 300 volts may occur here, in particular more than 350 volts, for example 400 volts or even 600 volts or 800 volts.
Da diesen hohen Spannungen ein hohes Sicherheitsrisiko darstellen, muss darauf geachtet werden, dass etwa bei Wartung oder im Falle eines Unfalls die Berührspannung ungefährlich ist. Um dies zu erreichen, werden üblicherweise Schütze verwendet, das heißt elektromechanische Schalter, welche den Energiespeicher von dem Rest des Fahrzeugbordnetzes abtrennen.Since these high voltages pose a high safety risk, care must be taken that the contact voltage is harmless, for example during maintenance or in the case of an accident. To achieve this, contactors are usually used, that is, electromechanical switches, which separate the energy storage from the rest of the vehicle electrical system.
Derartige elektromechanische Schalter müssen für hohe Halteströme (entsprechend der maximalen Traktionsleistung) und insbesondere auch für hohe Schaltleistungen ausgelegt sein, um zuverlässig zu schalten, um den Stromfluss zu unterbrechen. Dies ist mit hohen Kosten verbunden, auch wenn die Schaltereignisse selten sind und sich auf Wartung oder Unfall beschränken.Such electromechanical switches must be designed for high holding currents (corresponding to the maximum traction power) and, in particular, for high switching powers in order to switch reliably in order to interrupt the flow of current. This is associated with high costs, even if the switching events are rare and limited to maintenance or accident.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich insbesondere der Kostenaufwand für die Realisierung eines zuverlässigen Abtrennvorgangs reduzieren lässt.It is an object of the invention to show a possibility with which, in particular, the cost of implementing a reliable separation process can be reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leistungsansteuervorrichtung und durch das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit der Beschreibung und den beigefügten Figuren.This object is achieved by the power drive device and by the method according to the independent claims. Further embodiments, features, properties and advantages will become apparent from the description and the attached figures.
Es wird vorgeschlagen, zum Abtrennen des elektrischen Energiespeichers Halbleiterschalter zu verwenden, die bereits Funktionen eines Inverters und/oder eines Gleichspannungswandlers ausführen. Dadurch kann zumindest ein Potential des Energiespeichers abgetrennt werden, ohne dass ein elektromechanischer Trennschalter (zur Abtrennung dieses Potentials) nötig wäre. Es kann zumindest einer der beiden Trennschalter (ein Trennschalter pro Potential des Energiespeichers) eingespart werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen (bezogen auf den Energiespeicher) zu unterbinden, werden zwei Halbleiterschalter geöffnet, die zueinander antiseriell angeordnet sind, wenn ein Fehlersignal vorliegt. Beide Halbleiterschalter sind Teil eines Inverters oder Teil eines Inverters und eines Gleichspannungswandlers. Die beiden Halbleiterschalter (d.h. der erste und der zweite Halbleiterschalter) folgen zwischen einem Wechselstromanschluss und einem Gleichstromanschluss der Leistungssteuervorrichtung antiseriell (direkt oder indirekt) aufeinander. In einem Strompfad, der von dem Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss führt, sind die beiden Halbleiterschalter (d.h. der erste und der zweite Halbleiterschalter) nacheinander geschaltet und sind zueinander antiseriell. Mit anderen Worten sind die Arbeitsrichtungen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters, in denen diese durch äußere Signale steuerbar sind, entgegengesetzt zueinander, wobei die Arbeitsrichtungen in einem Strompfad betrachtet werden, der von dem Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss führt.It is proposed to use for the separation of the electrical energy storage semiconductor switches, which already perform functions of an inverter and / or a DC-DC converter. As a result, at least one potential of the energy store can be disconnected without the need for an electromechanical disconnecting switch (for separating this potential). It can be saved at least one of the two circuit breakers (one disconnector per potential of the energy storage). In order to prevent a current flow in both directions (with respect to the energy storage), two semiconductor switches are opened, which are arranged antiserially to each other when an error signal is present. Both semiconductor switches are part of an inverter or part of an inverter and a DC-DC converter. The two semiconductor switches (i.e., the first and second semiconductor switches) antiserially (directly or indirectly) between an AC terminal and a DC terminal of the power control device. In a current path leading from the AC terminal to the DC terminal, the two semiconductor switches (i.e., the first and second semiconductor switches) are sequentially switched and antiseries to each other. In other words, the operating directions of the first and second semiconductor switches, in which they are controllable by external signals, are opposite to one another, the working directions being viewed in a current path leading from the AC connection to the DC connection.
Es können beide (d.h. der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite) der antiseriell geschalteten Halbleiterschalter Teil der Brückenschaltung eines Inverters sein, oder es kann einer dieser beiden Halbleiterschalter (nämlich der mindestens eine erste Halbleiterschalter) Teil der Brückenschaltung des Inverters sein, und der mindestens eine andere Halbleiterschalter (nämlich der zweite) kann Teil eines Gleichspannungswandlers sein. Ein derartiger Gleichspannungswandler kann etwa zwischen dem Energiespeicher und dem Inverter angeschlossen sein, etwa um die Betriebsspannung des Inverters auf ein gewünschtes Niveau zu bringen oder konstant zu halten.Both (ie the at least one first and the at least one second) of the anti-serially connected semiconductor switch may be part of the bridge circuit of an inverter, or one of these two semiconductor switches (namely the at least one first semiconductor switch) may be part of the bridge circuit of the inverter, and at least one other semiconductor switch (namely, the second) may be part of a DC-DC converter. Such a DC-DC converter can be connected approximately between the energy store and the inverter, for example to bring the operating voltage of the inverter to a desired level or to keep constant.
Es wird eine Leistungsansteuervorrichtung für eine elektrische Maschine beschrieben. Insbesondere betrifft dies eine Leistungsansteuervorrichtung in einem Fahrzeugbordnetz. Die elektrische Maschine kann eine elektrische Maschine eines Traktionsantriebs, eines Startergenerators oder einer anderen Komponente sein, beispielsweise eines elektrischen Klimakompressors. Die Leistungsansteuervorrichtung weist einen Gleichspannungsanschluss und einen Inverter auf. Der Inverter ist zwischen dem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss der Leistungsansteuervorrichtung vorgesehen. Der Wechselspannungsanschluss ist zum Anschluss der elektrischen Maschine vorgesehen. Die Leistungsansteuervorrichtung ist dahingehend für eine elektrische Maschine vorgesehen, dass die Leistungsansteuervorrichtung einen Inverter aufweist, der an dem Wechselspannungsanschluss einen Drehstrom abgeben (oder auch aufnehmen) kann. Der Inverter weist eine Halbleiter-Brückenschaltung auf. Der Inverter ist uni- oder bidirektional und ist insbesondere eingerichtet, aus Gleichspannung, die an dem Gleichspannungsanschluss bzw. an einer Gleichspannungsseite des Inverters anliegt, eine Wechselspannung, insbesondere einen Drehstrom, am Wechselspannungsanschluss zu erzeugen. Hierzu werden die einzelnen Halbleiterschalter der Halbleiter-Brückenschaltung in bekannter Weise gezielt angesteuert.A power driving apparatus for an electric machine will be described. In particular, this relates to a power control device in a vehicle electrical system. The electric machine may be an electric machine of a traction drive, a starter generator or other component, such as an electric air conditioning compressor. The power drive device has a DC voltage terminal and an inverter. The inverter is provided between the DC voltage terminal and an AC terminal of the power driving device. The AC voltage connection is intended for connection of the electrical machine. The power driving device is provided for an electric machine such that the power driving device has an inverter capable of outputting (or also picking up) three-phase current at the AC power terminal. The inverter has a semiconductor bridge circuit. The inverter is unidirectional or bidirectional and is in particular arranged, from DC voltage, at the DC voltage connection or at a DC voltage side of the inverter is applied to generate an AC voltage, in particular a three-phase current, at the AC voltage terminal. For this purpose, the individual semiconductor switches of the semiconductor bridge circuit are selectively controlled in a known manner.
Die Leistungsansteuervorrichtung umfasst mindestens eine Steuerung. Diese ist ansteuernd mit der Halbleiter-Brückenschaltung verbunden, insbesondere mit deren Halbleiterschaltern. Die Steuerung weist einen Trennsignaleingang auf, an dem ein Trennsignal empfangen werden kann, wobei die Steuerung eingerichtet ist, bei Empfang eines Trennsignals den mindestens einen ersten und den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zu öffnen. Die Steuerung (oder eine andere Steuerung) ist, zusammen mit der Halbleiter-Brückenschaltung eingerichtet, eine Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss in einen Drehstrom zur Abgabe an den Wechselspannungsanschluss zu wandeln. Der Inverter kann direkt mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sein, das heißt ohne die Änderung des Spannungsniveaus, oder der Inverter kann indirekt, insbesondere über einen Gleichspannungswandler, mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sein. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, die Halbleiter-Brückenschaltung anzusteuern, eine Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss in einen Drehstrom zur Abgabe an dem Wechselspannungsanschluss zu wandeln. Diese Funktion kann jedoch auch in einer anderen Steuerung realisiert sein, die vorzugsweise mit der Steuerung eingerichtet zum Öffnen von Halbleiterschaltern bei Auftreten eines Trennsignals verbunden ist, oder über eine gemeinsame (übergeordnete) Steuereinheit mit dieser abgestimmt arbeitet.The power drive device includes at least one controller. This is drivingly connected to the semiconductor bridge circuit, in particular with their semiconductor switches. The controller has a disconnect signal input to which a disconnect signal may be received, the controller configured to open the at least one first and the at least one second semiconductor switch upon receiving a disconnect signal. The controller (or other controller), along with the semiconductor bridge circuit, is configured to convert a DC voltage at the DC voltage terminal into a three-phase current for delivery to the AC voltage terminal. The inverter can be connected directly to the DC voltage connection, that is to say without the change in the voltage level, or the inverter can be connected to the DC voltage connection indirectly, in particular via a DC-DC converter. The controller is preferably configured to drive the semiconductor bridge circuit to convert a DC voltage at the DC voltage terminal into a three-phase current for delivery to the AC voltage terminal. However, this function can also be implemented in another controller, which is preferably connected to the controller for opening semiconductor switches when a disconnect signal occurs, or via a common control unit (control unit).
Die Halbleiter-Brückenschaltung weist mindestens einen ersten Halbleiterschalter auf, der zwischen dem Wechselspannungsanschluss und einem ersten Potential des Gleichspannungsanschluss anliegt. Mit anderen Worten ist der mindestens eine erste Halbleiterschalter zwischen dem Wechselspannungsanschluss und einer Potentialschiene, welche das erste Potential aufweist, angeschlossen. Mindestens ein zweiter Halbleiterschalter der Leistungsansteuervorrichtung ist antiseriell zu dem mindestens einen ersten Halbleiterschalter angeschlossen. Der erste und der zweite Halbleiterschalter sind zwischen dem Gleichspannungsanschluss und den Wechselspannungsanschluss parallel nacheinander geschaltet (direkt oder indirekt über ein weiteres Bauelement, etwa über eine Induktivität). Der mindestens eine zweite Halbleiterschalter ist an das erste Potential (das heißt an eine erste Potentialschiene) des Gleichspannungsanschlusses angeschlossen. Der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter sind in Serie zwischen dem Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss vorgesehen.The semiconductor bridge circuit has at least one first semiconductor switch, which is connected between the AC voltage terminal and a first potential of the DC voltage terminal. In other words, the at least one first semiconductor switch is connected between the AC voltage terminal and a potential rail having the first potential. At least one second semiconductor switch of the power drive device is connected in antiseries to the at least one first semiconductor switch. The first and the second semiconductor switches are connected in parallel succession between the DC voltage connection and the AC voltage connection (directly or indirectly via a further component, for example via an inductance). The at least one second semiconductor switch is connected to the first potential (that is, to a first potential rail) of the DC voltage terminal. The at least one first and the at least one second semiconductor switch are provided in series between the DC voltage terminal and the AC voltage terminal.
Die Steuerung weist einen Trennsignaleingang auf. Dieser ist eingerichtet, ein Trennsignal zu empfangen. Das Trennsignal entspricht einem Fehlersignal, welches einen Fehler wiedergibt, der das Abtrennen der elektrischen Maschine erfordert. Die Steuerung ist eingerichtet, den mindestens einen ersten Halbleiterschalter sowie den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zu öffnen, wenn das Trennsignal auftritt. Das Trennsignal kann beispielsweise durch einen bestimmten Pegel oder durch eine bestimmte Signalfolge wiedergegeben sein. Die Steuerung kann aus einem oder mehreren einzelnen Steuerelementen zusammengesetzt sein, wobei jedes Steuerelement einen derartigen Trennsignaleingang aufweist. Insbesondere dann, wenn der mindestens eine erste Halbleiterschalter in einer anderen Brückenschaltung bzw. an einer anderen Komponente vorgesehen ist als der mindestens eine zweite Halbleiterschalter, dann können mehrere Steuerungselement vorliegen (vorzugsweise jeweils eines pro Komponente), welches jeweils einen entsprechenden Trennsignaleingang aufweisen. Es kann zudem eine übergeordnete Steuerungseinheit vorgesehen sein, denen die Steuerung oder die Steuerungseinheiten nachgeordnet ist bzw. sind.The controller has a disconnect signal input. This is set up to receive a disconnect signal. The isolation signal corresponds to an error signal representing an error requiring the disconnection of the electric machine. The controller is configured to open the at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch when the isolation signal occurs. The separation signal can be reproduced, for example, by a certain level or by a specific signal sequence. The controller may be composed of one or more individual controls, each controller having such a separator signal input. In particular, if the at least one first semiconductor switch is provided in a different bridge circuit or on a different component than the at least one second semiconductor switch, then a plurality of control elements may be present (preferably one per component), which each have a corresponding isolating signal input. In addition, a higher-level control unit may be provided, to which the control or the control units are or are arranged downstream.
Eine erste Möglichkeit ist es, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter in der gleichen Komponente vorgesehen sind (und insbesondere eingerichtet sind, gemeinsam eine Funktion zu realisieren). Daher kann der mindestens eine erste Halbleiterschalter sowie der mindestens eine zweite Halbleiterschalter Teil der Halbleiter-Brückenschaltung sein bzw. jeweils Teil des Inverters sein. Die Halbleiter-Brückenschaltung weist daher mindestens zwei Halbleiterschalter auf, die zueinander antiseriell zwischen Wechselspannungsanschluss und Gleichspannungsanschluss geschaltet sind. Die Halbleiterschalter sind insbesondere durch externe Signale ansteuerbare Schalter. Die Halbleiterschalter sind insbesondere eingerichtet, Strom in einer Durchflussrichtung gemäß einem Signal an einem Steuereingang zu steuern (insbesondere zu schalten). Der Halbleiterschalter kann ferner in einer entgegengesetzten Stromflussrichtung nicht in der Lage sein, den Stromfluss gemäß einem externen Steuersignal zu steuern, insbesondere dann, wenn der Halbleiterschalter Inversdioden bzw. Bodydioden aufweist, die das betreffende Schaltelement entgegen der Durchflussrichtung (im steuerbaren Betrieb) überbrücken. Dies ist beispielsweise der Fall bei Feldeffekttransistoren wie MOSFETs und IGBTs. Als Halbleiterschalter der hier erwähnten Leistungsansteuervorrichtung (und des hier erwähnten Verfahrens) werden somit vorzugsweise Feldeffekttransistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu unterbinden, ist vorgesehen, dass mindestens ein erster und mindestens ein zweiter Halbleiterschalter vorgesehen ist, die in Reihe geschaltet sind, jedoch in ihrer Arbeitsrichtung (in der eine Steuerung des Stromflusses mittels äußerer Signale möglich ist) zueinander entgegengesetzt sind. Mit anderen Worten kann die Richtung Source-Drain bzw. die Richtung Kollektor-Emitter des ersten und des zweiten Halbleiterschalters zueinander entgegengesetzt sein. Eine derartige antiserielle Reihenschaltung bezieht sich auf die Betrachtungsweise eines Stromflusses zwischen Wechselspannungsanschluss und Gleichspannungsanschluss.A first possibility is that the at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch are provided in the same component (and in particular are set up to realize a function together). Therefore, the at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch may be part of the semiconductor bridge circuit or each part of the inverter. The semiconductor bridge circuit therefore has at least two semiconductor switches, which are connected in antiseries to one another between the AC voltage connection and the DC voltage connection. The semiconductor switches are in particular switchable by external signals. The semiconductor switches are in particular configured to control (in particular to switch) current in a flow direction in accordance with a signal at a control input. Furthermore, the semiconductor switch may not be able to control the current flow in accordance with an external control signal in an opposite current flow direction, in particular if the semiconductor switch has inverse diodes or body diodes which bridge the relevant switching element counter to the direction of flow (in controllable operation). This is the case, for example, with field-effect transistors such as MOSFETs and IGBTs. As a semiconductor switch of the power drive device mentioned here (and the method mentioned here) are thus preferably field effect transistors such as MOSFETs or IGBTs. In order to prevent a current flow in both directions, it is provided that at least one first and at least one second semiconductor switch is provided, which are connected in series, However, in their working direction (in which a control of the flow of current by means of external signals is possible) are opposite to each other. In other words, the direction of the source-drain or the direction of the collector-emitter of the first and the second semiconductor switch may be opposite to each other. Such an antiserial series circuit relates to the view of a current flow between AC voltage terminal and DC voltage terminal.
Die Halbleiter-Brückenschaltung ist insbesondere eine H-Brückenschaltung. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter sowie der mindestens eine zweite Halbleiterschalter sind Teil dieser H-Brückenschaltung. Auf diese Weise kann nur eine Steuerung vorgesehen sein, nämlich die, welche die Halbleiterschalter der H-Brückenschaltung steuert, und die ferner einen Trennsignaleingang aufweist, wie er hierin beschrieben ist. Dadurch erhalten der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter eine weitere Funktion, nämlich die Funktion der Abtrennung der elektrischen Maschine von dem Energiespeicher bzw. von dem Gleichspannungsanschluss, neben der üblichen Funktion des Inverters, aus der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss einen Drehstrom am Wechselspannungsanschluss zu erzeugen.The semiconductor bridge circuit is in particular an H-bridge circuit. The at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch are part of this H-bridge circuit. In this way, only one control can be provided, namely that which controls the semiconductor switches of the H-bridge circuit, and which further comprises a separation signal input as described herein. As a result, the at least one first and the at least one second semiconductor switch receive a further function, namely the function of disconnecting the electrical machine from the energy store or from the DC voltage connection, in addition to the usual function of the inverter, from the DC voltage at the DC voltage connection to a three-phase current at the AC voltage connection produce.
Eine H-Brückenschaltung umfasst für jede Phase des Wechselspannungsanschlusses jeweils zwei Serienschaltungen bzw. Äste. Jede Serienschaltung umfasst zwei seriell zueinander angeschlossene Halbleiterschalter, die sich insbesondere zwischen den beiden Versorgungspotentialen des Gleichspannungsanschlusses (etwa Masse und ein positives Versorgungspotential) erstrecken. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter sowie der mindestens eine zweite Halbleiterschalter gehören der gleichen Phase an und sind hierbei unterschiedlichen Serienschaltungen (der gleichen Phase) zugeordnet. Der erste und der zweite Halbleiterschalter sind mit dem gleichen Versorgungspotential verbunden, insbesondere mit dem positiven Versorgungspotential des Inverters.An H-bridge circuit comprises two series circuits or branches for each phase of the AC voltage connection. Each series circuit comprises two semiconductor switches connected in series with one another, which extend in particular between the two supply potentials of the DC voltage connection (for example ground and a positive supply potential). The at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch belong to the same phase and in this case are assigned to different series circuits (of the same phase). The first and the second semiconductor switch are connected to the same supply potential, in particular to the positive supply potential of the inverter.
Der Wechselspannungsanschluss weist mehrere Phasen auf, wobei jede Phase mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern angeschlossen ist. Die H-Brückenschaltung umfasst für jede Phase eine Vollbrückenschaltung, wobei die Brücke zwischen den beiden Ästen (welche von jeweils zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern vorgesehen sind) jeweils von einer Induktivität gebildet wird. Einer der beiden Äste ist den Gleichspannungsanschluss (direkt oder indirekt über einen Gleichspannungswandler) angeschlossen, während die jeweils andere Serienschaltung der gleichen Phase mit einer Phase des Wechselspannungsanschlusses (bzw. der elektrischen Maschine) verbunden ist. Insbesondere sind hier für eine Phase, für mehrere Phasen oder für alle Phasen der erste und der zweite Halbleiterschalter in Serie geschaltet, insbesondere über die Induktivität bzw. über die Brücke, welche die beiden Äste der H-Brückenschaltung verbindet.The AC voltage terminal has a plurality of phases, each phase being connected to a connection point between two series-connected semiconductor switches. The H-bridge circuit comprises a full-bridge circuit for each phase, the bridge between the two branches (which are each provided by two series-connected semiconductor switches) each formed by an inductance. One of the two branches is connected to the DC voltage connection (directly or indirectly via a DC-DC converter), while the other series connection of the same phase is connected to one phase of the AC voltage connection (or the electrical machine). In particular, the first and the second semiconductor switch are connected in series here for one phase, for several phases or for all phases, in particular via the inductor or via the bridge, which connects the two branches of the H bridge circuit.
Eine weitere Möglichkeit ist es, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter Teil des Inverters bzw. der Halbleiter-Brückenschaltung ist, und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter einer anderen Komponente (und insbesondere einer anderen Funktion) angehört, und beispielsweise Teil eines Gleichspannungswandlers ist. Daher kann die Leistungsansteuervorrichtung eine weitere Komponente umfassen, insbesondere in Form eines Gleichspannungswandlers, wobei diese Komponente zwischen dem Gleichspannungseingang (zum Anschluss des Energiespeichers) und dem Inverter in Reihe geschaltet ist. Der Gleichspannungswandler bzw. diese Komponente weist Halbleiterschalter auf, von denen zumindest einer den zweiten Halbleiterschalter ausbildet. Mit anderen Worten ist der mindestens eine zweite Halbleiterschalter Teil des Gleichspannungswandlers bzw. dieser Komponente. Der erste Halbleiterschalter ist Teil der Halbleiterbrückenschaltung bzw. Teil des Inverters. Der Gleichspannungswandler ist insbesondere ein Synchronwandler mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern. Die Enden der so gebildeten Reihenschaltung sind an den Inverter bzw. an dessen Gleichspannungsseite angeschlossen.Another possibility is that the at least one first semiconductor switch is part of the inverter or the semiconductor bridge circuit, and the at least one second semiconductor switch of another component (and in particular another function) belongs, and for example part of a DC-DC converter. Therefore, the power drive device may comprise a further component, in particular in the form of a DC-DC converter, wherein this component is connected in series between the DC voltage input (for connection of the energy storage device) and the inverter. The DC-DC converter or this component has semiconductor switches, of which at least one forms the second semiconductor switch. In other words, the at least one second semiconductor switch is part of the DC-DC converter or this component. The first semiconductor switch is part of the semiconductor bridge circuit or part of the inverter. The DC-DC converter is in particular a synchronous converter with two series-connected semiconductor switches. The ends of the series circuit formed in this way are connected to the inverter or to its DC side.
Der Gleichspannungswandler weist ferner einen Energiespeicher auf, etwa in Form einer Induktivität oder eines Kondensators. Insbesondere kann eine Induktivität des Gleichspannungswandlers zwischen dem ersten Potential bzw. dem Gleichspannungsanschluss der Leistungsansteuervorrichtung und dem Verknüpfungspunkt der beiden Halbleiterschalter angeschlossen sein, die wie erwähnt in Reihe geschaltet sind. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die sowohl die Komponente bzw. den Gleichspannungswandler als auch den Inverter ansteuert, und die ferner einen Trennsignaleingang aufweist. Eine derartige Steuerung ist eingerichtet, bei Empfang eines Trennsignals bzw. eines Fehlersignals sowohl mindestens einen ersten als auch den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zu öffnen. Ferner kann eine erste Steuerung vorgesehen sein, die die Halbleiterschalter bzw. die Brückenschaltung des Inverters ansteuert, und es kann eine zweite Steuerung vorgesehen sein, die die Halbleiterschalter des Gleichspannungswandlers bzw. der Komponente ansteuert. Beide Steuerungen weisen vorzugsweise jeweils einen Trennsignaleingang auf. Beide Steuerungen sind eingerichtet, bei Empfang eines Trennsignals bzw. eines Fehlersignals die betreffenden Halbleiterschalter zu öffnen. Die erste Komponente ist eingerichtet, den mindestens einen ersten Halbleiterschalter zu öffnen, wenn ein Trennsignal empfangen wird. Die zweite Steuerung ist eingerichtet, den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zu öffnen, wenn ein Trennsignal empfangen wird.The DC-DC converter also has an energy store, for example in the form of an inductance or a capacitor. In particular, an inductance of the DC-DC converter between the first potential or the DC voltage terminal of the power drive device and the node of the two semiconductor switches may be connected, which are connected in series as mentioned. There may be provided a controller which drives both the component or the DC-DC converter and the inverter, and further comprising a separation signal input. Such a controller is set up to open both at least one first and the at least one second semiconductor switch when a disconnect signal or an error signal is received. Furthermore, a first control can be provided, which drives the semiconductor switches or the bridge circuit of the inverter, and a second control can be provided, which drives the semiconductor switches of the DC-DC converter or the component. Both controllers preferably each have a separation signal input. Both controllers are set up to open the respective semiconductor switches upon receipt of a disconnect signal or an error signal. The first component is set up to open at least a first semiconductor switch when a disconnect signal is received. The second controller is configured to open the at least one second semiconductor switch when a disconnect signal is received.
Schließlich kann eine übergeordnete Steuereinheit vorgesehen sein, sowie eine erste und eine zweite Steuerung, wobei die erste Steuerung die Halbleiterschalter der Komponente bzw. des Gleichspannungswandlers ansteuert und die zweite Steuerung die Halbleiterschalter des Inverters bzw. dessen Brückenschaltung ansteuert. Die erste und die zweite Steuerung sind der übergeordneten Steuerungseinheit nachgeschaltet. Die übergeordnete Steuereinheit kann ein Trennsignaleingang aufweisen. Die übergeordnete Steuerung ist ansteuernd mit der ersten und der zweiten Steuerung verbunden. Die erste und die zweite Steuerung sowie die übergeordnete Steuerungseinheit sind eingerichtet, bei Empfang eines Fehlersignals oder Trennsignals (insbesondere am Trennsignaleingang der übergeordneten Steuerungseinheit) den mindestens einen ersten Halbleiterschalter und den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zu öffnen.Finally, a higher-level control unit may be provided, as well as a first and a second controller, wherein the first controller controls the semiconductor switches of the component or the DC-DC converter and the second controller controls the semiconductor switches of the inverter or its bridge circuit. The first and the second controller are connected downstream of the higher-level control unit. The higher-level control unit can have a separation signal input. The higher-level controller is drivingly connected to the first and the second controller. The first and the second controller and the higher-order control unit are set up to receive the at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch upon receipt of an error signal or separation signal (in particular at the isolating signal input of the higher-order control unit).
Die Halbleiter-Brückenschaltung (des Inverters) kann eine voll gesteuerter Drehstrombrückenschaltung sein. Hierbei ist für jede Phase vorgesehen, dass zwei Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind und an den Gleichspannungsanschluss angeschlossen sind. Die Wechselspannungsanschlüsse entsprechen den Verbindungspunkten zwischen den Halbleiterschaltern. Insbesondere ist die Halbleiter-Brückenschaltung eine B6C-Drücke oder allgemein eine BnC-Brücke, wobei n die Anzahl der Phasen multipliziert mit zwei wiedergibt. Der Großbuchstabe C in dieser Abkürzung gibt wieder, dass die Schaltelemente der Brückenschaltung durch Signale von außen gesteuert werden können. Auch hier sind die Halbleiterschalter vorzugsweise Feldeffekttransistoren wie MOSFETs oder sind IGBTs. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter ist zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Wechselspannungsanschluss angeschlossen. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter ist somit ein Schalter der Serienschaltung zweier Schalter, die einen Ast bzw. eine Phase der Vollbrückenschaltung ausmacht. Der mindestens eine zweite Halbleiterschalter ist ein Teil des Gleichspannungswandlers bzw. einer Komponente, die zwischen der Halbleiter-Brückenschaltung des Inverters und dem Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist. Insbesondere ist der mindestens eine zweite Halbleiterschalter über das Speicherelement (des Gleichspannungswandlers, der die Komponente ausbildet) mit dem ersten Potential verbunden. Das Speicherelement ist insbesondere eine Induktivität, über die die Halbleiterschalter des Gleichspannungswandlers mit dem ersten Potential verbunden sind.The semiconductor bridge circuit (of the inverter) may be a fully controlled three-phase bridge circuit. In this case, it is provided for each phase that two semiconductor switches are connected in series and are connected to the DC voltage connection. The AC voltage terminals correspond to the connection points between the semiconductor switches. In particular, the semiconductor bridge circuit is a B6C pressure or generally a BnC bridge, where n represents the number of phases multiplied by two. The capital letter C in this abbreviation again states that the switching elements of the bridge circuit can be controlled by external signals. Again, the semiconductor switches are preferably field effect transistors such as MOSFETs or IGBTs. The at least one first semiconductor switch is connected between the DC-DC converter and the AC voltage connection. The at least one first semiconductor switch is thus a switch of the series connection of two switches, which constitutes a branch or a phase of the full-bridge circuit. The at least one second semiconductor switch is a part of the DC-DC converter or a component which is connected between the semiconductor bridge circuit of the inverter and the DC voltage connection. In particular, the at least one second semiconductor switch is connected to the first potential via the memory element (of the DC-DC converter which forms the component). The memory element is in particular an inductance, via which the semiconductor switches of the DC-DC converter are connected to the first potential.
Das erste Potential ist insbesondere das positive Potential des Energiespeichers (welcher den Inverter speist). Als zweites Potential des Gleichspannungsanschlusses kann insbesondere die Masse verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Masseanschluss des Energiespeichers und dem Inverter (insbesondere zwischen dem Energiespeicheranschluss und dem Gleichspannungswandler, falls dieser vorhanden ist) durch ein elektromechanisches oder anderweitiges Element unterbrochen ist. Es kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Steuerungen oder die übergeordnete Steuerungseinheit diesen Trennschalter im zweiten Potential (der Masseanschluss des Energiespeichers nachgeschaltet) bei Empfang eines entsprechenden Trennsignals oder Fehlersignals öffnet, vorzugsweise gleichzeitig mit der Öffnung des ersten und des zweiten Halbleiterelements. Der Energiespeicher ist vorzugsweise ein Hochvolt-Energiespeicher mit einer Betriebsspannung von über 60 Volt, insbesondere über 120 Volt und vorzugsweise über 300 oder 360 Volt. Beispielsweise kann die Betriebsspannung des Energiespeichers 400 Volt, 600 Volt oder auch 800 Volt betragen. Der Energiespeicher ist beispielsweise eine Lithium basierte Batterie mit mehreren, in Serie geschalteten galvanischen Zellen (basierend auf Lithium Technologie). Der Energiespeicher ist insbesondere ein Traktionsspeicher des Fahrzeugbordnetzes.The first potential is in particular the positive potential of the energy store (which feeds the inverter). In particular, the mass can be used as the second potential of the DC voltage connection. It may be provided that there is an interruption between an electromechanical or other element between the ground connection of the energy store and the inverter (in particular between the energy store connection and the DC-DC converter, if present). It can be provided that at least one of the controls or the higher-level control unit opens this disconnect switch in the second potential (the ground terminal of the energy store downstream) upon receipt of a corresponding disconnect signal or error signal, preferably simultaneously with the opening of the first and second semiconductor elements. The energy store is preferably a high-voltage energy store with an operating voltage of more than 60 volts, in particular more than 120 volts and preferably more than 300 or 360 volts. For example, the operating voltage of the energy storage 400 volts, 600 volts or even 800 volts. The energy store is, for example, a lithium-based battery with several series-connected galvanic cells (based on lithium technology). The energy storage is in particular a traction storage of the vehicle electrical system.
Die Steuerung, die Steuerungen bzw. die übergeordnete Steuerungseinheit kann ferner eingerichtet sein, den mindestens einen ersten und den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter dauerhaft zu öffnen, insbesondere bis ein Rücksetzsignal vorliegt. Ferner können diese Steuerungselemente der Leistungsansteuervorrichtung eingerichtet sein, den mindestens einen ersten und den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter mit offenem Zustand anzusteuern, nachdem ein Trennsignal aufgetreten ist, insbesondere bis ein Rücksetzsignal empfangen wird. Das Fehler- oder Trennsignal kann von einem Bodycontroller vorgesehen sein oder von einer Sicherheitseinrichtung, die eingerichtet ist, einen Wartungszustand zu erkennen und/oder die eingerichtet ist, einen Unfall oder einen drohenden Unfall zu erfassen. Es kann eine (oder mehrere) Steuerung vorgesehen sein, die die Halbleiterschalter des Inverters zur Wandlung von Wechselspannung in Gleichspannung und/oder die Halbleiterschalter des Gleichspannungswandlers zur Wandlung von Gleichspannung in Gleichspannung (anderer Höhe) ansteuert. Es kann mindestens eine weitere Steuerung vorgesehen sein, die den mindestens einen ersten und/oder den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter zum Öffnen ansteuert, wenn ein Trennsignal empfangen wurde. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Steuerung, welche die Funktion des Wandelns steuert, auch den ersten und/oder zweiten Halbleiterschalter öffnet, wenn ein Trennsignal empfangen wird. Während die bei Empfang eines Trennsignals zu öffnenden Halbleiterschalter Teil des Inverters sind und gegebenenfalls auch Teil eines Gleichspannungswandlers, kann vorgesehen sein, dass die betreffenden Steuerungen hinsichtlich dieser Funktionen (Wandeln und Trennen) getrennt sind.The controller, the controllers or the higher-order control unit can furthermore be designed to permanently open the at least one first and the at least one second semiconductor switch, in particular until a reset signal is present. Further, these control elements of the power drive device may be configured to drive the at least one first and the at least one second semiconductor switch with an open state after a disconnect signal has occurred, in particular until a reset signal is received. The error or disconnect signal may be provided by a body controller or by a safety device configured to detect a maintenance condition and / or configured to detect an accident or imminent accident. It can be provided (or more) control, which drives the semiconductor switch of the inverter for converting AC voltage into DC voltage and / or the semiconductor switch of the DC-DC converter for converting DC voltage into DC voltage (other height). At least one further control may be provided, which activates the at least one first and / or the at least one second semiconductor switch for opening when a disconnection signal has been received. However, it can also be provided that the at least one controller, which controls the function of the conversion, also opens the first and / or second semiconductor switch, if one Isolation signal is received. While the semiconductor switches to be opened upon receipt of a disconnect signal are part of the inverter and possibly also part of a DC-DC converter, it may be provided that the respective controllers are separated with respect to these functions (converting and disconnecting).
Wie erwähnt sind der mindestens eine erste Halbleiterschalter und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter Transistoren, welche eine Body-Diode bzw. Inversdiode aufweisen. Dies ist insbesondere bei Feldeffekttransistoren durch die Struktur des Halbleiterschalters bedingt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine Diode als diskretes Bauelement antiparallel zu einem Halbleiterschalter geschaltet ist. In diesem Fall wie auch im Falle von Inversdioden ist es möglich, dass bei Stromflüssen entgegengesetzt zur Arbeitsrichtung bzw. üblichen Durchlassrichtung des Halbleiterschalters Strom fließen kann, insbesondere unabhängig von einer äußeren Ansteuerung. Um zu vermeiden, dass entgegen der Arbeitsrichtung Strom fließt, sind der erste und der zweite Halbleiterschalter zueinander antiseriell geschaltet (vom Gleichstromanschluss in Richtung des Wechselstromanschlusses gesehen).As mentioned, the at least one first semiconductor switch and the at least one second semiconductor switch are transistors which have a body diode or inverse diode. This is due in particular to field effect transistors by the structure of the semiconductor switch. It may further be provided that a diode is connected as a discrete component antiparallel to a semiconductor switch. In this case, as well as in the case of inverse diodes, it is possible for current to flow in the opposite direction to the working direction or the usual forward direction of the semiconductor switch, in particular independently of an external triggering. In order to prevent current from flowing counter to the working direction, the first and the second semiconductor switches are connected in antiseries to one another (viewed from the DC connection in the direction of the AC connection).
Ferner wird ein Verfahren zum Abtrennen einer elektrischen Maschine von einem elektrischen Energiespeicher beschrieben. Zunächst wird ein Trennsignal erfasst. Wenn dieses erfasst wird, wird mindestens ein erster Halbleiterschalter und mindestens ein zweiter Halbleiterschalter geöffnet. Diese sind zueinander antiparallel. Die Halbleiterschalter sind zwischen der elektrischen Maschine bzw. dessen Wechselstromanschluss und einem Gleichspannungsanschluss vorgesehen, insbesondere einem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses. Der Gleichspannungsanschluss und der Wechselspannungsanschluss sind, wie erwähnt, vorzugsweise Anschlüsse einer Leistungsansteuervorrichtung, die zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine vorliegt, um die Leistungszufuhr von der Batterie zu der elektrischen Maschine zu steuern. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter ist Teil eines Inverters, der zwischen dem elektrischen Energiespeicher (bzw. dem Gleichspannungsanschluss) und der elektrischen Maschine (bzw. dem Wechselspannungsanschluss) angeschlossen ist. Ebenso kann auch der mindestens eine zweite Halbleiter Teil eines Inverters sein. Alternativ ist der zweite Halbleiterschalter Teil einer anderen Komponente, die zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine vorgesehen ist, insbesondere einem Gleichspannungswandler. Das Verfahren verwendet hierbei vorzugsweise die Komponenten der Leistungsansteuervorrichtung.Furthermore, a method for separating an electric machine from an electrical energy store is described. First, a separation signal is detected. When detected, at least one first semiconductor switch and at least one second semiconductor switch are opened. These are antiparallel to each other. The semiconductor switches are provided between the electrical machine or its AC connection and a DC voltage connection, in particular a first potential of the DC voltage connection. As mentioned, the DC voltage terminal and the AC voltage terminal are preferably terminals of a power driving device provided between the power storage and the electric machine for controlling the power supply from the battery to the electric machine. The at least one first semiconductor switch is part of an inverter which is connected between the electrical energy store (or the DC voltage connection) and the electrical machine (or the AC voltage connection). Likewise, the at least one second semiconductor may also be part of an inverter. Alternatively, the second semiconductor switch is part of another component which is provided between the energy store and the electrical machine, in particular a DC-DC converter. The method preferably uses the components of the power drive device.
Beim Öffnen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters werden vorzugsweise zwei Halbleiterschalter geöffnet, die Teil einer Halbleiter-Brückenschaltung des Inverters sind. Das Öffnen des ersten und zweiten Halbleiterschalters wird daher umgesetzt, indem mindestens ein erster und mindestens ein zweiter Halbleiterschalter der Halbleiter-Brückenschaltung des Inverters geöffnet wird. In diesem Fall sind der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter Teil des Inverters. Mit anderen Worten werden als erster und zweiter Halbleiterschalter zwei zueinander antiparallele Halbleiterschalter geöffnet, die Teil des Inverters sind. Der Inverter umfasst hierbei insbesondere eine H-Brücke. Ferner sind der erste und der zweite Halbleiterschalter an das gleiche (Gleichspannungs-)potential angeschlossen.When opening the first and the second semiconductor switch, preferably two semiconductor switches are opened, which are part of a semiconductor bridge circuit of the inverter. The opening of the first and second semiconductor switches is therefore implemented by opening at least a first and at least one second semiconductor switch of the semiconductor bridge circuit of the inverter. In this case, the at least one first and the at least one second semiconductor switch are part of the inverter. In other words, as a first and second semiconductor switch two mutually antiparallel semiconductor switches are opened, which are part of the inverter. The inverter in this case comprises in particular an H-bridge. Further, the first and second semiconductor switches are connected to the same (DC) potential.
Alternativ kann das Öffnen des mindestens einen ersten Halbleiterschalters umfassen: Öffnen mindestens einen Halbleiterschalters, der Teil einer Halbleiter-Brückenschaltung des Inverters ist. Diesbezüglich entspricht dies dem vorangehend genannten Verfahren. Das Öffnen des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters umfasst jedoch, dass mindestens ein Halbleiterschalter geöffnet wird, der Teil eines Gleichspannungswandlers ist. Der Gleichspannungswandler ist hierbei zwischen dem Energiespeicher und dem Inverter angeschlossen. Mit anderen Worten wird als erster Halbleiterschalter ein Halbleiterschalter des Inverters geöffnet, und als zweiter Halbleiterschalter wird ein Halbleiterschalter des Gleichspannungswandlers. Die Vorzeichen der Versorgungspotentiale, an denen der erste und der zweite Halbleiterschalter angeschlossen sind, sind identisch. Vorzugsweise werden alle Halbleiterschalter des Inverters als (mehrere) erste Halbleiterschalter geöffnet, die an das gleiche Versorgungspotential angeschlossen sind (d.h. an ein Versorgungspotential mit dem gleichen Vorzeichen wie das Versorgungspotential, an das der zweite Halbleiterschalter angeschlossen ist).Alternatively, the opening of the at least one first semiconductor switch may include: opening at least one semiconductor switch which is part of a semiconductor bridge circuit of the inverter. In this regard, this corresponds to the method mentioned above. The opening of the at least one second semiconductor switch, however, comprises opening at least one semiconductor switch which is part of a DC-DC converter. The DC-DC converter is in this case connected between the energy storage and the inverter. In other words, a semiconductor switch of the inverter is opened as the first semiconductor switch, and as a second semiconductor switch is a semiconductor switch of the DC-DC converter. The signs of the supply potentials to which the first and second semiconductor switches are connected are identical. Preferably, all of the semiconductor switches of the inverter are opened as (multiple) first semiconductor switches connected to the same supply potential (i.e., to a supply potential of the same sign as the supply potential to which the second semiconductor switch is connected).
Während des Betriebs des Gleichspannungswandlers zur Wandlung von Gleichspannung wird derjenige Halbleiterschalter wiederholt geöffnet und geschlossen, der auch bei Auftreten des Trennsignals (dauerhaft) geöffnet wird.During the operation of the DC-DC converter for the conversion of DC voltage that semiconductor switch is repeatedly opened and closed, which is opened (permanently) even when the separation signal.
Das Öffnen des betreffenden Halbleiterschalters nach Empfang bzw. aufgrund des Trennsignals betrifft eine Öffnungsphase, die deutlich länger ist, als die Öffnungsphase eines Halbleiterschalters während des Betriebs des Gleichspannungswandlers. Insbesondere dauert nach Empfang eines Trennsignals der geöffnete Zustand des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters an, bis ein Rücksetzsignal vorliegt.The opening of the respective semiconductor switch after receiving or due to the separation signal relates to an opening phase which is significantly longer than the opening phase of a semiconductor switch during operation of the DC-DC converter. In particular, after receiving a disconnection signal, the open state of the at least one first and the at least one second semiconductor switch lasts until a reset signal is present.
Die
Die
In jedem Ast befindet sich ein Verbindungspunkt A1, A2, A3, an dem die Halbleiterschalter eines Asts miteinander verbunden sind. Die seriell miteinander verbundenen Halbleiterschalter jedes Asts sind an ein positives und ein negatives Versorgungspotential des Inverters IN angeschlossen. Die Verbindungspunkte A1 - A3 werden zu einem Wechselspannungsanschluss WA geführt und entsprechen den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine.In each branch there is a connection point A1, A2, A3, at which the semiconductor switches of a branch are connected to each other. The serially connected semiconductor switches of each branch are connected to a positive and a negative supply potential of the inverter IN. The connection points A1 - A3 are led to an AC voltage connection WA and correspond to the phase connections of the electrical machine.
Ein Gleichspannungswandler DCDC, hier als Synchronwandler dargestellt, umfasst eine Serienschaltung von zwei Halbleiterschaltern S1 und S2. Die Enden dieser Serienschaltung sind mit dem Inverter IN verbunden. Über eine Induktivität IND ist der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern S1 und S2 mit einem ersten Potential P des Energiespeichers ES verbunden. Der Gleichspannungswandler DCDC sowie der Inverter IN sind ferner mit Masse M verbunden, wobei dies auch der Masse des Energiespeichers entspricht, und auch als zweites Potential bezeichnet werden kann.A DC-DC converter DCDC, shown here as a synchronous converter, comprises a series connection of two semiconductor switches S1 and S2. The ends of this series circuit are connected to the inverter IN. Via an inductance IND, the connection point between the two switches S1 and S2 is connected to a first potential P of the energy store ES. The DC-DC converter DCDC and the inverter IN are further connected to ground M, wherein this also corresponds to the mass of the energy store, and may also be referred to as a second potential.
Über einen Wechselspannungsanschluss WA ist die Leistungsansteuervorrichtung LS mit der elektrischen Maschine EM verbunden. Der Inverter ist entweder direkt mit dem ersten Potential P oder, wie dargestellt, über den optionalen Gleichspannungswandler DCDC mit dem Energiespeicher ES verbunden.Via an AC voltage terminal WA, the power drive device LS is connected to the electric machine EM. The inverter is connected either directly to the first potential P or, as shown, via the optional DC-DC converter DCDC to the energy store ES.
In der dargestellten Ausführungsform steuert eine Steuerung C1, die Teil des Inverters, Teil der Leistungsansteuervorrichtung sein kann, oder außerhalb dieser vorgesehen sein kann, die Halbleiterschalter
Eine weitere Steuerung C2 steuert die Schalter S1, S2 des Gleichspannungswandlers DCDC an. Die Steuerung C2 ist eingerichtet, die Schalter zur Wandlung einer Gleichspannung (in eine weitere Gleichspannung) anzusteuern.Another controller C2 controls the switches S1, S2 of the DC-DC converter DCDC. The controller C2 is set up to control the switches for converting a DC voltage (into another DC voltage).
Beide Steuerungen C1 und C2 weisen jeweils einen Trennsignaleingang FE1, FE1' auf, an dem ein Trennsignal bzw. ein Fehlersignal erfasst werden kann. Die Steuerungen C1 und C2 sind eingerichtet, bei Empfang eines derartigen Trennsignals Schalter zu öffnen. Im Falle der Steuerung C1 ist das zumindest der Schalter
Die Steuerung C2 des Gleichspannungswandlers DCDC ist eingerichtet, bei Empfang des Trennsignals den Schalter S1 zu öffnen. Ausgehend von den Wechselspannungsanschluss WA und einem Strompfad zum ersten Potential P folgend sind der Schalter
Die Steuerungen C1 und C2 sind in der dargestellten Ausführungsform eingerichtet, bei Empfang eines derartigen Trennsignals die Halbleiterschalter zu öffnen. Es kann vorgesehen sein, dass für die Funktion des Wandelns für den Inverter IN und den Gleichspannungswandler DCDC mindestens eine Steuerung verwendet wird, während für die Funktion des Öffnens des ersten und zweiten Halbleiterschalters mindestens eine zweite Steuerung verwendet wird (die einen Trennsignaleingang FE und gegebenenfalls auch einen Trennsignaleingang FE‘ umfasst). The controls C1 and C2 are arranged in the illustrated embodiment to open upon receiving such a separation signal, the semiconductor switches. It can be provided that at least one control is used for the function of the conversion for the inverter IN and the DC-DC converter DCDC, while at least one second control is used for the function of opening the first and second semiconductor switches (which includes a separation signal input FE and possibly also a separation signal input FE ').
In der
Auch hier ist ein Energiespeicher ES über die Leistungsansteuervorrichtung mit einer elektrischen Maschine EM verbunden. Hierbei weist die Leistungsansteuervorrichtung LS einen Gleichspannungsanschluss GA, an dem der Energiespeicher angeschlossen ist, sowie einen Wechselspannungsanschluss WA auf, an den die elektrische Maschine EM angeschlossen ist. Auch hier sind die elektrische Maschine EM und auch der Wechselspannungsanschluss WA der Leistungsansteuervorrichtung LS mehrphasig. Es kann ein (optionaler) Gleichspannungswandler DCDC vorgesehen sein, der zwischen dem Gleichspannungsanschluss GA und dem Inverter IN der Leistungsansteuervorrichtung LS angeschlossen ist, oder es kann kein Gleichspannungswandler DCDC vorgesehen sein, wobei dies abhängig von den verwendeten Betriebsspannungen des Energiespeichers und der elektrischen Maschine unterschiedlich realisiert sein kann.Here, too, an energy store ES is connected to an electric machine EM via the power drive device. Here, the power drive LS has a DC voltage terminal GA, to which the energy store is connected, and an AC voltage terminal WA, to which the electric machine EM is connected. Again, the electric machine EM and the AC voltage terminal WA of the Leistungsansteuervorrichtung LS are multi-phase. An (optional) DC-DC converter DCDC may be provided, which is connected between the DC voltage terminal GA and the inverter IN of the power driver LS, or it may be provided no DC-DC converter DCDC, which realized differently depending on the operating voltages used of the energy storage and the electric machine can be.
Der Inverter IS umfasst eine mehrphasige H-Brückenschaltung. Jede Phase der H-Brückenschaltung des Inverters IN umfasst zwei Äste, die jeweils zwei seriell geschaltete Halbleiterschalter umfasst. In jeder Phase der H-Brückenschaltung ist ein Ast bzw. eine Serienschaltung von zwei Halbleiterschaltern mit einem Gleichstrompotential EA1, EA2 des Inverters verbunden (welche den Anschlüssen des Energiespeichers entsprechen können). Mit anderen Worten ist in jeder Phase der H-Brückenschaltung ist ein Ast bzw. eine Serienschaltung von zwei Halbleiterschaltern mit einer Gleichspannungsseite des Inverters IN bzw. mit einem Gleichspannungsanschluss des Inverters verbunden.The inverter IS comprises a multi-phase H bridge circuit. Each phase of the H bridge circuit of the inverter IN comprises two branches, each comprising two series-connected semiconductor switches. In each phase of the H-bridge circuit, a branch or series connection of two semiconductor switches is connected to a DC potential EA1, EA2 of the inverter (which may correspond to the terminals of the energy store). In other words, in each phase of the H bridge circuit, a branch of a pair of semiconductor switches is connected to a DC side of the inverter IN and to a DC terminal of the inverter, respectively.
In jeder Phase ist ein zweiter Ast bzw. eine zweite Serienschaltung zweier Halbleiterschalter mit dem Wechselspannungsanschluss WA verbunden. Die ersten Äste bzw. die erste Serienschaltungen, die mit Gleichspannungspotential GA1, GA2 bzw. mit dem Energiespeicher ES verbunden sind, sind die Halbleiterschalter H1, H2 für die erste Phase, H11, H12 für die zweite Phase und H21, H22 für die dritte Phase. Die somit auf der linken Seite dargestellten Serienschaltungen zweier Halbleiterschalter können als Gleichspannungsseite des Inverters angesehen sein, während die anderen Äste bzw. Serienschaltungen (H3, H4, H13, H14, H23, H24) als Wechselspannungsseite betrachtet werden können.In each phase, a second branch or a second series connection of two semiconductor switches is connected to the AC voltage terminal WA. The first branches or the first series circuits, which are connected to DC potential GA1, GA2 or to the energy store ES, are the semiconductor switches H1, H2 for the first phase, H11, H12 for the second phase and H21, H22 for the third phase , The series circuits of two semiconductor switches thus shown on the left side can be regarded as the DC side of the inverter, while the other branches or series circuits (H3, H4, H13, H14, H23, H24) can be considered as the AC side.
Parallel zu den Ästen der Wechselspannungsseite des Inverters sind Kondensatoren C21, C22 und C23 parallel angeschlossen. Als Brückenelement zwischen den Ästen jeder Phase ist jeweils eine Induktivität L1, L2 und L3 in Serie geschaltet. Bezogen auf die elektrische Maschine ist somit die mehrphasige H-Brückenschaltung seriell zwischen Gleichspannungsanschluss GA und Wechselspannungsanschluss WA angeschlossen.Parallel to the branches of the AC side of the inverter, capacitors C21, C22 and C23 are connected in parallel. As a bridge element between the branches of each phase in each case an inductance L1, L2 and L3 is connected in series. Relative to the electrical machine, the multi-phase H bridge circuit is thus connected in series between the DC voltage connection GA and the AC voltage connection WA.
Eine Steuerung C, die Teil der Leistungsansteuervorrichtung sein kann, ist eingerichtet, im normalen Betrieb die Halbleiterschalter H1 bis H24 anzusteuern, um die Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss GA oder an den Versorgungspotentialen EA1, EA2 in eine Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss WA umzuwandeln. Gegebenenfalls ist die Leistungsansteuervorrichtung auch bidirektional ausgestaltet, sodass die Steuerung C ausgestaltet sein kann, eine Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss WA in eine Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss GA zu wandeln.A controller C, which may be part of the power drive device, is set up to drive the semiconductor switches H1 to H24 in normal operation in order to convert the DC voltage at the DC voltage terminal GA or at the supply potentials EA1, EA2 into an AC voltage at the AC voltage terminal WA. Optionally, the power drive device is also configured bidirectionally, so that the controller C can be configured to convert an AC voltage at the AC voltage terminal WA into a DC voltage at the DC voltage terminal GA.
Die Steuerung C umfasst einen Trennsignaleingang SE, an dem ein Trennsignal empfangen werden kann. Die Steuerung C ist eingerichtet, bei Auftreten eines Fehlersignals oder Trennsignals am Eingang SE die Schalter zu öffnen, die zwischen den Phasenanschlüssen des Wechselspannungsanschlusses WA und dem Gleichspannungsanschluss GA liegen. Für die obere Phase sind dies die Schalter H1 und H3, für die mittlere Phase sind es die Schalter H11 und H13 und für die untere Phase sind es die Schalter H21 und H23. In der dargestellten Ausführungsform sind diejenigen Schalter, welche bei einem Trennsignal geöffnet werden, die Schalter, welche mit dem ersten Potential des Energiespeichers ES verbunden sind, im dargestellten Fall das Potential EA1, welches einem Pluspol entsprechen kann. Es sind auch komplementäre Ausführungsformen denkbar. Ausgehend vom Wechselspannungsanschluss WA zum Gleichspannungsanschluss GA führend sind in jeder Phase die von der Steuerung C geöffneten Schalter antiparallel zueinander. Es ergibt sich eine vollständige Abtrennung zwischen dem Wechselspannungsanschluss WA und dem Gleichspannungsanschluss GA.The controller C comprises a separation signal input SE, at which a separation signal can be received. The controller C is set up to open the switches, which are located between the phase terminals of the AC voltage terminal WA and the DC voltage terminal GA at the occurrence of an error signal or separation signal at the input SE. For the upper phase these are the switches H1 and H3, for the middle phase they are the switches H11 and H13 and for the lower phase they are the switches H21 and H23. In the illustrated embodiment, those switches which are opened at a disconnect signal, the switches which are connected to the first potential of the energy store ES, in the illustrated case, the potential EA1, which may correspond to a positive pole. There are also complementary embodiments conceivable. Starting from the AC voltage connection WA to the DC voltage terminal GA leader in each phase, the switches open by the controller C are anti-parallel to each other. This results in a complete separation between the AC voltage terminal WA and the DC voltage terminal GA.
Alternativ kann eine Steuerung C mit einem Trennsignaleingang FE wie dargestellt vorgesehen sein, die den Schritt des Öffnens realisiert, während eine weitere Steuerung die Halbleiterschalter des Inverters im Normalbetrieb zur Erzeugung eines Drehstroms ansteuert.Alternatively, a controller C may be provided with a disconnect signal input FE as shown, which implements the step of opening, while another controller drives the semiconductor switches of the inverter in normal operation to produce a three-phase current.
Wie auch in
Es sei bemerkt, dass auch in der
In den dargestellten Beispielen der
Wie erwähnt ist die Öffnung der Schalter (auch des weiteren Schalters) dauerhaft und dauert insbesondere an, bis ein Rücksetzsignal, insbesondere von der Steuerung C, C1 und C2, erfasst wurde. Während in der
Für beide Figuren und auch für sonstige Ausführungsformen gilt: Es wird eine Leistungsansteuervorrichtung für eine elektrische Maschine wird beschrieben. Ein Inverter IN der Vorrichtung ist zwischen einem Gleichspannungsanschluss GA der Vorrichtung und einem Wechselspannungsanschluss WA für die elektrische Maschine EM angeschlossen. Die Leistungsansteuervorrichtung weist eine Steuerung auf, der eine Halbleiter-Brückenschaltung des Inverters IN ansteuernd nachgeschaltet sind. Die Halbleiter-Brückenschaltung weist mindestens einen ersten Halbleiterschalter auf, der zwischen dem Wechselspannungsanschluss und einem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses liegt. Ein zweiter Halbleiterschalter der Leistungsansteuervorrichtung ist antiseriell zu dem mindestens einen ersten Halbleiterschalter und an dem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses angeschlossen. Die Steuerung weist einen Trennsignaleingang auf zum Empfang eines Trennsignals. Die Steuerung öffnet den mindestens einen ersten und den mindestens einen zweiten Halbleiterschalter, wenn ein Trennsignal auftritt.For both figures and also for other embodiments: A power drive device for an electric machine is described. An inverter IN of the device is connected between a DC voltage terminal GA of the device and an AC voltage terminal WA for the electric machine EM. The power drive device has a control, which is connected downstream of a semiconductor bridge circuit of the inverter IN. The semiconductor bridge circuit has at least one first semiconductor switch which lies between the AC voltage connection and a first potential of the DC voltage connection. A second semiconductor switch of the power drive device is antiserial to the at least one first semiconductor switch and connected to the first potential of the DC voltage terminal. The controller has a disconnect signal input for receiving a disconnect signal. The controller opens the at least one first and the at least one second semiconductor switch when a disconnect signal occurs.
Es wird ferner ein Verfahren zum Abtrennen einer elektrischen Maschine EM von einem elektrischen Energiespeicher ES beschrieben, bei dem bei Erfassen eines Trennsignals mindestens ein erster und mindestens ein (hierzu antiparallel geschalteter) zweiter Halbleiterschalters geöffnet wird. Die Halbleiterschalter sind zwischen der elektrischen Maschine EM und einem ersten Potential eines Gleichspannungsanschlusses GA angeschlossen. Die Halbleiterschalter sind Teil eines Inverters und gegebenenfalls auch eines Gleichspannungswandlers DCDC zwischen Inverter IN und Energiespeicher ES.Furthermore, a method for separating an electric machine EM from an electrical energy store ES is described, in which, upon detection of a disconnection signal, at least one first and at least one second semiconductor switch (connected in antiparallel) is opened. The semiconductor switches are connected between the electric machine EM and a first potential of a DC voltage terminal GA. The semiconductor switches are part of an inverter and optionally also a DC-DC converter DCDC between inverter IN and energy storage ES.
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