DE102020111576B4 - Circuit arrangement for a power converter, power converter, electrical machine and method for operating an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung (300, 400, 500) für einen Stromrichter (150) für eine elektrische Maschine (100), aufweisend:- eine Leistungshalbbrücke (160) mit einem High-Side-Leistungsschalter (161) und einem Low-Side-Leistungsschalter (162),- eine Treibereinheit (210), die dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Leistungsschalter, ausgewählt aus High-Side-Leistungsschalter (161) und Low-Side-Leistungsschalter (162), leitend- und sperrendzuschalten,- einen Abschaltpfad (220) und einen Versorgungspfad (240), die derart ausgebildet sind, dass, wenn der Abschaltpfad (220) aktiviert wird, eine Versorgungsspannung (V2) über den Versorgungspfad (240) an einen Steueranschluss des ersten Leistungsschalters (162) angelegt wird, sodass dieser leitendgeschaltet wird, und- einen redundanten Versorgungspfad (250, 250'), der derart ausgebildet ist, dass darüber eine Versorgungsspannung (V2, V3) an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters (162) anlegbar ist, sodass dieser leitendgeschaltet wird, wenn der Abschaltpfad (220) aktiviert wird, und der derart ausgebildet ist, dass die Versorgungsspannung darüber dauerhaft mit dem Steueranschluss des ersten Leistungsschalters (162) verbunden ist.Circuit arrangement (300, 400, 500) for a power converter (150) for an electrical machine (100), having: - a power half-bridge (160) with a high-side power switch (161) and a low-side power switch (162) ,- a driver unit (210), which is set up to switch at least one first power switch, selected from high-side power switch (161) and low-side power switch (162), conducting and blocking,- a switch-off path (220) and a supply path (240), which is designed in such a way that when the switch-off path (220) is activated, a supply voltage (V2) is applied via the supply path (240) to a control terminal of the first power switch (162), so that the latter is switched on, and - a redundant supply path (250, 250'), which is designed in such a way that a supply voltage (V2, V3) can be applied to the control terminal of the first power switch (162), so that the latter is switched on when the switch-off path (220) is activated, and which is designed in such a way that the supply voltage is permanently connected to the control terminal of the first circuit breaker (162).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Stromrichter für eine elektrische Maschine, einen Stromrichter, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.The present invention relates to a circuit arrangement for a power converter for an electrical machine, a power converter, an electrical machine and a method for operating an electrical machine.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Maschine, wie sie z.B. in Fahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen verwendet werden, können mittels eines Stromrichters (auch als Inverter bezeichnet) betrieben werden, und zwar in der Regel sowohl generatorisch als auch motorisch. Ein solcher Stromrichter weist hierzu in aller Regel pro Phase der elektrischen Maschine eine Leistungshalbbrücke mit einem High-Side-Leistungsschalter und einem Low-Side-Leistungsschalter (beides z.B. MOSFETs oder IGBTs) auf, um die Phasenwicklungen entsprechend bestromen zu können. Fremderregte Maschinen weisen zudem eine Möglichkeit auf, eine Rotor- bzw. Erregerwicklung zu bestromen.Electrical machines, such as those used in vehicles or motor vehicles, can be operated using a power converter (also referred to as an inverter), usually both as a generator and as a motor. For this purpose, such a power converter generally has a power half-bridge with a high-side power switch and a low-side power switch (both e.g. MOSFETs or IGBTs) for each phase of the electrical machine, in order to be able to energize the phase windings accordingly. Separately excited machines also have the option of energizing a rotor or field winding.
Weiterhin verfügt ein solcher Stromrichter typischerweise über einen sog. Abschaltpfad, der es ermöglicht, alle Phasen gegen Masse oder gegen Versorgungsspannung kurzzuschließen. Dieses Vorgehen wird auch aktiver Phasenkurzschluss bezeichnet. Damit wird also, wenn der Abschaltpfad z.B. in einem Fehlerfall aktiviert wird, durch die elektrische Maschine kein Moment mehr erzeugt und es wird auch keine elektrische Energie mehr an das Bordnetz abgegeben. Es wird ein sicherer Zustand eingenommen.Furthermore, such a power converter typically has what is known as a switch-off path, which makes it possible to short-circuit all phases to ground or to the supply voltage. This procedure is also referred to as an active phase short circuit. This means that if the switch-off path is activated, e.g. in the event of a fault, no more torque is generated by the electric machine and no more electrical energy is delivered to the vehicle electrical system. A safe state is assumed.
Eine weitere Möglichkeit, einen sicheren Zustand einzunehmen, ist für den Fall einer fremderregten elektrischen Maschine, den Erregerstrom abzubauen. Dieses Vorgehen benötigt - zum Abbau des Erregerfeldes - allerdings deutlich mehr Zeit, was in vielen Fällen aus Gründen der Sicherheit nicht akzeptabel ist.Another way of assuming a safe state is, in the case of an externally excited electrical machine, to reduce the excitation current. However, this procedure requires significantly more time to reduce the excitation field, which in many cases is unacceptable for safety reasons.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung für einen Stromrichter, ein Stromrichter, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a circuit arrangement for a power converter, a power converter, an electrical machine and a method for operating an electrical machine with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für einen Stromrichter, die eine Leistungshalbbrücke mit einem High-Side-Leistungsschalter und einem Low-Side-Leistungsschalter sowie eine Treibereinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Leistungsschalter, ausgewählt aus High-Side-Leistungsschalter und Low-Side-Leistungsschalter (also den High-Side-Leistungsschalter oder den Low-Side-Leistungsschalter oder beide), leitend- und sperrendzuschalten, also ein- und auszuschalten. Bei den Leistungsschaltern kann es sich z.B. um MOSFETs oder IGBTs handeln, bei der Treibereinheit entsprechend um einen Gate-Treiber.The invention is based on a circuit arrangement for a power converter which has a power half-bridge with a high-side power switch and a low-side power switch and a driver unit which is set up to have at least a first power switch selected from high-side power switches and Low-side power switch (i.e. the high-side power switch or the low-side power switch or both), conducting and blocking, i.e. switching on and off. The power switches can be MOSFETs or IGBTs, for example, and the driver unit can be a gate driver.
Außerdem weist eine solche Schaltungsanordnung, wie auch eingangs schon erwähnt, einen Abschaltpfad und einen Versorgungspfad auf, die derart ausgebildet sind, dass, wenn der Abschaltpfad aktiviert wird, eine Versorgungsspannung über den Versorgungspfad an einen Steueranschluss (z.B. einem Gate-Anschluss) des ersten Leistungsschalters (also des High-Side- oder des Low-Side-Leistungsschalter, je nachdem welcher über die Treibereinheit angesteuert wird; falls beide angesteuert werden, einer davon) angelegt wird, sodass dieser leitendgeschaltet wird.In addition, such a circuit arrangement, as already mentioned, has a switch-off path and a supply path, which are designed in such a way that when the switch-off path is activated, a supply voltage is applied via the supply path to a control terminal (e.g. a gate terminal) of the first power switch (i.e. the high-side or the low-side power switch, depending on which one is controlled via the driver unit; if both are controlled, one of them) is applied so that it is turned on.
Zweckmäßig dabei ist, wenn die Treibereinheit mit dem Steueranschluss des ersten Leistungsschalters verbunden ist, wobei der Abschaltpfad derart ausgebildet ist, dass, wenn dieser aktiviert wird, die Treibereinheit von dem Steueranschluss des ersten Leistungsschalters getrennt wird. Der Abschaltpfad kann dabei derart ausgebildet sein, dass dieser durch Ändern eines daran anliegenden Spannungspegels aktiviert wird. Üblich ist es auch, dass in einem solchen Fall, d.h. bei Trennen bzw. Ausschalten der Treibereinheit, zunächst der andere Leistungsschalter sperrendgeschaltet bzw. geöffnet wird, bevor der betreffende Leistungsschalter leitendgeschaltet wird. Hierzu kann eine separate, geeignete Schaltung vorgesehen sein.It is expedient here if the driver unit is connected to the control connection of the first circuit breaker, the switch-off path being designed in such a way that when it is activated, the driver unit is separated from the control connection of the first circuit breaker. In this case, the switch-off path can be designed in such a way that it is activated by changing a voltage level present thereon. It is also usual that in such a case, i.e. when the driver unit is disconnected or switched off, the other circuit breaker is first switched to blocking or opened before the relevant circuit breaker is switched to conducting. A separate, suitable circuit can be provided for this purpose.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass unter einem Abschaltpfad auch diejenigen Schaltungsbestandteile verstanden werden können, die - bei Anlegen eines bestimmten Spannungspegels an einem Punkt des Abschaltpfads - zur Leitendschaltung des ersten Leistungsschalters führen. Insofern kann der Versorgungspfad ggf. auch zum Abschaltpfad gezählt werden, was für die Funktionsweise jedoch unerheblich ist.At this point it should be mentioned that a switch-off path can also be understood to mean those circuit components which—when a certain voltage level is applied at a point of the switch-off path—lead to the first circuit breaker being switched on. In this respect, the supply path can also be counted as part of the switch-off path, but this is irrelevant to the way it works.
Mittels eines solchen Abschaltpfads kann also bei Bedarf bzw. im Fehlerfall der betreffende Leistungsschalter leitendgeschaltet werden. Es versteht sich, dass für eine elektrische Maschine pro Phase in der Schaltungsanordnung bzw. im Stromrichter jeweils eine Leistungshalbbrücke vorzusehen ist, im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine also drei Leistungshalbbrücken. Hier können dann pro Leistungshalbrücke jeweils eine Treibeinheit und auch jeweils ein Abschaltpfad und Versorgungspfad vorgesehen sein.By means of such a switch-off path, the circuit breaker in question can be switched on if required or in the event of a fault. it ver It is clear that one power half-bridge is to be provided for each phase in the circuit arrangement or in the power converter for an electrical machine, ie three power half-bridges in the case of a three-phase electrical machine. A drive unit and also a switch-off path and a supply path can then be provided for each power half-bridge.
Zweckmäßig ist es aber auch, wenn z.B. mittels der Treibereinheit mehrere oder alle Leistungsschalter angesteuert werden (mit dann jeweils separaten Ansteuerleitungen), sodass auch der Abschaltpfad und der Versorgungspfad auf diese Leistungsschalter verzweigt werden können, sodass letztlich sämtliche High-Side-Leistungsschalter oder aber sämtliche Low-Side-Leistungsschalter zugleich leitend geschaltet werden können, um den eingangs erwähnten aktiven Phasenkurzschluss herbeizuführen.However, it is also expedient if, for example, several or all power switches are controlled by means of the driver unit (then with separate control lines each), so that the switch-off path and the supply path can also be branched to these power switches, so that ultimately all or all of the high-side power switches Low-side power switches can be turned on at the same time in order to bring about the active phase short circuit mentioned at the outset.
Wenngleich auf diese Weise zwar nun grundsätzlich im Bedarfs- bzw. Fehlerfall ein aktiver Phasenkurzschluss herbeigeführt werden kann, können trotzdem immer noch Fehler auftreten, z.B. kann im Versorgungspfad eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss nach Masse auftreten, oder die Versorgungsspannung kann ausfallen. Dies würde dazu führen, dass trotz Aktivierens des Abschaltpfads der betreffende Leistungsschalter nicht (mehr) leitendgeschaltet werden kann.Although an active phase short-circuit can now be brought about in principle in this way if necessary or in the event of an error, errors can still occur, e.g. an interruption or a short-circuit to ground can occur in the supply path, or the supply voltage can fail. This would result in the circuit breaker in question not (any longer) being able to be switched on despite activation of the switch-off path.
Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Erfindung nun vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung weiterhin einen redundanten Versorgungspfad aufweist, der derart ausgebildet ist, dass darüber, wenn der Abschaltpfad aktiviert wird, eine Versorgungsspannung an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters anlegbar ist, sodass dieser leitendgeschaltet wird.Against this background, it is now proposed within the scope of the invention that the circuit arrangement also has a redundant supply path, which is designed in such a way that when the switch-off path is activated, a supply voltage can be applied to the control terminal of the first circuit breaker, so that it is switched on.
Wenn also im (primären) Versorgungpfad z.B. eine Unterbrechung oder ein Massekurzschluss auftritt, liegt trotzdem über den redundanten Versorgungspfad eine nötige Versorgungsspannung an dem Steueranschluss des ersten Leistungsschalters an, um letztlich den gewünschten aktiven Phasenkurzschluss herbeizuführen.If, for example, an interruption or a ground short-circuit occurs in the (primary) supply path, a necessary supply voltage is still present at the control terminal of the first power switch via the redundant supply path in order to ultimately bring about the desired active phase short-circuit.
Für den (primären) Versorgungspfad und den redundanten Versorgungspfad können beispielsweise verschiedene Versorgungsspannungen, die darüber dann jeweils an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters angelegt werden, verwendet werden. Unter verschiedenen Versorgungsspannungen sind dann z.B. verschiede Abgriffspunkte mit z.B. auch verschiedenen Spannungshöhen innerhalb der Schaltungsanordnung oder auch verschiedene Anschlusspins an dem Stromrichter zu verstehen.For example, different supply voltages can be used for the (primary) supply path and the redundant supply path, which are then respectively applied to the control connection of the first circuit breaker. Different supply voltages are then to be understood, for example, as different tapping points with, for example, also different voltage levels within the circuit arrangement or also different connection pins on the power converter.
Grundsätzlich möglich ist aber auch, dass für den (primären) Versorgungspfad und den redundanten Versorgungspfad dieselbe Versorgungsspannung, sprich z.B. derselbe Abgriffspunkt innerhalb der Schaltungsanordnung, verwendet wird. Die nötige Redundanz wird durch die getrennt verlaufenden Versorgungspfade erreicht.In principle, however, it is also possible for the (primary) supply path and the redundant supply path to use the same supply voltage, i.e. e.g. the same tap point within the circuit arrangement. The necessary redundancy is achieved through the separate supply paths.
Nicht erfindungsgemäß kann der redundante Versorgungspfad derart ausgebildet sein, dass die Versorgungsspannung darüber aktiv, insbesondere mittels eines Schalters (z.B. eines MOSFETs oder anderen Transistors) im redundanten Versorgungspfad, an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters anlegbar ist. Hier kann dann z.B. ein Mikrocontroller vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, die Versorgungsspannung aktiv, insbesondere mittels des Schalters, an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters anzulegen. Damit ist es möglich, den redundanten Versorgungspfad nur bei Bedarf zuzuschalten.Not according to the invention, the redundant supply path can be designed in such a way that the supply voltage can be applied actively to the control terminal of the first power switch, in particular by means of a switch (e.g. a MOSFET or other transistor) in the redundant supply path. A microcontroller can then be provided here, for example, which is set up to actively apply the supply voltage, in particular by means of the switch, to the control connection of the first circuit breaker. This makes it possible to switch on the redundant supply path only when required.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der redundante Versorgungspfad derart ausgebildet ist, dass die Versorgungsspannung darüber dauerhaft mit dem Steueranschluss des ersten Leistungsschalters verbunden ist. Hier kann dann eine Diode oder ein sog. Flyback-Konverter (bzw. Sperrwandler) verwendet werden, um unerwünschte Ausgleichsströme zu vermeiden.According to the invention, the redundant supply path is designed in such a way that the supply voltage is permanently connected to the control terminal of the first circuit breaker. A diode or what is known as a flyback converter (or flyback converter) can then be used here in order to avoid unwanted compensating currents.
Alternativ zu der Variante, wonach der redundante Versorgungspfad und der (primären) Versorgungspfad gleichartig ausgebildet sind, ist es auch besonders bevorzugt, wenn die Schaltungsanordnung einen elektrischen Energiespeicher wie z.B. einen Kondensator aufweist, der im redundanten Versorgungspfad angeordnet ist.As an alternative to the variant according to which the redundant supply path and the (primary) supply path are of identical design, it is also particularly preferred if the circuit arrangement has an electrical energy store such as a capacitor, which is arranged in the redundant supply path.
Ein Aufladen des Energiespeichers kann beispielsweise aus dem Versorgungspfad erfolgen. Dies bewirkt, dass bei regulärem Betrieb der Schaltungsanordnung der elektrische Energiespeicher durch die am Versorgungspfad anliegende Versorgungsspannung geladen wird. Solange es keine Unterbrechung im Versorgungspfad gibt, kann auf die eingangs beschriebene Weise durch Aktivieren des Abschaltpfads die Versorgungsspannung an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters angelegt werden, damit dieser leitendgeschaltet wird. Wenn jedoch eine Unterbrechung im Versorgungspfad auftritt oder die Versorgungsspannung ausfällt, übernimmt der (dann aufgeladene) elektrische Energiespeicher die Funktion der Versorgungsspannung und bewirkt bei einem Aktivieren des Abschaltpfads, dass eine Versorgungsspannung (nämlich aus dem elektrischen Energiespeicher) an den Steueranschluss des ersten Leistungsschalters angelegt wird, sodass dieser leitendgeschaltet wird.The energy store can be charged from the supply path, for example. This causes the electrical energy store to be charged by the supply voltage present on the supply path during regular operation of the circuit arrangement. As long as there is no interruption in the supply path, the supply voltage can be applied to the control terminal of the first power switch in the manner described above by activating the switch-off path, so that the latter is turned on. However, if there is an interruption in the supply path or the supply voltage fails, the (then charged) electrical energy store takes over the function of the supply voltage and, when the switch-off path is activated, causes a supply voltage (namely from the electrical energy store) to be applied to the control terminal of the first circuit breaker , so that it is switched on.
Auch mit dieser Variante kann also auch im Falle einer Unterbrechung des Versorgungspfads oder eines Ausfalls der (eigentlichen) Versorgungsspannung ein aktiver Phasenkurzschluss herbeigeführt werden. Es versteht sich, dass aufgrund einer begrenzten Kapazität des elektrischen Energiespeichers der erste Leistungsschalter nur für eine begrenzte Zeit leitendgeschaltet werden kann. Durch geeignete Dimensionierung kann jedoch erreicht werden, dass der aktive Phasenkurzschluss zumindest solange aufrechterhalten wird, bis - im Falle einer fremderregten elektrischen Maschine - der Erregerstrom (hinreichend) abgebaut worden ist. Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Variante sind jedoch weniger zusätzliche Komponenten in der Schaltungsanordnung nötig.With this variant, an active phase short-circuit can also be brought about in the event of an interruption in the supply path or a failure of the (actual) supply voltage. It goes without saying that due to a limited capacity of the electrical energy store, the first circuit breaker can only be switched on for a limited time. However, suitable dimensioning can ensure that the active phase short circuit is maintained at least until—in the case of a separately excited electrical machine—the excitation current has been (sufficiently) reduced. Compared to the variant described above, however, fewer additional components are required in the circuit arrangement.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Stromrichter mit einer erfindungsgemäß Schaltungsanordnung und zwar insbesondere mit jeweils einer Leistungshalbbrücke pro Phase für die anzusteuernde elektrische Maschine, wie vorstehend erläutert.The invention also relates to a power converter with a circuit arrangement according to the invention, in particular with one power half-bridge per phase for the electrical machine to be controlled, as explained above.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator sowie einem erfindungsgemäßen Stromrichter. Entsprechend weist der Stator dann Phasenwicklungen auf. Bevorzugt ist es auch, wenn die elektrische Maschine als fremderregte elektrische Maschine ausgebildet ist. The subject of the invention is also an electric machine with a rotor and a stator as well as a power converter according to the invention. Accordingly, the stator then has phase windings. It is also preferred if the electrical machine is designed as an externally excited electrical machine.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, bei dem in einem Fehlerfall aktiv ein Phasenkurzschluss herbeigeführt wird, indem der Abschaltpfad aktiviert wird.Furthermore, the invention relates to a method for operating an electrical machine according to the invention, in which, in the event of a fault, a phase short circuit is actively brought about by activating the switch-off path.
Hinsichtlich der weiteren Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen des Stromrichters, der elektrischen Maschine sowie des Verfahrens sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen verwiesen, die hier entsprechend gelten.With regard to the further advantages and preferred configurations of the power converter, the electrical machine and the method, to avoid repetition, reference is made to the above statements, which apply here accordingly.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform.1 shows schematically an electrical machine according to the invention in a preferred embodiment. -
2 zeigt schematisch einen Stromrichter in einer bevorzugten Ausführungsform.2 shows schematically a power converter in a preferred embodiment. -
3 zeigt schematisch eine nicht erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.3 shows schematically a circuit arrangement not according to the invention. -
4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.4 shows a circuit arrangement according to the invention in a preferred embodiment. -
5 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.5 shows a circuit arrangement not according to the invention. -
6 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.6 shows a circuit arrangement according to the invention in a further preferred embodiment.
Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention
In
Die elektrische Maschine 100, die insbesondere in motorischem und generatorischem Betrieb verwendet werden kann, besonders bevorzugt auch in einem sog. Boost-Rekuperations-System (d.h. zur Energierückgewinnung und Antriebsunterstützung), weist einen Läufer bzw. Rotor 110 auf, der beispielsweise eine Läufer- bzw. Erregerwicklung 111 oder Permanentmagnete zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist. Entsprechend ist auch ein Ständer bzw. Stator 120 gezeigt, der hier nur schematisch dargestellte Ständer- bzw. Phasenwicklungen 121 aufweist.The
In
Der Stromrichter 150 weist beispielhaft drei Leistungshalbbrücken 160 auf, die für drei Phasen U, V, W einer elektrischen Maschine vorgesehen sind und entsprechend anzubinden sind. Jede der drei Leistungshalbbrücken weist einen High-Side-Leistungsschalter 161 und einen Low-Side-Leistungsschalter 162 auf, die hier als MOSFETs ausgebildet sind und bei denen jeweils ein Gate- bzw. Steueranschluss mit G, ein Drain-Anschluss mit D und ein Source-Anschluss mit S bezeichnet sind.The
Grob schematisch sind zudem eine als Gate-Treiber ausgebildete Ansteuereinheit 210 sowie ein Abschaltpfad 220 angedeutet, wobei mittels der Ansteuereinheit 210 die Gate- bzw. Steueranschlüsse G von High-Side-Leistungsschalter 161 und Low-Side-Leistungsschalter 162 von zumindest einer der Leistungshalbbrücken 160 ansteuerbar sind, sodass diese gezielt leitendgeschaltet und sperrendgeschaltet werden können. Mittels des Abschaltpfads kann die Ansteuereinheit deaktiviert werden und beispielsweise die Low-Side-Leistungsschalter 162 können leitendgeschaltet werden, um aktiv einen Phasenkurzschluss herbeizuführen.A
Ansteuereinheit 210 und Abschaltpfad 220 sind hier beispielhaft zusammen mit einer der Leistungshalbbrücken 160 Teil einer Schaltungsanordnung 300, bei der es sich um eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform handeln kann. Für eine detailliertere Ansicht und Beschreibung sei hierzu auf die nachfolgenden Figuren sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen, insbesondere auch hinsichtlich des redundanten Versorgungspfads, der in
In
Wie in
Der Abschaltpfad 220 weist nun einen Schalter 221, z.B. einen MOSFET, auf, der vorliegend normalsperrend ausgebildet ist und nur bei Anliegen einer negativen Gate-Source-Spannung leitet. Damit liegt im Normalfall eine Versorgungsspannung V2, die mittels eines DC-DC- bzw. Gleichspannungswandlers aus einer Bordnetzspannung V1 von z.B. 48V gewonnen werden kann und z.B. 15 V beträgt, an einem Gate- bzw. Treiberanschluss des Schalters 222 an, so dass dieser leitet.The switch-
Wenn nun der Abschaltpfad aktiviert wird, indem eine negative Gate-Source-Spannung an den Schalter 221 angelegt wird, , wird der Schalter 221 leitendgeschaltet bzw. geschlossen, wodurch die Versorgungsspannung, die am Gate- bzw. Steueranschluss des Schalters 222 anliegt, auf Masse gezogen wird. Damit wird der Schalter 222 sperrendgeschaltet bzw. geöffnet, sodass eine Ansteuerung des Low-Side-Leistungsschalters 161 mittels der Ansteuereinheit 210 nicht mehr möglich ist.If the switch-off path is now activated by applying a negative gate-source voltage to the
Vielmehr liegt jetzt die Versorgungsspannung V2 über den Versorgungspfad 240 an dem Gate- bzw. Steueranschluss des Low-Side-Leistungsschalters 162 an, wodurch dieser leitendgeschaltet wird. Damit kann - bei entsprechender Ansteuerung der übrigen Low-Side-Leistungsschalter (vgl. hierzu
Die (elektrischen) Widerständen R1, R2 und R3 können beispielsweise die Werte 5 kOhm, 50 kOhm und 200 Ohm aufweisen, sodass die gewünschte Funktionalität der Schaltungsanordnung 200 erreicht wird. Es versteht sich jedoch, dass dies nur rein beispielhaft ist und auch andere geeignete Werte verwendet werden können. Gleiches gilt für die hier Spannungshöhen V1 und V2.The (electrical) resistances R1, R2 and R3 can have values of 5 kOhm, 50 kOhm and 200 Ohm, for example, so that the desired functionality of the
Bei der gezeigten Schaltungsanordnung 200 kann jedoch bei Ausfall der Versorgungsspannung V2 oder bei Unterbrechung oder Kurzschluss des Versorgungspfads 240 der Low-Side-Leistungsschalter 162 nicht mehr leitendgeschaltet werden.In the
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Neben einer Diode 241 im Versorgungspfad 240 ist ein redundanter Versorgungspfads 250 mit einer darin vorgesehen Diode 251 vorgesehen, mit dem eine Versorgungsspannung V3 von z.B. 12 V an den Gate- bzw. Steueranschluss des Low-Side-Leistungsschalters 162 angelegt werden kann, um den Low-Side-Leistungsschalter 162 leitend zu schalten, wenn der Abschaltpfad 220 aktiviert wird. Der redundante Versorgungspfads 250 ist damit gleichartig mit dem (primären) Versorgungspfad 240 ausgebildet.In addition to a
Bei einem Ausfall der Versorgungsspannung V2 oder bei Unterbrechung oder Kurzschluss des Versorgungspfads 240 kann damit der Low-Side-Leistungsschalter 162 weiterhin leitendgeschaltet werden. Die Dioden 241, 251 verhindern ungewollte Ausgleichsströme.If the supply voltage V 2 fails or if the
In
Allerdings sind hier zusätzlich ein PMIC („Power Management Integrated Circuit“) 215 und ein Mikrocontroller 216 zur Ansteuerung der Treibereinheit 210 gezeigt. Zudem kann damit beispielhaft nicht nur der Low-Side-Leistungsschalter 162 angesteuert werden, sondern auch der High-Side-Leistungsschalter 161. Der Abschaltpfad 220 und der (primäre) Versorgungspfad 240 sind hier gemeinsam dargestellt, sodass nur die Funktionalität, aber nicht die konkrete Verschaltung gezeigt ist. Vorzugsweise erfolgt im Fehlerfall das Schließen der Low-Side-Leistungsschalter 162 zeitlich nach dem Öffnen der High-Side-Leistungsschalter 161.However, a PMIC (“Power Management Integrated Circuit”) 215 and a
Ergänzend ist im redundanten Versorgungspfad 250 nun ein Schalter 252, z.B. ein MOSFET, vorgesehen, der mittels des Mikrocontrollers 216 bei Bedarf, wenn z.B. ein Fehler im (primären) Versorgungspfad 240 erkannt wird, geschlossen werden kann, sodass dann die Versorgungsspannung V3 an den Gate- bzw. Steueranschluss des Low-Side-Leistungsschalters 162 angelegt werden kann.In addition, a
Die Zuschaltung des redundanten Versorgungspfads 250 kann alternativ - dann als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung - auch das Verwenden einer Diode oder eines sog. Flyback-Konverters erfolgen, auch eine dauerhafte Anbindung ist denkbar.The
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Der redundante Versorgungspfad 250' ist hier jedoch nicht gleichartig mit dem (primären) Versorgungspfad 240 ausgebildet, sondern es ist ein als Kondensator ausgebildeter elektrischer Energiespeicher C vorgesehen, der in einem Bereich im redundanten Versorgungspfad 250' angeordnet ist, in dem der redundante Versorgungspfad 250' getrennt vom Versorgungspfad 240 verläuft. Der Kondensator C ist dann über einen Teil des redundanten Versorgungspfads 250' mit dem Versorgungspfad 240 und darüber mit der daran anliegenden Versorgungsspannung V2 verbunden. Mit anderen Worten ist der Kondensator C an den Versorgungspfad 240 und an die darüber anliegende Versorgungsspannung V2 angeschlossen und parallel zur Gate-Source-Strecke des Low-Side-Leistungsschalters 162 (und hier noch dem Widerstand R3) geschaltet bzw. angeordnet.However, here the redundant supply path 250' is not configured in the same way as the (primary)
Der Kondensator C wird zunächst bei regulärem Betrieb mittels der Versorgungsspannung V2 geladen. Bei einem Ausfall der Versorgungsspannung V2 oder bei Unterbrechung oder Kurzschluss des Versorgungspfads 240 stellt dann aber der Kondensator eine Spannung bzw. Versorgungsspannung bereit, womit der Low-Side-Leistungsschalter 162 weiterhin leitendgeschaltet werden, jedenfalls für eine gewisse Zeit lang. Die Diode 241 verhindert ein Entladen des Kondensators C in den Versorgungspfad 240.In regular operation, the capacitor C is initially charged by means of the supply voltage V 2 . If the supply voltage V 2 fails or if the
Es versteht sich, dass ein redundanter Versorgungspfad 250' mit Kondensator C auch als noch zusätzlicher redundanter Abschaltpfad in der Ausführungsform gemäß
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---|---|---|---|---|
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FI121493B (en) * | 2007-07-26 | 2010-11-30 | Kone Corp | with electric motor |
CN102882467B (en) * | 2011-07-11 | 2016-06-29 | 麦格纳电动汽车系统公司 | For the inverter of motor, the controller of operated inverter and method |
DE102016207195A1 (en) * | 2016-04-27 | 2017-11-02 | Zf Friedrichshafen Ag | System for actively shorting phases of an inverter and motor vehicle drive |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014158399A (en) | 2013-02-18 | 2014-08-28 | Aisin Aw Co Ltd | Rotary electric machine drive device |
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