DE102020106349A1 - Elektrische Schaltungsanordnung und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Elektrische Schaltungsanordnung umfassend einen Stromrichter (2) und wenigstens einen Zwischenkreiskondensator (8), wobei der Stromrichter (2) wenigstens ein elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator (8) verbundenes Halbleitermodul (3) umfasst, wobei zwischen dem Zwischenkreiskondensator (8) und dem wenigstens einen Halbleitermodul (2) wenigstens eine Induktivität (9, 10) geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung umfassend einen Stromrichter und wenigstens einen Zwischenkreiskondensator, wobei der Stromrichter wenigstens ein elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbundenes Halbleitermodul umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
  • Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen erfolgt der Antrieb in der Regel über einen oder mehrere Elektromotoren. Diese können beispielsweise Drehstrommotoren sein, welche durch einen Wechselrichter angesteuert werden, wobei der Wechselrichter einen von einem Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betreiben des Drehstrommotors wandelt. Als Traktionsenergiespeicher kann dabei beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder eine Brennstoffzelle zum Einsatz kommen. Um das Auftreten von Störungen durch den Betrieb des Stromrichters zu verhindern, ist es bekannt, in einem Gleichstromzwischenkreis einen Zwischenkreiskondensator anzuordnen.
  • Aus DE 10 2009 031 547 B3 ist ein Stromrichter bekannt, an dessen Ausgangsklemmen ein elektrischer Motor und ein Tiefpassfilter mit einer Gegentaktdrossel, einem Kondensator pro Ausgangsphase und einer Gleichtaktdrossel angeschlossen sind. In einem Verfahren zum Betrieb dieses Stromrichters wird während einer vorbestimmten Zeitspanne eines Anlaufvorgangs des stromgespeisten Motors eine Pulsfrequenz des lastseitigen Stromrichters derart erhöht, dass ein Wert eines fließenden Gleichtaktstroms kleiner bleibt als ein Wert eines zur Sättigungsflussdichte der Gleichtaktdrossel proportionalen Stroms. Durch dieses Steuerverfahren eines lastseitigen Stromrichters kann der Kern einer stromkompensierten Drossel trotz eines Anlaufvorgangs des stromgespeisten Motors auf den stationären Betrieb des lastseitigen Stromrichters ausgelegt werden.
  • In DE 10 2010 054 005 A1 wird ein elektrisches Gerät mit einem Wechselrichter und einem EMV-Filter, der zumindest einen Entstörkondensator und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit Drosselspulen und einem damit zusammenwirkenden magnetisch wirksamen Kern aufweist, beschrieben. Der Entstörkondensator ist dabei in einem Gleichspannungszwischenkreis angeordnet und die Drosselspulen sind an den wechselstromseitigen Strompfaden angeordnet.
  • Aus US 2019/0222118 A1 ist ein Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von Schaltelementen bekannt. Die Schaltelemente sind dabei elektrisch parallel geschaltet und werden über ein gemeinsames Gatesignal angesteuert. Die Schaltelemente sind weiterhin an einem Substrat befestigt, welches eine erste und eine zweite Spule umfasst, die eine Gleichtaktunterdrückung in dem Pfad der Gateansteuerung bewirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem Stromrichter anzugeben, bei der im Betrieb auftretende Störungen besser kompensiert werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul wenigstens eine Induktivität geschaltet ist.
  • Das Vorsehen einer Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul des Stromrichters stellt eine Abkehr von bisherigen Schaltungsaufbauten dar, bei denen eine möglichst niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators an die Halbleitermodule eines Stromrichters angestrebt wurde. Eine niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators an die Halbleitermodule des Stromrichters vereinfacht bei Anwendungen mit schnellen Schaltvorgängen der Halbleitermodule das Reduzieren von Schalttransienten. Zur Filterung verwendete Elemente wie Gleichtaktdrosseln und Kondensatoren zur Filterung von Gleichtaktstörungen (auch als Y-Kondensatoren oder Cy-Kondensatoren bezeichnet) sind bisher stets zwischen dem Zwischenkreiskondensator und weiteren Elementen des Gleichspannungszwischenkreises bzw. des Gleichstromnetzwerks angeordnet worden, um die möglichst niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators an die Halbleitermodule zu ermöglichen.
  • Durch die Taktung, mittels welcher das wenigstens eine Halbleitermodul des Stromrichters betrieben werden kann, entstehen durch das mit der Taktfrequenz wechselnde Bezugspotential beispielsweise an einem AC-Brückenpunkt eines als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters Gleichtaktstörungen, die durch Gleichtaktdrosseln der elektrischen Schaltungsanordnung in Wärme umgesetzt werden können bzw. welche über die zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen eingesetzten Cy-Kondensatoren abgeleitet werden können.
  • Das Vorsehen einer zusätzlichen Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul bewirkt eine nähere Anordnung der Induktivität zu dem Halbleitermodul, welches in der Regel die hauptsächliche Quelle für Gleichtaktstörungen ist. Insbesondere bei einem als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter ist es möglich, die Induktivität auf diese Weise möglichst nahe an dem AC-Brückenpunkt der Halbleitermodule des Wechselrichters anzuordnen. Durch diese Art der Anbindung kann die Entfernung zwischen der filternden Induktivität und dem schaltenden Halbleitermodul reduziert werden, was eine verbesserte Filterung von Störungen bzw. eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der elektrischen Schaltungsanordnung bewirkt. Auftretende Gleichtaktstörungen werden durch die wenigstens eine Induktivität gefiltert bzw. in Wärme umgesetzt.
  • Beispielsweise bei einem drei als Halbbrücken ausgeführte Halbleitermodule umfassenden Wechselrichter werden beim Schalten einer Halbbrücke alle parasitären Kapazitäten der drei Halbbrückenmodule umgeladen, woraus sich unerwünschte Ableitströme und Störpegel ergeben. Durch das Anordnen der wenigstens einen Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul kann eine auftretende Gleichtaktstörung und/oder eine auftretende Gegentaktstörung möglichst direkt an ihrer Hauptstörquelle, nämlich dem wenigstens einen Halbleitermodul des Stromrichters, unterdrückt werden. Dadurch kann eine gleichstromnetzwerkseitige Entkopplung von mehreren, jeweils über wenigstens eine Induktivität mit dem Zwischenkreiskondensator gekoppelten Halbleitermodulen eines Stromrichters erreicht werden und die bei jedem Schaltvorgang des Stromrichters umzuladende Kapazität kann beeinflusst werden.
  • Die zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul geschaltete Induktivität ist insbesondere durch wenigstens ein Bauteil gebildet, welches zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul angeordnet ist. Durch das Vorsehen der Induktivität kann vorteilhaft erreicht werden, dass weiterhin vorhandene Kondensatoren zur Gleichtaktentstörung entfallen oder mit geringerer Kapazität ausgeführt werden können. Weiterhin kann auf zusätzliche Induktivitäten zur Filterung von Gleichtaktstörungen, insbesondere auf Gleichtaktdrosseln, verzichtet werden oder sie können mit einer geringeren Induktivität bzw. einer geringeren Baugröße ausgeführt werden. Vorteilhaft kann dadurch eine kostengünstigere Herstellung der elektrischen Schaltungsanordnung erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Induktivität eine Induktivität, insbesondere eine Gleichtaktdrossel, einer Filtereinheit der elektrischen Schaltungsanaordnung ist. Das Anordnen der Induktivität einer Filtereinheit der elektrischen Schaltungsanordnung zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul ermöglicht es, auf weitere zur Filterung vorgesehene Induktivitäten, insbesondere auf weitere Gleichtakt-drosseln, zu verzichten, da bei entsprechenden Dimensionierung der Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul bereits eine ausreichende Filterung von Gleichtaktstörungen möglich ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Halbleitermodul über zwei elektrische Leitungen mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden ist, wobei die wenigstens eine Induktivität durch ein wenigstens eine der elektrischen Leitungen umgebendes Kernelement gebildet ist. Das Halbleitermodul kann mit dem Zwischenkreiskondensator insbesondere über zwei beispielsweise als Stromschiene ausgebildete Leitungen verbunden sein.
  • Die wenigstens eine zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul geschaltete Induktivität kann durch ein Kernelement gebildet werden, welches eine der elektrischen Leitungen umgibt. Insbesondere kann das Kernelement beide elektrischen Leistungen umschließen, so dass an jeder der beiden elektrischen Leitungen eine Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul geschaltet ist. Es ist auch möglich, dass das Halbleitermodul über mehr als zwei elektrische Leitungen mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden ist, dabei kann vorgesehen sein, dass das Kernelement eine oder mehrere, insbesondere alle der elektrischen Leitungen umgibt und somit bei jeder umgebenden Leitung eine zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul geschaltete Induktivität erzeugt. Bei mehreren mit dem Zwischenkreiskondensator verbundenen Halbleitermodulen kann insbesondere für jeweils eine oder mehrere Leitungen, die eines der Halbleitermodule mit dem Zwischenkreiskondensator verbinden, ein Kernelement vorgesehen sein.
  • Das Kernelement kann insbesondere als ein Ferritkern ausgebildet sein. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass durch ein zwei elektrische Leitungen zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul umgebendes Kernelement bezogen auf Gleichtaktstörungen eine Induktivität zwischen 50 nH und 500 nH, insbesondere zwischen 100 nH und 300 nH, beispielsweise von 205 nH, gebildet wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass durch das Kernelement bei den zwei von dem Kernelement umgebenden elektrischen Leitungen jeweils eine Induktivität bezogen auf Gegentaktstörungen zwischen 1 nH und 20 nH, insbesondere zwischen 5 nH und 10 nH, beispielsweise von 7 nH, erzeugt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Induktivität räumlich zwischen dem wenigstens einen Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul angeordnet ist. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau und eine effiziente Filterung von beim Betrieb des Stromrichters auftretenden Störungen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass parallel zu dem Halbleitermodul eine RC-Snubber-Schaltung geschaltet ist. Bei einem über zwei elektrische Leitungen wie Stromschienen mit dem Zwischenkreiskondensator verbundenen Halbleitermodul ist die RC-Snubber-Schaltung parallel zu einem mit dem Zwischenkreiskondensator verbundenen Eingang des Halbleitermoduls geschaltet, mithin also zwischen den zwei elektrischen Leitungen, welche das Halbleitermodul mit dem Zwischenkreiskondensator verbinden. Die RC-Snubber-Schaltung umfasst insbesondere ein RC-Snubber-Glied bzw. eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand.
  • Durch das Anordnen der RC-Snubber-Schaltung an dem Halbleitermodul wird erreicht, dass hochfrequente Schalttransienten bei einem Betrieb des Halbleitermoduls bzw. des Stromrichters mit einer hohen Taktfrequenz nicht durch den Zwischenkreiskondensator gefiltert werden müssen. Dadurch können bei Stromrichtern, welche eine hohe Schaltfrequenz aufweisen, negative Effekte durch die wenigstens eine zwischen dem wenigstens einen Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Halbleitermodul angeordnete Induktivität vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die RC-Snubber-Schaltung in das Halbleitermodul integriert ist. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der elektrischen Schaltungsanordnung und ermöglicht auch räumlich eine möglichst nahe Anordnung der wenigstens einen Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem wenigstens einen Leistungshalbleitermodul.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die RC-Snubber-Schaltung eine in Reihe mit einem Widerstand und einem Kondensator der RC-Snubber-Schaltung geschaltete Induktivität umfasst. Diese kann verwendet werden, um eine Resonanzfrequenz der RC-Snubber-Schaltung zu verändern, um Einfluss auf das Frequenzverhalten der Schaltungsanordnung zu nehmen. Dadurch wird eine Frequenzanpassung der RC-Snubber-Schaltung an weitere Komponenten der elektrischen Schaltungsanordnung verbessert.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Zwischenkreiskondensator ein resonierender Zwischenkreiskondensator ist. Ein resonierender Zwischenkreiskondensator kann aus mehreren Filterelementen bestehen, welche wenigstens eine Mittenfrequenz entsprechend einer Harmonischen der Taktfrequenz des Stromrichters aufweisen. Beim Einsatz eines resonierenden Zwischenkreiskondensators wird in der Regel eine erhöhte Induktivität innerhals des Halbleitermoduls benötigt. Diese kann zum einen, wie vorangehend beschrieben wurde, durch eine Induktivität in der RC-Snubber-Schaltung gebildet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann diese Induktivität auch durch die wenigstens eine Induktivität gebildet werden, welche zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul angeordnet ist. Durch diese Induktivität kann neben einer Dämpfung von Gleichtaktstörungen auch eine Dämpfung von Gegentaktstörungen möglich sein, beispielsweise wenn die wenigstens eine Induktivität durch ein zwei elektrische Leitungen zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Halbleitermodul umgreifendes Kernelement ausgeführt ist. Auf diese Weise kann sowohl die Dämpfung von Gleichtaktstörungen verbessert werden als auch eine Optimierung der Filterung von Gegentaktstörungen im Zwischenkreisstrom optimiert werden. Ferner ist eine Anpassung der Schaltungsanordnung an eine Resonanzfrequenz eines resonierenden Zwischenkreiskondensators möglich.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Halbleitermodul mit einer Ausgangsseite des Zwischenkreiskondensators verbunden ist, wobei zwischen zwei Anschlüssen an einer Eingangsseite des Zwischenkreiskondensators wenigstens zwei Kondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, der oder einer Filtereinheit der elektrischen Schaltungsanordnung geschaltet sind. Die Eingangsseite des Zwischenkreiskondensators kann beispielsweise mit einer Gleichstromquelle wie einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem durch einen Wechselstrom gespeisten Gleichrichter verbunden sein. Die Kondensatoren können beispielsweise jeweils zwischen einer einen DC-Plus-Anschluss der Gleichstromquelle mit dem Zwischenkreiskondensator verbindenden Leitung und Masse oder zwischen einer einen DC-Minus-Anschluss der Gleichstromquelle mit dem Zwischenkreiskondensator verbindenden Leitung und Masse geschaltet sein und so zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen verwendet werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stromrichter drei Halbleitermodule umfasst, welche jeweils mit demselben Zwischenkreiskondensator und/oder jeweils mit einem anderen Zwischenkreiskondensator der elektrischen Schaltungsanordnung verbunden sind. Jedes der drei Halbleitermodule kann insbesondere eine Halbbrücke darstellen, so dass durch die drei Halbleitermodule beispielsweise ein dreiphasiger Pulswechselrichter gebildet werden kann. Dieser kann beispielsweise zum Betrieb einer dreiphasigen elektrischen Maschine verwendet werden.
  • Die Halbleitermodule können dabei jeweils insbesondere über zwei elektrische Leitungen mit demselben Zwischenkreiskondensator verbunden sein. Es ist auch möglich, dass statt eines Zwischenkreiskondensators drei Zwischenkreiskondensatoren verwendet werden, wobei jedes Halbleitermodul mit einem anderen der Zwischenkreiskondensatoren verbunden ist, mithin also der Zwischenkreiskondensator als ein dreigeteilter Zwischenkreiskondensator ausgeführt ist. Die Ausführung des Zwischenkreiskondensators als dreigeteilter Zwischenkreiskondensator bietet dabei den Vorteil, dass eine Entkopplung der ausgesendeten Störungen der einzelnen Phasen bzw. der jeweiligen Halbleitermodule erreicht werden kann, da die gleichstromseitigen Anschlüsse der einzelnen Phasen erst nach einer Filterung von Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen durch die jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren bzw. durch die jeweiligen zwischen den einzelnen Zwischenkreiskondensatoren und den jeweils mit den Zwischenkreiskondensatoren verbundenen Halbleitermodulen angeordneten Induktivitäten zusammengeführt werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Stromrichter ein insbesondere dreiphasiger Wechselrichter ist. Es ist auch möglich, dass der Stromrichter ein Frequenzumrichter ist.
  • Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst. Der Stromrichter der Schaltungsanordnung kann dabei insbesondere ein dreiphasiger Wechselrichter sein, welcher zum Betrieb einer Traktionselektromaschine des Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Durch die elektrische Schaltungsanordnung kann insbesondere ein von einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, einer Brennstoffzelle oder einem aus einem Wechselstromnetz gespeisten Gleichrichter, bereitgestellter Gleichstrom zum Betrieb des Traktionselektromotors verwendet werden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
    • 2 eine Schaltungsanordnung nach Stand der Technik,
    • 3 zwei Diagramme, welche eine frequenzabhängige Störspannung sowie einen frequenzabhängigen Störstrom darstellen, 4 ein als Induktivität verwendetes Kernelement,
    • 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung,
    • 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
    • 7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
    • 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
    • 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 dargestellt. Die elektrische Schaltungsanordnung 1 umfasst einen als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 2, welcher drei Halbleitermodule 3 umfasst. Jedes der Halbleitermodule 3 umfasst zwei als Transistoren S1 bis S6 ausgeführte Schaltelemente 4 sowie zwei Dioden 5, welche eine Halbbrücke bilden. Jedes der Halbleitermodule 3 ist über zwei als Stromschienen ausgeführte elektrische Leitungen 6 und 7 mit einem Zwischenkreiskondensator 8 der elektrischen Schaltungsanordnung 1 verbunden. Dabei stellt die elektrische Leitung 6 jeweils einen Hochvolt-Gleichstromanschluss (HV+) und die elektrische Leitung 7 jeweils einen negativen Gleichstromhochvoltanschluss (HV-) dar.
  • Zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und jedem der Halbleitermodule 3 sind jeweils zwei Induktivitäten 9, 10 geschaltet. Dabei ist die Induktivität 9 in die elektrische Leitung 6 geschaltet und die Induktivität 10 ist in die elektrische Leitung 7 geschaltet. Die jeweils zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den einzelnen Halbleitermodulen 3 angeordneten Induktivitäten 9, 10 bilden eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel 11 der elektrischen Schaltungsanordnung 1.
  • Die jeweils zwischen den Schaltelementen 4 liegenden Brückenpunkte der Halbleitermodule 3 sind jeweils mit einer Phase eines Elektromotors 12 verbunden. Die den jeweiligen Phasen zugeordneten Phasenwicklungen des Elektromotors 12 sind schematisch als Lu, Lv und Lw dargestellt.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 1 umfasst weiterhin zwei Kondensatoren 13, 14, welche an einer Eingangsseite des Zwischenkreiskondensators 8 angeordnet sind. Dabei ist der Kondensator 13 zwischen einem eingangsseitigen Potential DC-HV+ und einer Masse und der Kondensator 14 zwischen einem eingangsseitigen Potential DC-HV- und der Masse geschaltet. Die eingangsseitigen Potentiale DC-HV+ und DC-HV- können beispielsweise mit einem einen Gleichstrom bereitstellenden Energiespeicher der elektrischen Schaltungsanordnung 1, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, einer Brennstoffzelle oder eines über ein Wechselstromnetzwerk betriebenen Gleichrichters, verbunden werden.
  • Durch die zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den einzelnen Halbleitermodulen 3 geschalteten Induktivitäten 9, 10 wird die Gleichtaktdrossel 11 gebildet, durch welche Gleichtaktstörungen (common-mode-Störungen) beim Betrieb des Stromrichters 2 gefiltert werden. Durch das elektrische Verschalten der Induktivitäten 9, 10 zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den Halbleitermodulen 3 sowie durch eine räumliche Anordnung der Induktivitäten 9, 10 zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den Halbleitermodulen 3 wird eine besonders effiziente Filterung von Störungen beim Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 1 erreicht.
  • Beim Betrieb der Schaltungsanordnung 1 auftretende Gegentaktstörungen (differential-mode-Störungen) werden durch den Zwischenkreiskondensator 8 gefiltert. Zur Filterung von Gleichtaktstörungen sind die zusätzlich die Kondensatoren 13, 14 vorgesehen, welche als Y-Kondensatoren bzw. CY-Kondensatoren verwendet werden. Eine insbesondere zur Filterung von Gleichtaktstörungen vorgesehene Filtereinrichtung der elektrischen Schaltungsanordnung 1 umfasst somit die Induktivitäten 9, 10 sowie die Kondensatoren 13, 14, wobei die Induktivitäten 9, 10 räumlich von einem Eingang der Schaltung, das heißt einer Anordnung zwischen den Potentialen DC-HV+ und DC-HV- und dem Eingang des Zwischenkreiskondensators 8, zwischen den Zwischenkreiskondensator 8 und die Halbleitermodule 3 versetzt sind. Dies verbessert die Filterung von bei einem Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 1 auftretenden Störungen.
  • Zur Erläuterung der Entstehung von Störungen ist in 2 ist ein Schaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung 15 nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei sind für die Schaltelemente 4 der Halbleitermodule 3 jeweils ihre parasitären Kapazitäten 16 eingezeichnet. Weiterhin dargestellt ist eine mit einer Seite eines Zwischenkreiskondensators 17 verbundene Filtereinrichtung 18 zur Gleichtaktunterdrückung. Weiterhin dargestellt ist eine eine Gleichspannung bereitstellende Energiequelle 19, welche über die Filtereinrichtung 18 mit dem Zwischenkreiskondensator 17 verbunden ist. Die Filtereinrichtung 18 umfasst zwei Kondensatoren 20, 21 sowie zwei Induktivitäten 22, 23, welche jeweils eines der eingangsseitigen Potentiale DC-HV+ bzw. DC-HV- mit Masse verbinden.
  • Als gestrichelte Linien sind weiterhin bei Betrieb der Schaltungsanordnung 15 auftretende Störstrompfade 24, 25, 26 eingezeichnet. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Störstrompfad 25 durch eine Phase einer mit den Halbleitermodulen 3 verbundenen elektrischen Maschine 12 dargestellt. Bei einem Schalten der Halbleitermodule 3 werden stets die parasitären Kapazitäten 16 der Halbleitermodule 3 umgeladen, wodurch sich in der elektrischen Schaltungsanordnung 15 störend auftretende Störpegel sowie entsprechend der eingezeichneten Störstrompfade 24, 25, 26 fließende Ableitströme ergeben.
  • Der Verlauf derartiger Störpegel bzw. Störspannungen und Störströme ist in 3 schematisch dargestellt. Im oberen Diagramm 27 in 3 ist der Verlauf einer an der Induktivität 22 auftretenden Störspannung Vs schematisch dargestellt. Diese Störspannung ergibt sich durch einen gemäß dem Störstrompfad 24 fließenden Störstrom. Im unteren Diagramm 28 von 3 ist der gemäß dem Störstrompfad 26 über die parasitären Kapazitäten 16, den Widerstand RPM,gnd und die Induktivität IPM,gnd nach Masse abfließende Störstrom Is dargestellt. Weitere Störströme fließen, wie schematisch dargestellt, durch die Phase der elektrischen Maschine 12 über den Widerstand RL,gnd und die Induktivität IL,gnd gemäß dem Störstrompfad 25.
  • Da auftretende Störungen wie Störströme und/oder Störspannungen insbesondere auch auf das Gleichstromnetzwerk der elektrischen Schaltung und/oder weitere daran angeschlossene Komponenten rückwirken können und da aufgrund solcher Störungen Probleme hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit der Schaltungsanordnung auftreten können, ist die Filterung derartiger Störungen wünschenswert. Zur Filterung derartiger Störungen können vorteilhaft die in 1 dargestellten, zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den einzelnen Halbleitermodulen 3 eingesetzten Induktivitäten 9,10 verwendet werden.
  • Wie in 4 dargestellt ist, können die Induktivitäten 9, 10 durch ein als Ferritkern ausgebildetes Kernelement 29 gebildet werden, welches die elektrischen Leitungen 6, 7, mit denen jeweils eines der Halbleitermodule 8 mit dem Zwischenkreiskondensator 3 verbunden ist, insbesondere ringförmig umschließt. Durch ein solches Kernelement kann beispielsweise gegenüber Gleichtaktstörungen eine Induktivität von 205 nH und gegenüber Gegentaktstörungen eine Induktivität von jeweils 7 nH pro elektrischer Leitung 6, 7 erzeugt werden.
  • In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dabei im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, weist jedoch zusätzlich drei RC-Snubber-Schaltungen 30 auf, welche jeweils parallel zu einem Eingang der Leistungshalbleitermodule 3 geschaltet sind. Die RC-Snubber-Schaltungen sind dabei zwischen den Leitungen 6, 7, also zwischen den Potentialen HV+ und HV- an der Ausgangsseite des Zwischenkreiskondensators 8 geschaltet. Jede RC-Snubber-Schaltung 30 umfasst eine Kapazität 31 sowie einen Widerstand 32.
  • Durch das Vorsehen der RC-Snubber-Schaltungen 30 wird eine verbesserte Filterung von Schalttransienten der Leistungshalbleitermodule 30 erreicht, insbesondere, wenn die Halbleitermodule 3 mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit betrieben werden, so dass durch die Schalttransienten störende Störpegel erzeugt werden und ihre Filterung erforderlich wird. Durch die RC-Snubber-Schaltungen 30 wird erreicht, dass auftretende Gegentaktstörungen nicht oder zumindest nicht gänzlich im Zwischenkreiskondensator 8 gefiltert werden müssen, wodurch sich insbesondere bei Halbleitermodulen 3 mit hoher Schaltgeschwindigkeit die Filterung von Störungen in der Schaltungsanordnung 1 verbessert. Es ist möglich, dass die RC-Snubber-Schaltungen 30 jeweils in dem Halbleitermodul 3 integriert sind. Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Baugröße der elektrischen Schaltungsanordnung 1 zu reduzieren.
  • In 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch sind statt einem Zwischenkreiskondensator 8 drei Zwischenkreiskondensatoren 8 vorgesehen. Dabei ist jeder Zwischenkreiskondensator 8 mit einem der Halbleitermodule 3 verbunden. Die Verwendung von drei Zwischenkreiskondensatoren 8, also von einem dreigeteilten Zwischenkreiskondensator 8, verbessert weiterhin eine Filterung von Störungen, da zusätzlich zu den Induktivitäten 9, 10 auch aufgrund der höheren Leitungslänge der HV+ und HV- Anschlüsse der einzelnen Halbleitermodule 3, welche erst zwischen den Eingängen DC-HV+ bzw. DC-HV- und den Zwischenkreiskondensatoren 8 zusammengeführt werden, eine Induktivität zur Filterung von auftretenden Störungen erhöht wird. Durch das Zusammenführen der HV+ und HV- Anschlüsse der einzelnen Halbleitermodule 3 zwischen den Eingängen DC-HV+ bzw. DC-HV- und den Zwischenkreiskondensatoren 8 wird weiterhin eine bessere Entkopplung der einzelnen, jeweils einer der Phasen der elektrischen Maschine 12 zugeordneten Halbleitermodule 3 erreicht.
  • 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1. Dieses entspricht im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 6, wobei zusätzlich parallel zu jedem der Halbleitermodule 3 eine RC-Snubber-Schaltung 30 geschaltet ist. Das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere für Leistungshalbleitermodule 3, welche mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit geschaltet werden und bei welchen eine zusätzliche Filterung aufgrund der auftretenden, steileren Schalttransienten wünschenswert ist.
  • In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanaordnung 1 dargestellt. Diesem Ausführungsbeispiel ist der Zwischenkreiskondensator 8 als ein resonierender Zwischenkreiskondensator ausgeführt. Der Übersichtlichkeit halber sind zwei der Halbleitermodule 3 nur schematisch ohne ihre einzelnen Elemente dargestellt, wobei diese den Elementen des dargestellten Halbleitermoduls 3 entsprechen. Um eine Anpassung der Resonanzfrequenz des resonierenden Zwischenkreiskondensators 8 an die Halbleitermodule 3 zu verbessern, ist eine Anpassung durch die Induktivitäten 9, 10, welche zwischen dem Zwischenkreiskondensator 8 und den Halbleitermodulen 3 angeordnet sind, möglich. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch eine Induktivität 33 in Reihe mit dem Kondensator 31 und dem Widerstand 32 der RC-Snubber-Schaltung 30 vorgesehen werden.
  • In 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 34 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 34 umfasst eine elektrische Schaltungsanordnung 1 sowie eine elektrische Maschine 12, welche einen Traktionselektromotor des Kraftfahrzeugs 34 darstellt. Weiterhin umfasst das Kraftfahrzeug 34 einen Traktionsenergiespeicher 35, welcher mit den Eingangspotentialen DC-HV- und DC-HV- der elektrischen Schaltungsanordnung 1 verbunden ist. Durch die elektrische Schaltungsanordnung 1 erfolgt eine Wechselrichtung des durch den Traktionsenergiespeicher 35 bereitgestellten Gleichstroms in einen Wechselstrom zum Betreiben der elektrischen Maschine 12. Der Traktionsenergiespeicher 35 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder eine Brennstoffzelle sein. Zum Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 1 ist auch eine über ein Wechselstromnetzwerk gespeister Gleichrichter möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009031547 B3 [0003]
    • DE 102010054005 A1 [0004]
    • US 2019/0222118 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Elektrische Schaltungsanordnung umfassend einen Stromrichter (2) und wenigstens einen Zwischenkreiskondensator (8), wobei der Stromrichter (2) wenigstens ein elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator (8) verbundenes Halbleitermodul (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenkreiskondensator (8) und dem wenigstens einen Halbleitermodul (3) wenigstens eine Induktivität (9, 10) geschaltet ist.
  2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (9, 10) eine Induktivität, insbesondere eine Gleichtaktdrossel, einer Filtereinheit der elektrischen Schaltungsanordnung (1) ist.
  3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (3) über zwei elektrische Leitungen (6, 7) mit dem Zwischenkreiskondensator (8) verbunden ist, wobei die wenigstens eine Induktivität (9, 10) durch ein wenigstens eine der elektrischen Leitungen umgebendes Kernelement (29) gebildet ist.
  4. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktivität (9, 10) räumlich zwischen dem wenigstens einen Zwischenkreiskondensator (8) und dem wenigstens einen Halbleitermodul (3) angeordnet ist.
  5. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Halbleitermodul (3) eine RC-Snubber-Schaltung (30) geschaltet ist.
  6. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Snubber-Schaltung (30) in das Halbleitermodul (3) integriert ist.
  7. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Snubber-Schaltung (30) eine in Reihe mit einem Widerstand (32) und einem Kondensator (31) der RC-Snubber-Schaltung (30) geschaltete Induktivität (33) umfasst.
  8. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zwischenkreiskondensator (8) ein resonierender Zwischenkreiskondensator (8) ist.
  9. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Halbleitermodul (3) mit einer Ausgangsseite des Zwischenkreiskondensators (8) verbunden ist, wobei zwischen zwei Anschlüssen an einer Eingangsseite des Zwischenkreiskondensators (8) wenigstens zwei Kondensatoren (13, 14), insbesondere Y-Kondensatoren, der oder einer Filtereinheit der elektrischen Schaltungsanordnung (1) geschaltet sind.
  10. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) drei Halbleitermodule (3) umfasst, welche jeweils mit demselben Zwischenkreiskondensator (8) und/oder jeweils mit einem anderen Zwischenkreiskondensator (8) der elektrischen Schaltungsanordnung verbunden sind.
  11. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) ein insbesondere dreiphasiger Wechselrichter ist.
  12. Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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