DE102020201409A1 - Electric motor inverter and vehicle electrical system with traction drive - Google Patents
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Abstract
Ein Elektromotor-Inverter (I) ist mit einem Gleichspannungsanschluss (AN), einem mehrphasigen Phasenanschluss (P) und mehreren Halbbrücken ausgestattet. Jede Halbbrücke weist einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor auf. Mindestens einer dieser Transistoren jeder Halbbrücke ist selbstleitend.Ein Fahrzeugbordnetz ist mit einem Traktionsantrieb ausgestattet, der den Elektromotor-Inverter (I) sowie eine permanenterregte Maschine aufweist, die an den Phasenanschluss (P) des Elektromotor-Inverters (I) angeschlossen ist.An electric motor inverter (I) is equipped with a direct voltage connection (AN), a polyphase phase connection (P) and several half bridges. Each half bridge has a high-side transistor and a low-side transistor. At least one of these transistors in each half-bridge is normally on. A vehicle electrical system is equipped with a traction drive which has the electric motor inverter (I) and a permanently excited machine that is connected to the phase connection (P) of the electric motor inverter (I).
Description
Der elektrische Antrieb von Elektrofahrzeugen (oder Hybridfahrzeugen) weist einen Elektromotor sowie einen Inverter auf, der von einer Batterie gespeist wird. Diese Batterie ist als Hochvolt-Akkumulator ausgebildet und stellt eine Gleichspannung bereit, die von dem Inverter in einen Drehstrom zur Erzeugung einer Drehbewegung im Elektromotor umgewandelt wird. Insbesondere bei Leistungen von 100 kW und mehr entstehen im Inverter Verlustleistungen von relevanter Höhe, so dass die Verwendung von Hochleistungstransistoren mit geringem Durchlasswiderstand erforderlich ist. Ferner sind die mit den Transistoren einhergehenden Kosten zu beachten. Zudem ist bei zahlreichen Elektromotoren erforderlich, dass diese im Fehlerfall auf einen sicheren Zustand als Rückfallposition gebracht werden können. Dies wird üblicherweise ausgeführt, indem der Inverter einen Kurzschluss für die Wicklungen des Elektromotors vorsieht, um unerwünscht hohe Spannungen zu vermeiden, der bei einem ausrollenden Fahrzeug entstehen kann. Auch hierbei sind die zugehörigen Sicherheitsmaßnahmen möglichst kosteneffizient und gleichzeitig sicher und verlässlich auszuführen.The electric drive of electric vehicles (or hybrid vehicles) has an electric motor and an inverter that is fed by a battery. This battery is designed as a high-voltage accumulator and provides a direct voltage that is converted by the inverter into a three-phase current to generate a rotary movement in the electric motor. Particularly with powers of 100 kW and more, power losses of a relevant magnitude arise in the inverter, so that the use of high-power transistors with low forward resistance is necessary. Furthermore, the costs associated with the transistors must be taken into account. In addition, it is necessary with numerous electric motors that they can be brought to a safe state as a fallback position in the event of a fault. This is usually done by the inverter providing a short circuit for the windings of the electric motor in order to avoid undesirably high voltages that can arise when the vehicle is coasting. Here, too, the associated security measures must be implemented as cost-effectively as possible and at the same time safely and reliably.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein effizienter Elektromotor-Inverter dargestellt werden kann, der auf einfache und kostengünstige Weise einen Mechanismus für den Fehlerfall als Rückfallposition für den Antrieb vorsieht.It is an object of the invention to show a possibility with which an efficient electric motor inverter can be produced, which provides a mechanism in the event of a fault as a fallback position for the drive in a simple and inexpensive manner.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Elektromotor-Inverter und das Fahrzeugbordnetz nach den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale, Eigenschaften, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by the electric motor inverter and the vehicle electrical system according to the independent claims. Further features, properties, embodiments and advantages emerge from the dependent claims, the description and the figures.
Es wird vorgeschlagen, einen Inverter mit Transistoren auszurüsten, die selbstleitend sind. Dies kann nur die Highside-Transistoren, nur die Lowside-Transistoren oder alle Transistoren des Inverters betreffen. Durch die Verwendung von selbstleitenden Transistoren ist zum einen der Einsatz von Transistorentypen bzw. von Halbleitertechnologien möglich, mit dem sich hohe Wirkungsgrade bzw. geringe Verlustleistungen erreichen lassen. Dies tritt insbesondere für JFET-Halbleiter zu. Als Highside-Transistoren werden diejenigen Transistoren des Inverters bezeichnet, die direkt mit einer positiven Potentialschiene eines Gleichspannungsanschlusses verbunden sind. Die Lowside-Transistoren sind diejenigen, welche mit einer negativen Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses des Inverters verbunden sind. Der Inverter weist mehrere Halbbrücken auf, wobei jede Halbbrücke über einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor verfügt. Für jede Halbbrücke gilt, dass die Transistoren der Halbbrücke in Reihe geschaltet sind. Dies trifft insbesondere für den Highside-Transistor und den Lowside-Transistor zu.It is proposed to equip an inverter with transistors which are normally on. This can only affect the high-side transistors, only the low-side transistors or all transistors of the inverter. The use of self-conducting transistors, on the one hand, enables the use of transistor types or semiconductor technologies with which high efficiencies or low power losses can be achieved. This is especially true for JFET semiconductors. Highside transistors are those transistors of the inverter that are directly connected to a positive potential rail of a DC voltage connection. The low-side transistors are those which are connected to a negative potential rail of the DC voltage connection of the inverter. The inverter has several half bridges, each half bridge having a high-side transistor and a low-side transistor. For every half bridge, the transistors of the half bridge are connected in series. This applies in particular to the high-side transistor and the low-side transistor.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Highside-Transistor und dem Lowside-Transistor in jeder Halbbrücke bildet eine Phase des Phasenanschlusses, an dem eine elektrische Maschine angeschlossen werden kann. Die Transistoren des Inverters können als BnC-Brücke geschaltet sein, wobei n der doppelten Phasenanzahl entspricht (und somit der Anzahl der Transistoren des Inverters). Insbesondere können die Transistoren als B6C oder B12C-Brücke ausgebildet sein. Zum einen kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Highside- und ein Lowside-Transistor eine Halbbrücke bildet. Zum anderen kann vorgesehen sein, dass eine Halbbrücke einen Highside-Transistor, einen Lowside-Transistor umfasst, sowie pro Halbbrücke, pro Halbbrücken-Untergruppe oder pro Inverter einen oder mehrere zusätzliche Transistoren. Diese zusätzliche Transistoren können als Zusatztransistoren bezeichnet werden.The connection point between the high-side transistor and the low-side transistor in each half bridge forms a phase of the phase connection to which an electrical machine can be connected. The transistors of the inverter can be connected as a BnC bridge, where n corresponds to twice the number of phases (and thus the number of transistors in the inverter). In particular, the transistors can be designed as a B6C or B12C bridge. On the one hand, it can be provided that a high-side and a low-side transistor each form a half bridge. On the other hand, it can be provided that a half-bridge comprises a high-side transistor, a low-side transistor, and one or more additional transistors per half-bridge, per half-bridge subgroup or per inverter. These additional transistors can be referred to as additional transistors.
Es wird ein Elektromotor-Inverter beschrieben, der einen Gleichspannungsanschluss aufweist. Der Gleichspannungsanschluss hat zwei Potentiale und weist somit zwei Leiter oder Kontakte auf. Für jeweils einen Leiter oder Kontakt ist eine Potentialschiene vorgesehen. Der Gleichspannungsanschluss ist insbesondere als Hochvoltanschluss ausgebildet, und somit insbesondere für eine Nennspannung von mehr als 60 V, von mehr als 100 V, von mindestens 200 V, von mindestens 400 V oder mindestens 800 V. Der Inverter ist insbesondere ein Leistungsinverter und für eine Leistung von mindestens 10 kW, 50 kW oder 100 kW ausgebildet. Der Inverter weist ferner einen mehrphasigen Phasenanschluss auf. Dieser Phasenanschluss ist ebenso ein Hochvolt-Phasenanschluss mit den vorangehend genannten Nennspannungswerten. Die Anzahl der Phasen des Phasenanschluss entspricht insbesondere der Anzahl der Halbbrücken. Da jede Halbbrücke einen Verbindungspunkt aufweist, an den eine Phase des Phasenanschlusses angeschlossen ist, ist die Anzahl der Phasen des Phasenanschlusses vorzugsweise identisch mit der Anzahl der Highside-Transistoren, der Lowside-Transistoren oder der Halbbrücken.An electric motor inverter is described which has a DC voltage connection. The DC voltage connection has two potentials and thus has two conductors or contacts. A potential rail is provided for each conductor or contact. The DC voltage connection is designed in particular as a high-voltage connection, and thus in particular for a nominal voltage of more than 60 V, more than 100 V, at least 200 V, at least 400 V or at least 800 V. The inverter is in particular a power inverter and for a power of at least 10 kW, 50 kW or 100 kW. The inverter also has a polyphase phase connection. This phase connection is also a high-voltage phase connection with the aforementioned nominal voltage values. The number of phases of the phase connection corresponds in particular to the number of half bridges. Since each half bridge has a connection point to which a phase of the phase connection is connected, the number of phases of the phase connection is preferably identical to the number of high-side transistors, low-side transistors or half-bridges.
Als Transistoren werden hierin einzelne Transistor-Bauelemente bezeichnet. Als Transistoren werden hierin ferner einzelne Verschaltungen von Transistor-Bauelementen, Transistorchips oder Transistorzellen bezeichnet, insbesondere Parallelschaltungen von Transistor-Bauelementen, Transistorchips oder Transistorzellen. Ein Transistor bzw. Transistor-Bauelement kann somit mehrere verschaltete Transistorchips aufweisen, die miteinander verschaltet sind, oder kann (nur) einen einzelnen Transistorchip aufweisen oder mehrere miteinander verschaltete Transistor-Bauelemente. Jeder Transistorchip kann eine Transistorzelle aufweisen oder weist vorzugsweise eine Vielzahl von (miteinander verschalteten) Transistorzellen auf.Individual transistor components are referred to herein as transistors. Individual interconnections of transistor components, transistor chips or transistor cells are also referred to herein as transistors, in particular parallel connections of transistor components, transistor chips or transistor cells. A transistor or transistor component can thus have a plurality of interconnected transistor chips, which are interconnected, or can (only) have a single transistor chip or a plurality of interconnected interconnected transistor components. Each transistor chip can have a transistor cell or preferably has a plurality of transistor cells (interconnected with one another).
Der Inverter mehrere Halbbrücken auf. Jede Halbbrücke verfügt über einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor. Die Highside-Transistoren sind (nicht über die Lowside-Transistoren) mit einer positiven Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Lowside-Transistoren sind mit einer negativen Potentialschiene des Gleichspannungsanschlusses bzw. einem negativen Potential hiervon verbunden, insbesondere ohne, dass diese Verbindung über einen Highside-Transistor führen würde. Der Lowside-Transistor kann direkt oder über einen Zusatztransistor mit einem negativen Potential des Gleichspannungsanschlusses verbunden sein. Der Highside-Transistor ist insbesondere direkt mit einem positiven Potential des Gleichspannungsanschlusses verbunden, kann jedoch auch über einen Zusatztransistor mit diesem verbunden sein.The inverter has several half bridges. Each half bridge has a high-side transistor and a low-side transistor. The high-side transistors (not via the low-side transistors) are connected to a positive potential rail of the DC voltage connection. The low-side transistors are connected to a negative potential rail of the DC voltage connection or to a negative potential thereof, in particular without this connection being routed via a high-side transistor. The lowside transistor can be connected to a negative potential of the direct voltage connection directly or via an additional transistor. The high-side transistor is in particular connected directly to a positive potential of the DC voltage connection, but can also be connected to this via an additional transistor.
Mindestens einer dieser Transistoren (d. h. einer der Highside-Transistoren oder Lowside-Transistoren) ist ein selbstleitender Transistor. Als selbstleitender Transistor werden Transistoren bezeichnet, die bei einem nicht vorhandenen Basisstrom (0 A) oder bei einer nicht vorhandenen Gatespannung (0 V) leiten. Selbstleitende Transistoren leiten, wenn keine Steuerspannung oder kein Steuerstrom an dem Gate oder an der Basis anliegt. Dadurch, dass die Transistoren selbstleitend sind, ergibt sich bei Ausfall von Treibern oder der Steuerung automatisch ein Kurzschluss zwischen den Phasenanschlüssen, so dass eine in dem angeschlossenen Elektromotor induzierte Spannung aus Sicherheitsgründen kurzgeschlossen ist. Insbesondere ist es möglich, JFETs als selbstleitende Transistoren zu verwenden.At least one of these transistors (i.e. one of the high-side or low-side transistors) is a normally on transistor. Self-conducting transistors are transistors that conduct when there is no base current (0 A) or when there is no gate voltage (0 V). Self-conducting transistors conduct when no control voltage or no control current is applied to the gate or to the base. Because the transistors are normally on, there is automatically a short circuit between the phase connections if drivers or the control system fail, so that a voltage induced in the connected electric motor is short-circuited for safety reasons. In particular, it is possible to use JFETs as normally on transistors.
Es kann jeder Highside-Transistor (d. h. der Highside-Transistor jeder Halbbrücke) selbstsperrend sein und jeder Lowside-Transistor kann selbstleitend sein, wobei insbesondere der Lowside-Transistor jeder Halbbrücke selbstleitend sein kann. Auch der umgekehrte Fall ist möglich: der Highside-Transistor jeder Halbbrücke kann selbstleitend sein, (d. h. jeder Highside-Transistor ist selbstleitend), während die Lowside-Transistoren, d. h. der Lowside-Transistor jeder Halbbrücke, selbstsperrend sind.Each high-side transistor (i.e. the high-side transistor of each half-bridge) can be normally-off and each low-side transistor can be normally-on, and in particular the low-side transistor of each half-bridge can be normally-on. The reverse is also possible: the high-side transistor of each half-bridge can be normally-on (i.e. every high-side transistor is normally-on), while the low-side transistors, i.e. H. the lowside transistor of each half bridge are normally off.
Als selbstsperrende Transistoren werden Transistoren bezeichnet, die ohne Basisstrom bzw. Basisspannung bzw. ohne Gate-Spannung sperren. Somit sind Transistoren, die ohne Ansteuerung sperren, selbstsperrend.Normally-off transistors are transistors that block without a base current or base voltage or without a gate voltage. This means that transistors that block without being activated are self-blocking.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Transistoren der Halbbrücke selbstleitend. Hierbei ist der Highside-Transistor jeder Halbbrücke und der Lowside-Transistor jeder Halbbrücke selbstleitend. Vorzugsweise ist diese Ausführungsform kombiniert mit einem Zusatztransistor oder einem Schaltelement (Trennschalter), der eine Verbindung zwischen Gleichspannungsanschluss und Halbbrücken schaltend unterbrechen kann, um so einen Brückenkurzschluss zu vermeiden. Als Brückenkurzschluss wird hierbei ein Kurzschluss bezeichnet, bei dem Strom durch die leitenden Highside- und Lowside-Transistoren der Halbbrücke(n) fließen kann und somit die Potentiale des Gleichspannungsanschlusses durch die Highside- und Lowside-Transistoren kurzgeschlossen sind. Dies ist zu unterbinden, wenn ein Akkumulator an den Gleichspannungsanschluss bzw. an die Halbbrücken angeschlossen ist. Ein Stromfluss ausgehend von den Phasenanschlüssen durch die Transistoren ist jedoch zulässig, da dies einer Rückfallposition bzw. einem Rückfallzustand entspricht (entsprechend einem AKS, aktiver Kurzschluss), der eingestellt wird, wenn ein Fehlerfall auftritt und die Wicklungen des Elektromotors kurzzuschließen sind.In an alternative embodiment, the transistors of the half bridge are normally on. The high-side transistor of each half-bridge and the low-side transistor of each half-bridge are normally on. This embodiment is preferably combined with an additional transistor or a switching element (isolating switch), which can interrupt a connection between the DC voltage connection and half-bridges in a switching manner in order to avoid a bridge short circuit. A short circuit in which current can flow through the conductive high-side and low-side transistors of the half-bridge (s) and thus the potentials of the DC voltage connection are short-circuited by the high-side and low-side transistors is referred to as a bridge short circuit. This must be prevented if an accumulator is connected to the DC voltage connection or to the half bridges. However, a current flow from the phase connections through the transistors is permissible, since this corresponds to a fallback position or a fallback state (corresponding to an AKS, active short circuit), which is set if a fault occurs and the windings of the electric motor have to be short-circuited.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen Schalter, der zwischen den Halbbrücken und dem Gleichspannungsanschluss vorgesehen ist. Mit diesem Schalter lassen sich die Halbbrücken von dem Gleichspannungsanschluss und insbesondere von einem Akkumulator abtrennen, der an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossen sein kann. Insbesondere wenn der Highside-Transistor und der Lowside-Transistor jeder Halbbrücke jeweils selbstleitend ist, wird vorzugsweise ein derartiger Schalter vorgesehen, um einen Brückenkurzschluss zu vermeiden, der auftreten könnte, wenn die Transistoren nicht angesteuert sind. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die den Schalter und die Transistoren ansteuert, und der eingerichtet ist, den Schalter in offenen Zustand (= nicht leitend) vorzusehen, wenn die Transistoren entweder in geschlossenen Zustand (= leitend) angesteuert werden oder die Steuerung ausfällt, wobei beides zu einem selbstleitenden Zustand der Transistoren führt). Der Schalter ist insbesondere ein selbstsperrender Schalter, falls dieser als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Der Schalter kann ferner als elektromechanischer Schalter vorgesehen sein, der in unbestromten Zustand, d. h. ohne Steuerungssignal, geöffnet ist. Bei dem Schalter kann es sich somit um ein Relais oder ein Schütz handeln, dass als Schließer ausgestaltet ist. Der Schalter kann in nur einer Potentialschiene (zwischen Gleichspannungsanschluss und Halbbrücken) vorgesehen sein oder in beiden und somit zweipolig ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist der Schalter ist in der positiven Potentialschiene seriell angeschlossen. Der Schalter kann eine Ansprech- und Abfall-Zeit aufweisen, die wesentlich länger ist, als die der Transistoren. Insbesondere kann die Ansprech- und Abfall-Zeit des Schalters über 1 ms oder über 5 ms liegen.Embodiments of the invention include a switch which is provided between the half bridges and the DC voltage connection. With this switch, the half-bridges can be disconnected from the DC voltage connection and in particular from an accumulator which can be connected to the DC voltage connection. In particular, if the high-side transistor and the low-side transistor of each half-bridge are normally normally on, such a switch is preferably provided in order to avoid a bridge short circuit which could occur if the transistors are not activated. A control can be provided which controls the switch and the transistors, and which is set up to provide the switch in the open state (= non-conductive) when the transistors are either activated in the closed state (= conductive) or the control fails, both of which lead to a self-conducting state of the transistors). The switch is in particular a self-locking switch if it is designed as a semiconductor switch. The switch can also be provided as an electromechanical switch, which is in the de-energized state, i. H. without control signal, is open. The switch can thus be a relay or a contactor that is designed as a make contact. The switch can be provided in only one potential rail (between the DC voltage connection and half bridges) or in both and thus be designed with two poles. The switch is preferably connected in series in the positive potential rail. The switch can have a response and fall time that is significantly longer than that of the transistors. In particular, the response and release times of the switch can be over 1 ms or over 5 ms.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen keinen Schalter, der zwischen den Halbbrücken und dem Gleichspannungsanschluss vorgesehen ist, sondern eine direkte, schalterfreie Verbindung zwischen den Halbbrücken und dem Gleichspannungsanschluss. Hierbei ist die Steuerung und/oder die Treiber der Transistoren ausgestaltet, bei fehlerfreiem Betrieb in jedem Betriebszustand mindestens einen Transistor jeder Halbbrücke in sperrendem Zustand vorzusehen, um einen Brückenkurzschluss zu vermeiden. Diese derart angesteuerten Transistoren oder selbstleitende Transistoren, deren Treiber bei fehlendem Eingangssignal oder einem Eingangssignal mit niedrigem Pegel den Transistor im gesperrten Zustand ansteuern, können als funktionell-selbstsperrende Transistoren bezeichnet werden.Further embodiments of the invention do not include a switch that is provided between the half bridges and the DC voltage connection, but rather a direct, switch-free connection between the half bridges and the DC voltage connection. In this case, the control and / or the driver of the transistors is designed to provide at least one transistor of each half-bridge in the blocking state in the event of fault-free operation in each operating state, in order to avoid a bridge short circuit. These transistors controlled in this way or normally on transistors whose drivers drive the transistor in the blocked state when there is no input signal or an input signal with a low level can be referred to as functionally normally-off transistors.
Die Treiber können Versorgungseingänge aufweisen, die mit unterschiedlichen Spannungsquellen verbunden sind. Die Treiber der Lowside-Transistoren können mit einer anderen Spannungsquelle verbunden sein als die Treiber der Highside-Transistoren. Hierbei kommen als unterschiedliche Spannungsquellen eine Niedervoltenergieversorgung einerseits und der Gleichspannungsanschluss (entsprechend einer Hochvoltenergieversorgung) andererseits in Betracht. Es ergibt sich eine Redundanz, die gewährleistet, dass die Lowside-Transistoren oder die Highside-Transistoren (oder beide Transistorengruppen) in gesteuerter Weise gesperrt werden können.The drivers can have supply inputs that are connected to different voltage sources. The drivers of the low-side transistors can be connected to a different voltage source than the drivers of the high-side transistors. A low-voltage power supply on the one hand and the direct voltage connection (corresponding to a high-voltage power supply) on the other hand come into consideration as different voltage sources. The result is a redundancy which ensures that the low-side transistors or the high-side transistors (or both groups of transistors) can be blocked in a controlled manner.
Eine weitere Möglichkeit ist es, in den Halbbrücken einen oder mehrere Zusatztransistoren vorzusehen, der bzw. die selbstsperrend ist bzw. sind. Eine Ausführungsform sieht vor, dass jede Halbbrücke (oder eine Untergruppe hiervon) einen selbstsperrenden Zusatztransistor aufweist, dessen schaltbarer Strompfad in Serie zu dem Lowside-Transistor der Halbbrücke angeschlossen ist (oder in Serie zu einer Untergruppe der Lowside-Transistoren der Halbbrücke angeschlossen ist). Der Zusatztransistor kann alternativ in Serie zu dem Highside-Transistor (oder einer Untergruppe der Highside-Transistoren) vorgesehen sein. Dadurch kann bei nicht vorhandenem Schaltsignal der Zusatztransistor die selbstleitenden Highside- und Lowside-Transistoren von der betreffenden Potentialschiene trennen.Another possibility is to provide one or more additional transistors in the half-bridges, which is or are self-blocking. One embodiment provides that each half-bridge (or a sub-group thereof) has a normally-off additional transistor, the switchable current path of which is connected in series to the low-side transistor of the half-bridge (or connected in series to a sub-group of the low-side transistors of the half-bridge). The additional transistor can alternatively be provided in series with the high-side transistor (or a sub-group of the high-side transistors). As a result, if the switching signal is not available, the additional transistor can separate the normally-on high-side and low-side transistors from the relevant potential rail.
Zudem kann der Zusatztransistor mit dem Lowside-Transistor (oder dem Highside-Transistor) eine Kaskodenschaltung bilden. Vorzugsweise ist der Zusatztransistor in Serie mit dem Lowside-Transistor (oder dem Highside-Transistor) direkt verbunden. Ist auf einer Seite des Verbindungspunkts zwischen dem Verbindungspunkt und einer Potentialschiene eine Kaskodenschaltung vorgesehen, dann besteht eine Ansteuerung für den Zusatztransistor und eine Ansteuerung für den Lowside- oder Highside-Transistor, der sich auf der anderen Seite des Verbindungspunkts befindet. Der Highside- oder Lowside-Transistor, der sich auf der gleichen Seite des Verbindungspunkts wie der Zusatztransistor befindet, hat vorzugweise keine eigene Ansteuerung, sondern weist einen Steuereingang auf (Basis oder Gate), der mit dem Highside- oder Lowside-Transistor verbunden ist, der sich auf der gleiche Seite befindet. Insbesondere kann der Steuereingang mit einer Potentialschiene verbunden sein, insbesondere mit derjenigen, die sich auf der gleichen Seite des Verbindungspunkts wie der Zusatztransistor befindet.In addition, the additional transistor can form a cascode circuit with the low-side transistor (or the high-side transistor). The additional transistor is preferably directly connected in series with the low-side transistor (or the high-side transistor). If a cascode circuit is provided on one side of the connection point between the connection point and a potential rail, then there is a control for the additional transistor and a control for the low-side or high-side transistor, which is located on the other side of the connection point. The high-side or low-side transistor, which is on the same side of the connection point as the additional transistor, preferably does not have its own control, but has a control input (base or gate) that is connected to the high-side or low-side transistor, which is on the same side. In particular, the control input can be connected to a potential rail, in particular to that which is located on the same side of the connection point as the additional transistor.
Im Falle der Kaskodenschaltung besteht eine Ansteuerung für den Zusatztransistor, während der Steuereingang des Lowside-Transistor (oder Highside-Transistors), d. h. dessen Gate oder Basis, mit der Potentialschiene verbunden ist, mit der auch der Zusatztransistor (direkt) verbunden ist. Es kann ein Treiber für diese Kaskodenschaltung vorgesehen sein, der ansteuernd sowohl mit dem Highside-Transistor als auch mit dem Zusatztransistor verbunden ist (sofern der Zusatztransistor mit dem Lowside-Transistor eine Kaskodenschaltung bildet). Alternativ kann ein Treiber vorgesehen sein, der sowohl den Zusatztransistor als auch den Lowside-Transistor ansteuert, sofern der Highside-Transistor in Serie mit dem Zusatztransistor verbunden ist. Hierbei sind die Verbindungen in Serie Verbindungen, die nicht über einen Transistor laufen, sondern die direkt sind. Die Definition „der Zusatztransistor ist in Serie mit dem Lowside- oder Highside-Transistor verbunden, bedeutet, dass der Zusatztransistor nicht über einen weiteren Transistor oder Schalter mit diesem verbunden ist, sondern dass eine direkte Verbindung besteht. Im Falle der Kaskodenschaltung liegen die Steuereingänge, d. h. die Gates, vorzugsweise auf dem Potential der Potentialschiene, mit der der Zusatztransistor (direkt) verbunden ist. Daher sperrt die Kaskodenschaltung, d. h. die Kombination von Zusatztransistor und Lowside-Transistor (oder Highside-Transistor).In the case of the cascode circuit, there is a control for the additional transistor, while the control input of the low-side transistor (or high-side transistor), i. H. whose gate or base is connected to the potential rail to which the additional transistor is (directly) connected. A driver can be provided for this cascode circuit, which driver is connected to both the high-side transistor and the additional transistor (provided that the additional transistor forms a cascode circuit with the lowside transistor). Alternatively, a driver can be provided which controls both the additional transistor and the low-side transistor, provided that the high-side transistor is connected in series with the additional transistor. The connections in series are connections that do not run through a transistor, but are direct. The definition “the additional transistor is connected in series with the low-side or high-side transistor, means that the additional transistor is not connected to this via another transistor or switch, but that there is a direct connection. In the case of the cascode connection, the control inputs, i.e. H. the gates, preferably at the potential of the potential rail to which the additional transistor is (directly) connected. Therefore, the cascode circuit blocks, i.e. H. the combination of additional transistor and low-side transistor (or high-side transistor).
Es ist vorzugsweise eine Ansteuerung für den Zusatztransistor vorhanden, die diesen dauerhaft ein- oder ausschaltet, während im Vergleich hierzu die Highside- und Lowside-Transistoren getaktet angesteuert werden. Die Schaltgeschwindigkeit in dem getakteten Betrieb hängt daher von der Schaltgeschwindigkeit der Highside- und Lowside-Transistoren ab, und nicht von der Schaltgeschwindigkeit des Zusatztransistors. Wie erwähnt kann der Zusatztransistor ein MOSFET sein. Der Zusatztransistor ist insbesondere ein selbstsperrender Transistor.There is preferably a control for the additional transistor, which switches it on or off permanently, while, in comparison to this, the high-side and low-side transistors are controlled in a clocked manner. The switching speed in clocked operation therefore depends on the switching speed of the high-side and low-side transistors, and not on the switching speed of the additional transistor. As mentioned, the additional transistor can be a MOSFET. The additional transistor is, in particular, a normally-off transistor.
Es können mehrere oder alle Halbbrücken zusammen über einen gemeinsamen, selbstsperrenden Transistor mit einer Potentialschiene verbunden sein. Dieser selbstsperrende Transistor kann ein Niederspannungstransistor sein, etwa ein Transistor mit einer Maximalspannung von nicht mehr als 20 V, 40 V, 50 V oder 60 V, wobei die Maximalspannung, die maximal zulässige zwischen Source und Drain oder zwischen Emitter und Kollektor des Transistors ist. Diese Maximalspannung entspricht insbesondere der Durchbruchspannung des Transistors. Die Nenn-Stromtragfähigkeit des Zusatztransistors bzw. der Zusatztransistoren beträgt vorzugsweise von mindestens 20 A, 200 A oder 500 A.Several or all half bridges can be connected to a potential rail via a common, normally-off transistor. This normally-off transistor can be a low voltage transistor, such as a transistor with a maximum voltage of not more than 20 V, 40 V, 50 V or 60 V, whereby the maximum voltage is the maximum permissible between source and drain or between emitter and collector of the transistor. This maximum voltage corresponds in particular to the breakdown voltage of the transistor. The nominal current carrying capacity of the additional transistor or transistors is preferably at least 20 A, 200 A or 500 A.
Die Potentialschiene führt zu dem Gleichspannungsanschluss. Das Potential der Potentialschiene entspricht dem Potential des Gleichspannungsanschlusses. Dadurch kann die Anzahl der erforderlichen Zusatztransistoren verringert werden. Der Zusatztransistor verbindet die direkt daran angeschlossenen Lowside- oder Highside-Transistoren schaltbar mit der betreffenden Potentialschiene. Der Begriff Potentialschiene ist gleichbedeutend mit dem Begriff Stromschiene.The potential rail leads to the DC voltage connection. The potential of the potential rail corresponds to the potential of the DC voltage connection. This allows the number of additional transistors required to be reduced. The additional transistor connects the lowside or highside transistors connected directly to it in a switchable manner with the relevant potential rail. The term potential rail is synonymous with the term power rail.
Um auf günstige Weise einen schnellschaltenden Inverter darzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad hat, werden für die selbstleitenden Highside- oder Lowside-Transistoren JFETs verwendet. Mit dem Begriff JFETs (JFET - junction field effect transistor) werden Sperrschicht-Feldeffekt Transistoren bezeichnet. Bei Ausführungsformen, bei denen der Lowside-Transistor oder der Highside-Transistor selbstsperrend ist, können die betreffenden Transistoren als MOSFET oder IGBT ausgebildet sein. Auch der oder die Zusatztransistoren können als selbstsperrender Transistor ausgebildet sein, etwa als selbstsperrender MOSFET oder selbstsperrender IGBT. Der Zusatztransistor kann ein Niederspannungstransistor sein, etwa ein Transistor mit einer Maximalspannung von nicht mehr als 20 V, 40 V, 50 V oder 60 V, wobei die Maximalspannung, die maximal zulässige zwischen Source und Drain oder zwischen Emitter und Kollektor des Transistors ist. Diese Maximalspannung entspricht insbesondere der Durchbruchspannung des Transistors. Die Nenn-Stromtragfähigkeit des Zusatztransistors bzw. der Zusatztransistoren beträgt vorzugsweise von mindestens 20 A, 100 A oder 200 A.JFETs are used for the normally on high-side or low-side transistors in order to produce a fast-switching inverter with a high degree of efficiency. The term JFETs (JFET - junction field effect transistor) refers to junction field effect transistors. In embodiments in which the low-side transistor or the high-side transistor is normally-off, the relevant transistors can be designed as MOSFETs or IGBTs. The additional transistor or transistors can also be designed as a self-locking transistor, for example as a self-locking MOSFET or self-locking IGBT. The additional transistor can be a low-voltage transistor, for example a transistor with a maximum voltage of not more than 20 V, 40 V, 50 V or 60 V, the maximum voltage being the maximum permissible between source and drain or between emitter and collector of the transistor. This maximum voltage corresponds in particular to the breakdown voltage of the transistor. The nominal current carrying capacity of the additional transistor or transistors is preferably at least 20 A, 100 A or 200 A.
Die Transistoren der Halbbrücken sind vorzugsweise Leistungstransistoren mit einer Nenn-Stromtragfähigkeit von mindestens 20 A, 100 A oder 200 A.The transistors of the half bridges are preferably power transistors with a nominal current carrying capacity of at least 20 A, 100 A or 200 A.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Inverter Highside- und Lowside-Treiber aufweist. Die Highside-Treiber sind ansteuernd mit den Highside-Transistoren verbunden. Die Lowside-Treiber sind ansteuernd mit dem Lowside-Transistoren verbunden. Die Treiber weisen jeweils Versorgungseingänge auf, über die diese mit einer Versorgungsspannung versorgt werden können. Die Versorgungseingänge der Lowside-Treiber sind vorzugsweise mit einer Niedervoltenergieversorgung verbunden, können jedoch auch direkt oder indirekt mit dem Gleichspannungsanschluss (die somit eine Hochvoltenergieversorgung bildet) verbunden sein. Die Versorgungseingänge der Highside-Treiber sind mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden, oder sind, als alternative Ausführungsform, direkt oder indirekt mit dem Gleichspannungsanschluss (d.h. mit einer Hochvoltenergieversorgung) verbunden. Der Gleichspannungsanschluss dann als Hochvoltenergieversorgung betrachtet werden. Vorzugsweise werden die Highside-Treiber mit einer anderen der beiden Energieversorgung betrieben als die Lowside-Treiber. Im letztgenannten Fall ergibt sich eine teilredundante Versorgung der Treiber, so dass bei Ausfall einer Spannungsversorgung einiger Treiber die andere Spannungsversorgung die verbleibenden Treiber versorgt, und diese Treiber die hiervon angesteuerten Transistoren in einen sperrenden Zustand versetzen können. Einerseits können die Highside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) mit der Hochvoltenergieversorgung (d.h. mit dem Gleichspannungsanschluss) verbunden sind, und die Lowside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) können mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden sein. Andererseits können die Lowside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) mit der Hochvoltenergieversorgung (d.h. mit dem Gleichspannungsanschluss) verbunden sind, und die Highside-Treiber (bzw. deren Versorgungseingänge) können mit der Niedervoltenergieversorgung verbunden sein.Another embodiment provides that the inverter has high-side and low-side drivers. The high-side drivers are connected to the high-side transistors. The low-side drivers are connected to the low-side transistors. The drivers each have supply inputs via which they can be supplied with a supply voltage. The supply inputs of the lowside drivers are preferably connected to a low-voltage power supply, but can also be connected directly or indirectly to the DC voltage connection (which thus forms a high-voltage power supply). The supply inputs of the high-side drivers are connected to the low-voltage power supply or, as an alternative embodiment, are connected directly or indirectly to the DC voltage connection (i.e. to a high-voltage power supply). The DC voltage connection can then be viewed as a high-voltage power supply. The high-side drivers are preferably operated with a different of the two energy supplies than the low-side drivers. In the latter case, there is a partially redundant supply of the drivers, so that if one voltage supply of some drivers fails, the other voltage supply supplies the remaining drivers, and these drivers can put the transistors controlled by them into a blocking state. On the one hand, the high-side drivers (or their supply inputs) can be connected to the high-voltage power supply (i.e. to the DC voltage connection), and the low-side drivers (or their supply inputs) can be connected to the low-voltage power supply. On the other hand, the low-side drivers (or their supply inputs) can be connected to the high-voltage power supply (i.e. to the DC voltage connection), and the high-side drivers (or their supply inputs) can be connected to the low-voltage power supply.
Der Gleichspannungsanschluss kann beispielsweise einen 400 V - oder 800 V - Anschluss sein, während die Niedervoltenergieversorgung dargestellt wird von einem Niedervoltbordnetzzweig. Dieser kann beispielsweise über einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sein bzw. mit dessen Potentialen oder Potentialschienen. Vorzugsweise umfasst die Niederspannungsenergieversorgung einen Niederspannungs-Akkumulator. Die Vorsilbe „Niedervolt-“ definiert eine Nenn-Betriebsspannung der betreffenden Komponente von nicht mehr als 12 V, 13 V, 14, V, 24 V, 48 V oder weniger als 60 V. Die Vorsilbe „Hochvolt-“ definiert eine Nenn-Betriebsspannung der betreffenden Komponente von mindestens 60 V, 100 V, 200 V, 400 V oder 800 V.The direct voltage connection can be, for example, a 400 V or 800 V connection, while the low-voltage energy supply is represented by a low-voltage on-board network branch. This can, for example, be connected to the DC voltage connection or to its potentials or potential bars via a galvanically isolating DC voltage converter. The low-voltage energy supply preferably comprises a low-voltage accumulator. The prefix “low voltage” defines a nominal operating voltage of the relevant component of no more than 12 V, 13 V, 14, V, 24 V, 48 V or less than 60 V. The prefix “high voltage” defines a nominal operating voltage the component concerned of at least 60 V, 100 V, 200 V, 400 V or 800 V.
Der Inverter kann eine Steuerung aufweisen, die eingerichtet ist, in einem Fahr- oder Rekuperationszustand die selbstleitenden Transistoren der Halbbrücken getaktet anzusteuern, insbesondere zur Erzeugung eines Drehstroms an dem Phasenanschluss oder einer gleichgerichteten Spannung an dem Gleichspannungsanschluss. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, in einem Fahr- oder Rekuperationszustand die Halbbrücken anzusteuern, einen (mehrphasigen) Sinus-Drehstrom zu erzeugen, der durch die verschiedenen Halbbrücken fließt. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem Rückfallzustand die selbstleitenden Transistoren in einem leitenden Zustand vorzusehen, d. h. diese zu schließen oder gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern. Dadurch wird ein Kurzschluss der Phasen des Phasenanschlusses erzeugt. Wenn in diesem Zustand beispielsweise das Fahrzeug, in dem sich der Inverter befindet, noch ausrollt und somit der Elektromotor durch die kinetische Energie des Fahrzeugs als Generator angetrieben wird, kann der Elektromotor abhängig von seiner Ausgestaltung eine Spannung erzeugen, die unerwünscht hoch sein kann. Um dies zu vermeiden, wird daher in einem Rückfallzustand der Kurzschluss wie erwähnt erzeugt. Der Rückfallzustand kann einem Fehlerzustand entsprechen, in dem ein Fehler im Fahrzeugbordnetz, beispielsweise im elektrischen Antrieb, im Elektromotor oder anderen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs festgestellt wird. Um weitere Schäden zu vermeiden, wird dann, wenn ein derartiger Fehler erkannt wird, ein Rückfallzustand bzw. eine Rückfallposition für den Inverter eingestellt, wobei in diesem Zustand die Phasenanschlüsse, d. h. die Wicklungsanschlüsse des angeschlossenen Elektromotors kurzgeschlossen sind.The inverter can have a controller that is set up to control the normally on transistors of the half bridges in a clocked manner in a driving or recuperation state, in particular to generate a three-phase current at the phase connection or a rectified voltage at the DC voltage connection. In particular, the controller is set up to control the half bridges in a driving or recuperation state, to generate a (multi-phase) sinusoidal three-phase current which flows through the various half bridges. The controller is also set up in to provide the normally on transistors in a conductive state in a fallback state, ie to close them or to control them according to a closed state. This creates a short circuit between the phases of the phase connection. If, for example, the vehicle in which the inverter is located is still coasting in this state and the electric motor is driven as a generator by the kinetic energy of the vehicle, the electric motor can, depending on its design, generate a voltage that can be undesirably high. In order to avoid this, the short circuit is therefore generated as mentioned in a fallback state. The fallback state can correspond to an error state in which a fault is detected in the vehicle electrical system, for example in the electric drive, in the electric motor or other components of the electric drive train. In order to avoid further damage, if such a fault is detected, a fallback state or a fallback position is set for the inverter, the phase connections, ie the winding connections of the connected electric motor being short-circuited in this state.
Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Traktionsantrieb beschrieben, wobei der Traktionsantrieb den Elektromotor-Inverter sowie eine permanenterregte elektrische Maschine aufweist. Die permanenterregte elektrische Maschine bildet hierbei den Elektromotor. Die permanenterregte elektrische Maschine ist an den Phasenanschluss des Elektromotor-Inverters angeschlossen. Hierbei sind die Wicklungsanschlüsse der permanenterregten Maschine an die Phasenanschlüsse des Elektromotor-Inverters angeschlossen. Der Elektromotor-Inverter sowie die permanenterregte Maschine sind vorzugsweise als Hochvoltkomponenten ausgelegt. Dies gilt auch für die Transistoren, die hierin beschrieben sind.Furthermore, a vehicle electrical system with a traction drive is described, the traction drive having the electric motor inverter and a permanently excited electric machine. The permanently excited electrical machine forms the electric motor. The permanently excited electrical machine is connected to the phase connection of the electric motor inverter. Here, the winding connections of the permanent magnet machine are connected to the phase connections of the electric motor inverter. The electric motor inverter and the permanently excited machine are preferably designed as high-voltage components. This also applies to the transistors described herein.
Es wird die Verwendung von JFETs zur Ausbildung eines Inverters eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs beschrieben, insbesondere eines elektrischen Antriebs mit einer permanenterregten elektrischen Maschine, die von dem Inverter versorgt wird. Durch den selbstleitenden Charakter der JFETs ergibt sich ein Kurzschluss der Phasen der elektrischen Maschine, so dass im Generatorzustand die elektrische Maschine keine schädlichen, hohen Spannungen an den Inverter abgibt.The use of JFETs for forming an inverter of an electrical drive of a vehicle is described, in particular an electrical drive with a permanently excited electrical machine that is supplied by the inverter. The self-conducting character of the JFETs results in a short circuit in the phases of the electrical machine, so that in the generator state, the electrical machine does not transmit any harmful, high voltages to the inverter.
Die
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Die Highside-Transistoren sind in den
Die in den
In der
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2020
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