DE102019202728A1

DE102019202728A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102019202728A1
Application number: DE102019202728.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (H, H) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss (A+) und einen negativen Anschluss (A-) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei wenigstens eine der Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet ist, weiterhin mit einer Montageplatte (130), die der Trägerplatte (140) mit der wenigstens einen Halbbrücke gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, und wobei eine plattenförmige Struktur (150, 250) aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen ist, die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend auf der der Montageplatte (130) gegenüber liegenden Seite der Trägerplatte (140) angeordnet ist, zumindest teilweise mit der Trägerplatte (140) überlappend angeordnet ist, und von den positiven Anschlüsse der Halbbrücken elektrisch getrennt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit mehreren Halbbrücken sowie eine Recheneinheit mit einer solchen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
Zur Ansteuerung von Elektromotoren können geeignete Schaltungsanordnungen mit Halbbrücken oder Recheneinheiten bzw. Steuergeräte mit solchen Schaltungsanordnungen verwendet werden. Solche Schaltungsanordnungen dienen dann insbesondere als Strom- bzw. Wechselrichter. Mit steigender Anzahl an Elektromotoren beispielsweise für Anwendungen im Personenverkehr steigt auch der Bedarf an entsprechenden Schaltungsanordnungen bzw. Ansteuerschaltungen. Hierzu können in der Leistungselektronik verschiedene Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden, z.B. Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs.
Eine solche Schaltungsanordnung weist in der Regel mehreren sog. Halbbrücken bzw. Halbbrückenzweige auf, die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter, wie sie beispielsweise oben erwähnt wurden, aufweisen. Dabei weisen die Halbbrücken jeweils einen Mittelabgriff zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf, sowie einen positiven Anschluss (sog. High-Side) und einen negativen Anschluss (sog. Low-Side) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke. Typischerweise sind die Halbbrücken und insbesondere die Halbleiterschalter dabei auf einer Trägerplatte angeordnet.
Im Betrieb werden die positiven Anschlüsse dabei in aller Regel an den positiven Anschluss einer Spannungsquelle (in einem Fahrzeug z.B. der Fahrzeugbatterie) angeschlossen, die negativen Anschlüsse an den negativen Anschluss einer Spannungsquelle bzw. Masse.
Im üblichen Betrieb der Schaltungsanordnung ist dann jeweils genau einer dieser Schalter einer Halbrücke leitend, während der andere sperrt. Der Mittelabgriff stellt den Wechselstromanschluss (im Motorbetrieb den Ausgang, im Gleichrichterbetrieb den Eingang) des Halbbrückenzweigs dar. Dieser kann durch die Halbleiterschalter wahlweise mit dem positiven oder dem negativen Anschluss verbunden werden.
Im Betrieb wird zudem in der Regel hochfrequent taktend zwischen diesen beiden Zuständen gewechselt. Am Mittelabgriff ist eine Phase (Statorwicklung) der zu versorgenden elektrischen Maschine angeschlossen. Diese weist einen induktiven Charakter auf. Der Ausgangsstrom einer Phase wird also immer stetig verlaufen, lediglich der Gradient des Stroms ändert sich, und zwar abhängig vom Schaltzustand. Ist der Halbleiterschalter auf High-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom positiven Anschluss zum Ausgang, von dort zur elektrischen Maschine und von dort über weitere Halbbrücken, die die weiteren Phasen der elektrischen Maschine ansteuern, zurück zum positiven Anschluss.
Ist hingegen der Halbleiterschalter auf Low-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom negativen Anschluss zum Ausgang, während auf der positiven Leitung kein Strom fließt. Bei einem Schaltvorgang von High-Side nach Low-Side wechselt der Strom der Phase also extrem schnell von der Leitung am positiven Anschluss zur Leitung am negativen Anschluss und umgekehrt. Dabei wird jedes Mal in einer Zwischenkreisinduktivität, die die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig, der Leitung am negativen Anschluss und der Versorgungsspannungsquelle unvermeidlich bildet, eine Spannung induziert.
Ein zeitliches Integral über diese Spannung ist dabei gleich dem Produkt aus Zwischenkreisinduktivität und Phasenstrom. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass das Magnetfeld in dieser Leiterschleife, das beim Betrieb aufgrund der Stromänderungen auftrifft, jeweils sein Vorzeichen wechselt, wenn der Strom der Phase von der Leitung am positiven Anschluss zu der Leitung am negativen Anschluss oder umgekehrt kommutiert.
Wie hoch die maximal induzierte Spannung ist, hängt dabei von der Dauer des Schaltvorgangs ab. Je kürzer die Dauer ist, desto höher ist die induzierte Kommutierungsspannung. Da während der Schaltvorgänge aber eine hohe Verlustleistung in den Halbleiterschaltern auf High-Side bzw. Low-Side anfällt, sollte der Schaltvorgang möglichst schnell ablaufen, was zu einer relativ hohen Kommutierungsspannung führt.
Nachteilig dabei ist, dass die Kommutierungsspannung zusätzlich zur Versorgungsspannung Teil der Spannungsbelastung für den jeweils gerade abschaltenden Halbleiterschalter ist. Gerade bei Systemen mit geringer Versorgungsspannung (wie beispielsweise 12 V oder 48 V) aber hohen Ausgangsströmen, die durchaus mehrere 100 A betragen können, erhöht sich die Spannungsbelastung der Halbleiterschalter durch diese Kommutierungsspannung gegenüber der Versorgungsspannung erheblich. Dies kann dazu führen, dass teurere Halbleiterschalter mit einer höheren Spannungsfestigkeit eingesetzt werden müssen.
Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die die erwähnte Leiterschleife umschließt. Aus der US 2009/0085219 A1 ist es beispielsweise bekannt, diese Fläche möglichst zu minimieren. Jedoch sind der Minimierung einer solchen Fläche Grenzen gesetzt, beispielsweise durch weitere Anforderungen an die leistungselektronische Baugruppe. Solche weiteren Anforderungen sind z.B. eine gute Kühlbarkeit der Bauelemente (insbesondere der Halbleiterschalter), eine gute Fixierung der Bauelemente und Robustheit gegen Schüttelbeanspruchungen, eine Verarbeitbarkeit in der Fertigung und Herstellung von Verbindungen wie Schrauben, Löten und Schweißen, sowie das Vorsehen von Strukturen, um Längenausdehnungen bei Temperaturwechseln zu ermöglichen. Daher müssen oft Kompromisse geschlossen werden, die zu einer Erhöhung der Zwischenkreisinduktivität führen. Die Größe dieser Zwischenkreisinduktivität bewegt sich oft im zweistelligen nH-Bereich.
Grundsätzlich kann eine für die Stromänderung in einer Leiterschleife maßgebliche Induktivität gesenkt werden, indem ein Verbraucher oder ein Kurzschlusspfad transformatorisch (d.h. induktiv) an das vom Strom in dieser Leiterschleife verursachte Magnetfeld angekoppelt wird. Damit ist bei einer Stromänderung in der Leiterschleife nur noch eine Streuinduktivität zwischen der Leiterschleife und der transformatorisch angebundenen Last wirksam, nicht mehr jedoch die deutlich größere Hauptinduktivität der Leiterschleife.
In der DE 197 32 723 A1 wird eine Technik vorgeschlagen, mit deren Hilfe ein Induktivitätsanteil von Bereichen parallel zueinander verlaufender Leitungen bzw. Zuleitungen unter Nutzung dieses physikalischen Prinzips gesenkt werden kann. Dort ist hinter zwei parallel zueinander und in vertikaler Richtung verlaufenden positiven und negativen Stromschienen eine elektrisch leitende Platte angeordnet. Diese Platte wird nahezu senkrecht zu ihrer Oberfläche von dem Magnetfeld durchsetzt, das durch die in den Zuleitungsschienen fließenden Ströme hervorgerufen wird. Wegen eines geringen ohmschen Widerstands der Platte wird diese das Auftreten hoher induzierter Kreisspannungen während eines Kommutierungsvorgangs unterbinden. Vielmehr werden während eines Kommutierungsvorgangs in dieser Platte Wirbelströme generiert, die der Magnetfeldänderung durch die Kommutierung in der Leistungselektronik entgegenwirken und den magnetischen Fluss, der die Platte durchsetzt, im ersten Moment konstant halten. Dadurch wird aber auch der magnetische Fluss, der in diesem Teilabschnitt die zwischen den beiden Zuleitungsschienen aufgespannte Fläche durchsetzt, konstant gehalten. In diesem Teilabschnitt wirkt nun nicht mehr die sogenannte Hauptinduktivität, sondern nur noch die Streuinduktivität zwischen der von den Zuleitungsschienen aufgespannten Leiterschleife und dem Wirbelstrompfad in der zusätzlichen Platte.
In der DE 101 03 472 A1 wird vorgeschlagen, bei einer Aufbau- und Verbindungstechnik mit sog. DBC (Direct Bonded Copper) eine leitfähige Zwischenschicht einzuführen, um eine Schirmungswirkung zu erzielen. Diese Maßnahme bewirkt vor allem die bessere Ableitung kapazitiver Störströme auf der Ausgangsseite der leistungselektronischen Schaltung und sorgt dafür, dass sich solche kapazitiven Störströme über den Zwischenkreiskondensator und nicht über Erdungsschleifen schließen. Im Wesentlichen wird hier das auch in der US 2009/0085219 A1 genutzte Prinzip der geometrischen Verkleinerung von Leiterschleifen genutzt, hier allerdings nicht, um eine Kommutierungs- bzw. Zwischenkreisinduktivität zu minimieren, sondern um die Störabstrahlung, die durch kapazitiv bedingte Störströme verursacht ist, zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors bzw. einer motorisch betreibbaren elektrischen Maschine und weist mehrere Halbbrücken auf, die jeweils zwei miteinander (elektrisch leitend) verbundene Halbleiterschalter aufweisen. Bei solchen Halbleiterschaltern kann es sich, wie eingangs bereits erwähnt, beispielsweise um Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs handeln. Die Halbbrücken weisen dabei jeweils einen Mittelabgriff zwischen den beiden Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf. An den Phasenanschluss kann eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Ebenso weisen die Halbbrücken jeweils einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss auf jeweils einer Seite der Halbbrücke auf. Der positive bzw. negative Anschluss ist dabei von dem Mittelabgriff aus gesehen auf der jeweils anderen Seite des entsprechenden Halbleiterschalters vorgesehen. Die genaue Anzahl der Halbrücken richtet sich dabei nach der Anzahl der Phasen der anzusteuernden elektrischen Maschine. Wenigstens eine der Halbbrücken ist dabei auf einer Trägerplatte angeordnet, wodurch sie in Position gehalten werden kann und auf welcher auch nötige Verbindungsleitungen vorgesehen sein können. Es können auch alle Halbbrücken auf der Trägerplatte angeordnet sein.
Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine Montageplatte, insbesondere aus elektrisch leitfähigem Material, auf, die der Trägerplatte mit der wenigstens einen Halbbrücke gegenüberliegend angeordnet ist, insbesondere parallel dazu liegt. Vorzugsweise ist die Montageplatte mit den negativen Anschlüssen der Halbbrücken verbunden und kann in diesem Fall auch als negative Anschlussplatte bezeichnet werden bzw. dienen. Bei der Montageplatte handelt es sich insbesondere um einen Kühlkörper. Die positiven Anschlüsse der Halbbrücken sind miteinander verbunden und werden dann typischerweise an einen positiven Anschluss in einem Fahrzeug bzw. einen Pluspol einer Batterie angeschlossen. Der negative Anschluss ist entsprechend mit Masse verbunden.
Zweckmäßig ist es auch, wenn ein Kondensator, insbesondere ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen ist, der zwischen die miteinander verbundenen, positiven Anschlüsse und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken geschaltet bzw. entsprechend angebunden ist.
Mit einem solchen Zwischenkreiskondensator, insbesondere möglichst nahe beim entsprechenden Halbbrückenzweig, kann die Zwischenkreisinduktivität bereits reduziert werden. Dieser puffert die Versorgungsspannung nahe bei der leistungselektronischen Schaltung ab und übernimmt bei Schaltvorgängen zumindest im ersten Moment die Änderungen des Versorgungsstroms. Die Größe des Zwischenkreiskondensators richtet sich nach dessen Strombelastung und Schaltfrequenz, dessen Kapazität bewegt sich beispielsweise zwischen drei- und fünf-stelligen µF-Werten.
Für die Zwischenkreisinduktivität ist dann nur noch die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig und der Leitung am negativen Anschluss relevant, die Versorgungsspannungsquelle hingegen nicht mehr. Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die diese Leiterschleife umschließt. Aus diesem Grund ist es an sich wünschenswert, diese Fläche so gering wie möglich zu halten.
Erfindungsgemäß ist zudem eine plattenförmige Struktur aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, die von der Trägerplatte mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend, insbesondere parallel, auf der der Montageplatte gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte angeordnet ist, zumindest teilweise mit der Trägerplatte überlappend angeordnet ist, und zudem von den positiven Anschlüsse der Halbbrücken elektrisch getrennt ist, d.h. nicht mit diesen elektrisch leitend verbunden ist, zumindest nicht direkt. Denkbar ist ggf. eine indirekte Anbindung über die Montageplatte und den Zwischenkreiskondensator, wie später noch erläutert wird.
Zwar reduziert bereits die Montageplatte aufgrund ihrer induktiven Ankopplung an die erwähnte Leiterschleife mit dem Halbbrückenzweig die Zwischenkreisinduktivität, da ein elektrisch leitfähiger, meist metallischer Körper wie beispielsweise der Kühlkörper die Möglichkeit für einen sich darin auszubildenden, dem Strom in der Leiterschleife entgegengesetzten Spiegelstrom bietet. Insofern ist es auch zweckmäßig, einen Abstand zwischen der Trägerplatte und der Montageplatte möglichst gering zu wählen.
Durch die vorgeschlagene plattenförmige Struktur kann nunmehr jedoch auf der - bezogen auf die Montageplatte - anderen Seite der Trägerplatte ein weiterer Spiegelstrom induziert werden, da sich in der plattenförmigen Struktur Wirbelströme ausbilden können, wodurch die Zwischenkreisinduktivität noch weiter reduziert wird. Insgesamt bleibt jedoch eine insgesamt besonders flache Struktur der gesamten Schaltungsanordnung erhalten.
Dadurch findet während des Kommutierungsvorgangs in der Kommutierungsschleife zwischen Versorgungsspannungsquelle bzw. Zwischenkreiskondensator und der schaltenden Halbbrücke nahezu keine Änderung des magnetischen Flusses statt und es wird nahezu keine Kommutierungsspannung induziert. Die Flussänderung vollzieht sich nun wesentlich langsamer mit der Geschwindigkeit, mit der die durch den Schaltvorgang ausgelösten Wirbelströme auf Grund des von Null verschiedenen ohmschen Widerstands der plattenförmigen Struktur wieder abklingen. Die Wirkung der Zwischenkreisströme auf das Magnetfeld im Kommutierungskreis wird also erheblich verzögert und verlangsamt. Dadurch sinkt die Spannungsbelastung der sperrenden Leistungshalbleiter erheblich.
Vorzugsweise - und zur Optimierung der Wirkung - ist die plattenförmige Struktur zumindest im Wesentlichen parallel zu der Trägerplatte angeordnet und überdeckt (mit der Fläche innerhalb ihrer äußeren Umrandung) bzw. umschließt dabei mit ihrer äußeren Umrandung zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, einer (ihre zugewandten) Fläche der Trägerplatte. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Fläche der Trägerplatte vollständig von der plattenförmigen Struktur überdeckt wird. Je größer der überdeckte Anteil, desto besser kann sich der Spiegelstrom ausbilden, und entsprechend geringer wird die Zwischenkreisinduktivität.
Vorteilhafterweise ist ein Abstand zwischen der plattenförmigen Struktur und der Trägerplatte um höchstens 100%, bevorzugt um höchstens 50%, besonders bevorzugt um höchstens 25%, größer ist als ein Abstand zwischen der Montageplatte und der Trägerplatte. Besonders zweckmäßig ist es, wenn beide Abstände möglichst gleich sind. Generell kann sich auf diese Weise der Spiegelstrom möglichst ideal ausbilden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine elektrische Leitfähigkeit der plattenförmigen Struktur zumindest 1 µΩ m beträgt, und/oder wenn eine Permeabilität der plattenförmigen Struktur wenigstens 1 und/oder höchstes 1,5, und insbesondere in etwa 1 beträgt. Damit ist das elektrisch leitfähige Material nicht ferromagnetisch, sondern paramagnetisch. Damit kann die nachteilige Eigenschaft vermieden werden, dass die Zwischenkreisinduktivität durch Einbringen einer Permeabilität ungewünscht erhöht wird, vielmehr kann erreicht werden, dass sich der Spiegelstrom möglichst ideal ausbildet, was eine möglichst gute Reduktion der Zwischenkreisinduktivität bewirkt.
Vorzugsweise ist die plattenförmige Struktur zumindest teilweise, vorzugsweise auch vollständig als Platte ausgebildet, beispielsweise als Metallplatte. Dies ermöglicht eine besonders effektive Wirbelstrombildung und damit Reduktion der Zwischenkreisinduktivität. Ebenso zweckmäßig ist es, wenn die plattenförmige Struktur zumindest teilweise, vorzugsweise auch vollständig, als, insbesondere zweidimensionale, Gitterstruktur - bzw. als Netz - ausgebildet ist. Damit ist weniger Material nötig, zudem kann eine gewisse Flexibilität bei der Einbringung der plattenförmigen Struktur erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist die plattenförmige Struktur mit den negativen Anschlüssen elektrisch leitend verbunden. Im Übrigen ist es aber generell zweckmäßig, wenn die plattenförmige Struktur gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Materialien der Schaltungsanordnung, insbesondere der positiven Anschlüsse sowie dem Kühlkörper, elektrisch isoliert ist. Zweckmäßig kann aber auch sein, wenn die plattenförmige Struktur mit der Montageplatte nicht elektrisch leitend verbunden bzw. dagegen vollständig elektrisch isoliert ist.
Von Vorteil ist es, wenn die Schaltungsanordnung weiterhin eine Schleife (bzw. einen Kreis) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, die innerhalb einer Leiterschleife, die durch Verbindungsleitungen der Halbleiterschalter gebildet ist (wie sie vorstehend auch schon mehrfach erwähnt wurde), angeordnet ist. Eine solche Leiterschleife erstreckt sich typischerweise in einer Ebene auf der Trägerplatte, was entsprechend für die Schleife aus leitfähigem Material gilt. Damit kann auch an dieser Stelle ein Strom zur weiteren Reduktion der Zwischenkreisinduktivität erzeugt werden.
Zweckmäßig ist auch, wenn die Schaltungsanordnung eine positive Anschlussplatte aufweist, die von der Trägerplatte mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken mit der positiven Anschlussplatte verbunden sind, und wobei die plattenförmige Struktur zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte angeordnet ist. Im Falle der Verwendung einer solchen positiven Anschlussplatte, über die beispielsweise die positiven Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind bzw. an welche die miteinander verbundenen positiven Anschlüsse der Halbbrücken angeschlossen sind, kann also ebenso die Zwischenkreisinduktivität reduziert werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und vorzugsweise eine Logikeinheit (z.B. integrierte Schaltung) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter auf. Die Recheneinheit kann insbesondere als sog. Inverter ausgebildet sein, d.h. Gleichstrom in Wechselstrom wandeln.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand /von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung aus 1 als Schaltbild.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. In 2 ist ein zugehöriges Schaltbild von Teilen der Schaltungsanordnung 100 gezeigt, wobei die Darstellung in der Anordnung der einzelnen Elemente vergleichbar zu derjenigen in 1 gewählt ist. Die 1 und 2 sollen nachfolgend insofern auch übergreifend beschrieben werden.
Die Schaltungsanordnung 100 weist mehrere, beispielhaft vier, Halbbrücken 110 auf, wovon in 2 jedoch nur eine dargestellt ist. Jede dieser Halbbrücken 110 weist zwei Halbeiterschalter auf, nämlich einen Halbeiterschalter H_HS für einen positiven Anschluss A+ (High-Side) und einen Halbeiterschalter H_LS für einen negativen Anschluss A- (Low-Side). Diese beiden Halbeiterschalter sind elektrisch leitend miteinander verbunden und weisen einen Mittelabgriff M für eine Phase bzw. einen Phasenanschluss einer elektrischen Maschine auf.
Denkbar, beispielsweise in einer anderen Schaltungsvariante, ist auch, jeweils die vier Halbleiterschalter H_HS für High-Side und die vier Halbleiterschalter H_LS für Low-Side parallel zu schalten und an einem Phasenanschluss zusammenzuführen.
Die Halbbrücken 110 und insbesondere die Halbleiterschalter sind auf einer Trägerplatte 140 angeordnet. Die Trägerplatte wiederum ist nahe oder ggf. auf einer als Kühlkörper ausgebildeten Montageplatte 130 angeordnet. Ein (vertikaler) Abstand zwischen der Trägerplatte 140 und dem Kühlkörper ist mit d₁ bezeichnet. Denkbar ist beispielsweise auch eine Isolationsschicht zwischen Trägerplatte 140 und Kühlkörper 130.
Die positiven Anschlüsse A+ sind miteinander verbunden. Die negativen Anschlüsse A- sind miteinander verbunden. Die negativen Anschlüsse können mit dem Kühlkörper 130 elektrisch leitend verbunden sein. Dies kann auf der dem Kühlkörper 130 zugewandten Seite der Trägerplatte 140 erfolgen.
Zwischen den positiven Anschlüssen A+ und den negativen Anschlüssen A-, die eventuell mit dem Kühlkörper 130 verbunden sind, ist zudem ein Kondensator C, ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen. Die positiven Anschlüsse A+ sind dabei mit einem positiven Anschluss B+ der Schaltungsanordnung 100 verbunden und die negativen Anschlüsse A- sind mit einem negativen Anschluss B-der Schaltungsanordnung 100 verbunden. Dabei entspricht der negative Anschluss B- dem Masseanschluss.
Der positive Anschluss B+ und der negative Anschluss B- können dabei zudem auch entsprechende Anschlüsse einer Recheneinheit 101 bzw. eines Steuergeräts darstellen, die die Schaltungsanordnung 100 aufweist, wie in 2 schematisch angedeutet.
Die Leitungen bzw. Leitungsabschnitte der Halbleiterbrücken 110, bilden dabei zusammen eine Leiterschleife, die eine Induktivität bzw. eine Zwischenkreisinduktivität bildet, wie sie in 2 mit L dargestellt ist.
Weiterhin ist eine plattenförmige Struktur 150 aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen in einem Abstand d₂ von der Trägerplatte 140 und damit den Halbbrücken 110 und auch zumindest im Wesentlichen parallel zu der Trägerplatte 140 angeordnet. Beispielhaft ist die plattenförmige Struktur 150 als Platte, insbesondere Metallplatte ausgebildet. Die plattenförmige Struktur 150 überdeckt in diesem Beispiel mit der Fläche innerhalb ihrer äußeren Umrandung zudem vollständig die Trägerplatte 140. Der Abstand d₂ ist im gezeigten Beispiel nur minimal größer als der Abstand d₁, wobei es, wie erwähnt, zweckmäßig ist, wenn beide Abstände möglichst gleich groß und insgesamt möglichst gering sind.
Damit wird die Zwischenkreisinduktivität L, die in der Leiterschleife hervorgerufen wird, besonders gut kompensiert, d.h. auftretende Induktionsspannungen werden besonders stark reduziert.
In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das in 2 gezeigte Schaltbild gilt auch für die Schaltungsanordnung 200, zumal in 2 die plattenförmige Struktur nicht gezeigt ist.
Die Schaltungsanordnung 200 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 100 gemäß 1 im Grunde nur durch eine andere Ausgestaltung der plattenförmigen Struktur, die hier mit 250 bezeichnet ist. Hinsichtlich der übrigen Elemente bzw. Komponenten sei auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen, die hier entsprechend gilt.
Die plattenförmige Struktur 250 ist beispielhaft als zweidimensionale Gitterstruktur bzw. in Form eines Netzes ausgebildet, das - wie auch die Platte in 1 - eine Ausbildung von Wirbelströmen ermöglicht, allerdings aufgrund gewisser Flexibilität beispielsweise bei der Montage einfacher eingebracht werden kann. Auch die plattenförmige Struktur 250 überdeckt in diesem Beispiel die Trägerplatte 140 vollständig. Hierfür ist nur die Umrandung maßgeblich, nicht die von Material ausgefüllte Fläche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0085219 A1 [0011, 0014]
DE 19732723 A1 [0013]
DE 10103472 A1 [0014]

Claims

Schaltungsanordnung (100, 200) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (H_HS, H_LS) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss (A+) und einen negativen Anschluss (A-) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei wenigstens eine der Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet ist, weiterhin mit einer Montageplatte (130), die der Trägerplatte (140) mit der wenigstens einen Halbbrücke gegenüberliegend angeordnet ist und wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, wobei eine plattenförmige Struktur (150, 250) aus elektrisch leitfähigem Material, die von der Trägerplatte (140) mit der wenigstens einen Halbbrücke beabstandet und dieser gegenüberliegend auf der der Montageplatte (130) gegenüber liegenden Seite der Trägerplatte (140) angeordnet ist, zumindest teilweise mit der Trägerplatte (140) überlappend angeordnet ist, und von den positiven Anschlüsse der Halbbrücken elektrisch getrennt ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die plattenförmige Struktur (150, 250) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Trägerplatte (140) angeordnet ist und dabei zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, einer Fläche der Trägerplatte (140) überdeckt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Montageplatte (130) mit den negativen Anschlüssen (A-) der Halbbrücken elektrisch leitend verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (d₂) zwischen der plattenförmigen Struktur (150, 250) und der Trägerplatte (140) um höchstens 100%, bevorzugt um höchstens 50%, besonders bevorzugt um höchstens 25%, größer ist als ein Abstand (d₁) zwischen der Montageplatte (130) und der Trägerplatte (140).
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Leitfähigkeit der plattenförmigen Struktur (150, 250) zumindest 0,1 µΩ m beträgt.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Permeabilität der plattenförmigen Struktur (150, 250) wenigstens 1 und/oder höchstes 1,5 beträgt.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die plattenförmige Struktur (150) zumindest teilweise als Platte ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die plattenförmige Struktur (250) zumindest teilweise als Gitterstruktur ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die plattenförmige Struktur (150, 250) mit den negativen Anschlüssen (A-) der Halbbrücken elektrisch leitend verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Montageplatte (130) als Kühlkörper ausgebildet.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einer Schleife aus elektrisch leitfähigem Material, die innerhalb einer Leiterschleife, die durch Verbindungsleitungen der Halbleiterschalter gebildet ist, angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einer positiven Anschlussplatte, die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken (110) mit der positiven Anschlussplatte (120) verbunden sind, und wobei die plattenförmige Struktur (150, 250) zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kondensator (C) zwischen die miteinander verbundenen, positiven Anschlüsse der Halbbrücken, insbesondere, in Rückbezug auf Anspruch 11, die positive Anschlussplatte (120), und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken geschaltet ist.
Recheneinheit (101) mit einer Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche.