DE102021102950A1 - Active filter in the semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird eine Leistungsstufe (1) zum Ansteuern eines Elektromotors, vorzugsweise Leistungsstufe (1) eines Spannungswandlers oder eines Umrichters oder eines Inverters oder eines Fahrtreglers zum Ansteuern eines Elektromotors oder Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs, umfassend einen steuerbaren oder schaltbaren Leistungshalbleiter (10), der über eine Versorgungsleitung (20) mit elektrischer Energie versorgt wird, und einen mit dem Leistungshalbleiter (10) thermisch verbundenen Kühlkörper (11), und ein Gehäuse (12) zum Haltern und/oder Aufnehmen des Leistungshalbleiters (10) und des Kühlkörpers (11), und einem ersten Kondensator (31) zum Unterdrücken hochfrequenter Störungen, wobei der erste Kondensator (31) zwischen der Versorgungsleitung (20) und dem Gehäuse (12) geschaltet ist. Wesentlich dabei ist, dass ein aktiver Filter (35) zwischen der Versorgungsleitung (20) des Leistungshalbleiters (10) und dem Kühlkörper (11) geschaltet ist.Proposed is a power stage (1) for driving an electric motor, preferably a power stage (1) of a voltage converter or a converter or an inverter or a cruise controller for driving an electric motor or traction motor of an electric vehicle, comprising a controllable or switchable power semiconductor (10) which has a Supply line (20) is supplied with electrical energy, and a heat sink (11) thermally connected to the power semiconductor (10), and a housing (12) for holding and/or accommodating the power semiconductor (10) and the heat sink (11), and a first capacitor (31) for suppressing high-frequency interference, the first capacitor (31) being connected between the supply line (20) and the housing (12). It is essential that an active filter (35) is connected between the supply line (20) of the power semiconductor (10) and the heat sink (11).
Description
Die Erfindung betrifft eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors, insbesondere eines Traktionsmotors in einem Fahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a power stage for controlling an electric motor, in particular a traction motor in a vehicle, having the features of the preamble of
Zum Entstören von bekannten Leistungsstufen werden Y-Kondensatoren verwendet, welche zwischen einer Versorgungsleitung und einem Gehäuse angeordnet sind. Ein Nachteil bekannter Schaltungen mit Y-Kondensatoren zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ist, dass die Y-Kondensatoren für eine hinreichende Störunterdrückung hohe Kapazitätswerte aufweisen müssen. Speziell in Hochvoltsystemen darf der Y-Kondensator aber innerhalb eines Systems nur einen bestimmten maximalen Kapazitäts-Wert annehmen, um aus Sicherheitsgründen die in dem Kondensator gespeicherte elektrische Energie unterhalb eines vorgeschriebenen Grenzwertes zu halten. Der daraus resultierende maximal mögliche Wert des Y-Kondensators hat zur Folge, dass eine hinreichende Entstörung nur in einem begrenzten Frequenzbereich möglich ist. Dadurch sind weitere kosten- und bauraumaufwendige Filtermaßnahmen notwendig.Y-capacitors, which are arranged between a supply line and a housing, are used to suppress interference from known power stages. A disadvantage of known circuits with Y-capacitors for suppressing common-mode interference is that the Y-capacitors must have high capacitance values for adequate interference suppression. In high-voltage systems in particular, however, the Y-capacitor within a system may only assume a certain maximum capacitance value in order to keep the electrical energy stored in the capacitor below a prescribed limit value for safety reasons. The resulting maximum possible value of the Y capacitor means that adequate interference suppression is only possible in a limited frequency range. As a result, additional filter measures that require a great deal of cost and installation space are necessary.
Weiter sind bereits aktive Filter bekannt, welche zwischen einer Versorgungsleitung und einem Gehäuse angeordnet sind, wobei zum Entstören der Leistungsstufe große simulierte Ströme notwendig sind.Furthermore, active filters are already known, which are arranged between a supply line and a housing, with large simulated currents being necessary to suppress interference from the power stage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors mit verbesserten Entstöreigenschaften zur Verfügung zu stellen, die vorzugsweise bei einem geringen Bauvolumen eine gute Unterdrückung für einen breiten Frequenzbereich, d.h. auch für hochfrequente Störsignale besitzt.The object of the invention is to provide a power stage for controlling an electric motor with improved interference suppression properties, which preferably has a small overall volume and good suppression for a wide frequency range, i.e. also for high-frequency interference signals.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leistungsstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a power stage having the features of
Erfindungsgemäß ist eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors vorgesehen, vorzugsweise eine Leistungsstufe eines Spannungswandlers oder eines Umrichters oder eines Inverters oder eines Fahrtreglers zum Ansteuern eines Elektromotors oder Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs. Die Leistungsstufe umfasst einen steuerbaren oder schaltbaren Leistungshalbleiter, der über eine Versorgungsleitung mit elektrischer Energie versorgt wird, und einen mit dem Leistungshalbleiter thermisch verbundenen Kühlkörper, und ein Gehäuse zum Haltern und/oder Aufnehmen des Leistungshalbleiters und des Kühlkörpers, und einem ersten Kondensator zum Unterdrücken hochfrequenter Störungen, wobei der erste Kondensator zwischen der Versorgungsleitung und dem Gehäuse geschaltet ist. Wesentlich dabei ist, dass ein aktiver Filter zwischen der Versorgungsleitung des Leistungshalbleiters und dem Kühlkörper geschaltet ist.According to the invention, a power stage for driving an electric motor is provided, preferably a power stage of a voltage converter or a converter or an inverter or a speed controller for driving an electric motor or traction motor of an electric vehicle. The power stage comprises a controllable or switchable power semiconductor, which is supplied with electrical energy via a supply line, and a heat sink thermally connected to the power semiconductor, and a housing for holding and/or accommodating the power semiconductor and the heat sink, and a first capacitor for suppressing high-frequency Disturbances, wherein the first capacitor is connected between the supply line and the housing. It is essential that an active filter is connected between the supply line of the power semiconductor and the heat sink.
Vorteilhaft ist, dass neben dem ersten Kondensator ein aktiver Filter nahe dem Leistungshalbleiter ausgebildet ist. So werden Störsignale durch den ersten Kondensator zwischen der Versorgungsleitung und dem Gehäuse zur Störquelle zurückgeleitet oder unterdrückt. Entsprechend der Kapazität des ersten Kondensators kann dieser bei größerer Kapazität eher niedrigere Störfrequenzen dämpfen, und bei kleinerer Kapazität eher Störsignale mit höherer Frequenz dämpfen. Störsignale mit höheren Frequenzen und/oder in einem breiteren Frequenzband, beispielsweise in einem Bereich von 10 KHz bis 100 MHz, vorzugsweise in einem Bereich von 20KHz bis 50 MHz, werden durch den aktiven Filter zwischen der Versorgungsleitung und dem Kühlkörper abgeleitet bzw. unterdrückt. Dadurch können Störungen in einem breiten Frequenzband effektiv unterdrückt werden. Die Frequenz, ab der Störsignale eher von dem ersten Kondensator oder dem aktiven Filter abgeleitet oder unterdrückt werden, hängt von den Kapazitätswerten und dem Verhältnis der beiden Bauteile zueinander ab. Insbesondere kann der erste Kondensator als ein Y-Kondensator ausgebildet sein.It is advantageous that an active filter is formed close to the power semiconductor in addition to the first capacitor. In this way, interference signals are returned to the interference source or suppressed by the first capacitor between the supply line and the housing. According to the capacitance of the first capacitor, it can tend to dampen lower interference frequencies with a larger capacitance, and tend to dampen interference signals with a higher frequency with a smaller capacitance. Interference signals with higher frequencies and/or in a wider frequency band, for example in a range from 10 kHz to 100 MHz, preferably in a range from 20 kHz to 50 MHz, are diverted or suppressed by the active filter between the supply line and the heat sink. As a result, interference in a wide frequency band can be effectively suppressed. The frequency above which interference signals are more likely to be derived or suppressed by the first capacitor or the active filter depends on the capacitance values and the ratio of the two components to one another. In particular, the first capacitor can be in the form of a Y capacitor.
Es kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der aktive Filter in unmittelbarer Nähe zum Leistungshalbleiter angeordnet ist. Vorzugsweise ist außer der Versorgungsleitung kein weiteres Bauteil zwischen aktivem Filter und dem Leistungshalbleiter ausgebildet. Vorzugsweise ist außer dem Kühlkörper und/oder einem Isolator kein weiteres Bauteil zwischen aktivem Filter und dem Leistungshalbleiter ausgebildet. Durch die Nähe des aktiven Filters zum Leistungshalbleiter können im Vergleich zu bereits bekannten Schaltungen mit aktivem Filter die notwendigen Ströme zum Unterdrücken der Störsignale kleiner gehalten werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die kurzen Leitungen zwischen Leistungshalbleiter, also der Störquelle, und dem aktiven Filter eine Abstrahlung der Störungen minimiert wird. Dadurch wird eine bessere Entstörung, insbesondere im höheren Frequenzbereich, vorzugsweise im Frequenzbereich größer 1 MHz, erhalten. Unter kurzen Leitungen werden insbesondere Leitungen kürzer als 1 0cm, vorzugsweise 5cm verstanden, oder Leitungen kürzer als 1/10 oder 1/30 oder 1/50 der Wellenlänge einer Störstrahlung, entsprechend der Grundschwingung der Schaltfrequenz, vorzugsweise der maximalen Schaltfrequenz, des Leistungshalbleiters verstanden, also insbesondere ohne Betrachtung von Oberwellen.In an advantageous embodiment, provision can be made for the active filter to be arranged in the immediate vicinity of the power semiconductor. Apart from the supply line, no further component is preferably formed between the active filter and the power semiconductor. Apart from the heat sink and/or an insulator, no further component is preferably formed between the active filter and the power semiconductor. Due to the proximity of the active filter to the power semiconductor, the currents required to suppress the interference signals can be kept smaller in comparison to already known circuits with an active filter. Another advantage is that the short lines between the power semiconductor, i.e. the source of interference, and the active filter minimize the emission of interference. As a result, better interference suppression is obtained, particularly in the higher frequency range, preferably in the frequency range greater than 1 MHz. Short lines mean in particular lines shorter than 10 cm, preferably 5 cm, or lines shorter than 1/10 or 1/30 or 1/50 of the wavelength of an interference radiation, corresponding to the fundamental oscillation of the switching frequency, preferably the maximum switching frequency, of the power semiconductor. i.e. in particular without considering harmonics.
Vorzugsweise umfasst der aktive Filter einen Verstärker und kann als ein einstufiger oder mehrstufiger aktiver Filter ausgebildet sein. Insbesondere bewirkt der aktive Filter, dass ein an einer Versorgungsleitung abgegriffenes Störsignal in einer Verstärkerschaltung verstärkt und mit entgegengesetzter Polarität als Korrektursignal wieder in die Versorgungsleitung eingespeist wird. Dadurch wird das Störsignal gedämpft bzw. unterdrückt. Auch eine Kombination aus einer passiven Filterschaltung mit einem aktiven Filter ist denkbar.Preferably, the active filter includes an amplifier and may be a single-stage or multi-stage active filter. In particular, the active filter causes an interference signal picked up on a supply line to be amplified in an amplifier circuit and fed back into the supply line with the opposite polarity as a correction signal. This dampens or suppresses the interference signal. A combination of a passive filter circuit with an active filter is also conceivable.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter auf derselben Leiterplatte bzw. derselben Platine wie der Leistungshalbleiter angeordnet ist.In one configuration it can be provided that the active filter is arranged on the same circuit board or the same circuit board as the power semiconductor.
Es kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter elektrisch gut leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist, und dass der aktive Filter zugleich gut thermisch isolierend mit dem Kühlkörper verbunden ist. Also dass der aktive Filter elektrisch leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist und thermisch gegen den Kühlkörper isoliert ist. Elektrisch gut leitende Verbindungen sind beispielsweise Verbindungen mit einem elektrischen Widerstand von weniger als 1 Ohm, vorzugsweise weniger als 0,5 Ohm, höchst vorzugsweise weniger als 0,1 Ohm. Thermisch gut isolierende Verbindungen sind beispielsweise Anordnungen oder Verbindungen mit einem Wärmewiderstand von 1 KAN, vorzugsweise 0,5 K/W, höchst vorzugsweise 0,1 K/W. Vorteilhafterweise wird durch die schlechte thermische Leitung ein Aufheizen des aktiven Filters vermieden. Insbesondere ist der aktive Filter derart angeordnet und/oder mit dem Kühlkörper verbunden, dass die Temperatur des aktiven Filters kleiner ist als die Temperatur des Kühlkörpers. Beispielsweise kann der aktive Filter mit einem eigenen Kühlkörper verbunden sein, insbesondere um die Temperatur des aktiven Filters gering zu halten.Provision can be made for the active filter to be connected to the heat sink in a manner that provides good electrical conductivity, and for the active filter to be connected to the heat sink in a manner that is good thermal insulation at the same time. This means that the active filter is electrically conductively connected to the heat sink and is thermally insulated from the heat sink. Connections with good electrical conductivity are, for example, connections with an electrical resistance of less than 1 ohm, preferably less than 0.5 ohm, most preferably less than 0.1 ohm. Connections with good thermal insulation are, for example, arrangements or connections with a thermal resistance of 1 KAN, preferably 0.5 K/W, most preferably 0.1 K/W. Advantageously, the poor thermal conduction prevents the active filter from heating up. In particular, the active filter is arranged and/or connected to the heat sink in such a way that the temperature of the active filter is lower than the temperature of the heat sink. For example, the active filter can be connected to its own heat sink, in particular to keep the temperature of the active filter low.
Es kann vorgesehen sein das der Leistungshalbleiter elektronisch isoliert an dem Kühlkörper befestigt ist, beispielsweise verschraubt ist, oder verklebt ist, oder verklemmt ist.Provision can be made for the power semiconductor to be attached to the heat sink in an electronically insulated manner, for example screwed, or glued, or clamped.
Die Versorgungsleitung kann eine Hochspannungsleitung sein. Insbesondere kann die Versorgungsleitung eine Spannung ≥ 50 V, vorzugsweise eine Spannung ≥ 200 V, höchst vorzugsweise eine Spannung ≥ 400 V aufweisen.The supply line can be a high-voltage line. In particular, the supply line can have a voltage of ≧50 V, preferably a voltage of ≧200 V, most preferably a voltage of ≧400 V.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zwischen Kühlkörper und dem Gehäuse ein Isolator ausgebildet ist, um den Kühlkörper und das Gehäuse galvanisch derart zu trennen, dass der Kühlkörper und das Gehäuse mit dem Isolator einen zweiten Kondensator ausbilden. Alternativ oder ergänzend kann zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse ein zweiter Kondensator angeordnet sein. Der zweite Kondensator schafft für Wechselspannungen oder hochfrequente Störungen einen geringen Übergangswiderstand bzw. eine Überbrückung zwischen Isolator und Gehäuse.Provision can advantageously be made for an insulator to be formed between the heat sink and the housing in order to electrically isolate the heat sink and the housing in such a way that the heat sink and the housing with the insulator form a second capacitor. Alternatively or additionally, a second capacitor can be arranged between the heat sink and the housing. The second capacitor creates a low contact resistance or a bridge between the insulator and the housing for AC voltages or high-frequency interference.
Als Isolator kann vorzugweise Aluminiumoxid, thermisches Silizium, PPL (Polypropylen), PE (Polyethylen), Kunststoffe, Teflon (Polytetrafluorethylen), Luft und/oder Luftschaum verwendet werden. Vorzugweise gilt bei Ausgestaltungen, bei welchen der Kühlkörper und das Gehäuse mit dazwischenliegendem Isolator einen Kondensator ausbilden, als Obergrenze des Abstands zwischen Kühlkörper und Gehäuse eine Größe von maximal 2 cm. Höchst vorzugweise darf der Abstand maximal 10 % der Kantenlänge des Kühlkörpers sein. Beispielsweise kann der Abstand zwischen Kühlkörper und Gehäuse im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen.Aluminum oxide, thermal silicon, PPL (polypropylene), PE (polyethylene), plastics, Teflon (polytetrafluoroethylene), air and/or air foam can preferably be used as the insulator. Preferably, in configurations in which the heat sink and the housing form a capacitor with an insulator lying between them, the upper limit of the distance between the heat sink and the housing is a maximum of 2 cm. Most preferably, the distance may be a maximum of 10% of the edge length of the heat sink. For example, the distance between the heat sink and the housing can be in the range between 0.5 mm and 5 mm.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste Kondensator und/oder der aktive Filter und/oder der zweite Kondensator jeweils ein Entstörmodul bildet.In a preferred embodiment, it can be provided that the first capacitor and/or the active filter and/or the second capacitor each form an interference suppression module.
Insbesondere kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein Entstörmodul oder eine Entstöranordnung aus einer Reihenschaltung des aktiven Filters und zweiten Kondensators, und einer Parallelschaltung des ersten Kondensators mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter mit dem zweiten Kondensator gebildet ist. Dabei kann der erste Kondensator zur Unterdrückung höherer Frequenzen ausgebildet sein. Die Kapazität des Kondensators kann insbesondere geringer sein als die Kapazität eines vergleichbaren herkömmlichen Y-Kondensators. Der erste Kondensator kann so beispielsweise Störsignale mit höherer Frequenz unterdrücken. Über das aktive Filter können niedrige Frequenzen gedämpft werden. Dadurch kann ein breites Band an Störfrequenzen, insbesondere von niedrigen Störfrequenzen, beispielsweise im KHz Bereich, bis hin zu hohen Störfrequenzen, beispielsweise im Bereich von 100 MHz oder 1 GHz, gedämpft werden. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die in dem ersten Kondensator gespeicherte elektrische Energie auch bei hohen Spannungen auf der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt. Dadurch kann auch bei hohen Versorgungsspannungen und guter Störsignaldämpfung eine hohe Sicherheit gewährleistet werden. Der aktive Filter kann zur effektiven Unterdrückung eines breiten Frequenz-Bandes eingesetzt werden. Durch die Reihenschaltung des aktiven Filters mit dem kapazitätsmäßig relativ kleinen zweiten Kondensator bleibt die aus dieser Reihenschaltung für die Versorgungsleitung resultierende Kapazität gering, so dass die insgesamt gespeicherte Energie auch bei hohen Spannungen der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt.In particular, one configuration can provide that an interference suppression module or an interference suppression arrangement is formed from a series connection of the active filter and second capacitor, and a parallel connection of the first capacitor with the series-connected active filter with the second capacitor. In this case, the first capacitor can be designed to suppress higher frequencies. In particular, the capacitance of the capacitor can be lower than the capacitance of a comparable conventional Y-capacitor. The first capacitor can thus, for example, suppress interference signals with a higher frequency. Low frequencies can be attenuated via the active filter. As a result, a wide range of interference frequencies, in particular from low interference frequencies, for example in the KHz range, to high interference frequencies, for example in the 100 MHz or 1 GHz range, can be damped. At the same time, it is ensured that the electrical energy stored in the first capacitor remains below a specific limit value even in the case of high voltages on the supply line. As a result, a high level of safety can be guaranteed even with high supply voltages and good interference signal damping. The active filter can be used to effectively suppress a wide frequency band. Due to the series connection of the active filter with the second capacitor, which has a relatively small capacitance, the capacitance resulting from this series connection for the supply line remains low, so that the total energy stored remains high even with high spans ments of the supply line remains below a certain limit value.
Durch den Isolator, also der galvanischen Trennung zwischen Kühlkörper und Gehäuse werden Störungen, insbesondere niederfrequente Störungen nicht ungehindert von dem Kühlkörper in die Grundplatte oder das Gehäuse geleitet und können demzufolge von dort nicht in weitere Bauteile eingestrahlt werden. Störungen hoher Frequenz können zwar den zweiten Kondensator passieren, werden jedoch durch den ersten Kondensator und/oder den aktiven Filter wirkungsvoll unterdrückt. Dadurch wird die Entstörung auch für hohe Frequenzen weiter verbessert.The insulator, i.e. the galvanic separation between the heat sink and the housing, means that interference, in particular low-frequency interference, cannot be conducted unhindered from the heat sink into the base plate or the housing and can therefore not be radiated from there into other components. Although high-frequency interference can pass through the second capacitor, it is effectively suppressed by the first capacitor and/or the active filter. This further improves the interference suppression, even for high frequencies.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Kondensator eine Kapazität im Bereich von 100 nF bis 5 nF aufweist, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich von 80 nF bis 10 nF aufweist, höchst vorzugweise eine Kapazität im Bereich von 50 nF bis 20 nF aufweist.It can be provided that the first capacitor has a capacitance in the range from 100 nF to 5 nF, preferably has a capacitance in the range from 80 nF to 10 nF, most preferably has a capacitance in the range from 50 nF to 20 nF.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Kondensator eine Kapazität im Bereich zwischen 10 pF und 100 nF, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich zwischen 20 pF und 20 nF aufweist.Provision can be made for the second capacitor to have a capacitance in the range between 10 pF and 100 nF, preferably a capacitance in the range between 20 pF and 20 nF.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des zweiten Kondensators derart bemessen ist, dass die in den Entstörmodulen maximal gespeicherte Energie ≤ 300 mJ ist, vorzugsweise ≤ 200 mJ ist, höchst vorzugsweise ≤ 150 mJ ist. Die in den Entstörmodulen maximal gespeicherte Energie kann einem vorgegebenen Grenzwert entsprechen oder unterhalb desselben liegen.Provision can be made for the capacitance of the second capacitor to be dimensioned in such a way that the maximum energy stored in the interference suppression modules is ≦300 mJ, preferably ≦200 mJ, most preferably ≦150 mJ. The maximum energy stored in the interference suppression modules can correspond to a predetermined limit value or be below it.
Üblicherweise wird der erste Kondensator oder der aktive Filter über Anschlussleitungen kontaktiert, die ihrerseits eine bestimmte Induktivität aufweisen. Durch diese Induktivität kann es bei bestimmten Frequenzen, insbesondere höheren Frequenzen, zu unerwünschten Resonanzeffekten kommen. Daher ist man bemüht die Anschlussinduktivität möglichst gering zu halten, beispielsweise durch entsprechende, insbesondere geradlinige Leitungsführung und/oder der Verwendung entsprechend großer Leitungsquerschnitte. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anschlussinduktivität des aktiven Filters zum Kühlkörper jeweils im Bereich von 1 nH bis 100 nH liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 nH und 50 nH liegt.Contact is usually made with the first capacitor or the active filter via connection lines, which in turn have a specific inductance. This inductance can lead to undesired resonance effects at certain frequencies, particularly higher frequencies. Efforts are therefore made to keep the connection inductance as low as possible, for example by appropriate, in particular straight line routing and/or the use of correspondingly large line cross sections. In particular, it can be provided that the connection inductance of the active filter to the heat sink is in the range from 1 nH to 100 nH, preferably in the range between 5 nH and 50 nH.
Es kann vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitung mehrpolig ist und dass zwischen dem Gehäuse und den mehreren Polen der Versorgungsleitung, vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung, jeweils ein erster Kondensator geschaltet ist, und dass zwischen dem Kühlkörper und mehreren Polen der Versorgungsleitung, vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung, jeweils ein aktiver Filter geschaltet ist. Durch diese Anordnung können sowohl einpolige Versorgungsleitungen wie auch mehrpolige Versorgungsleitungen entstört werden.It can be provided that the supply line is multi-pole and that a first capacitor is connected between the housing and the several poles of the supply line, preferably all poles of the supply line, and that between the heat sink and several poles of the supply line, preferably all poles of the Supply line, in each case an active filter is connected. With this arrangement, both single-pole supply lines and multi-pole supply lines can be suppressed.
Es kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter eine Verstärkerschaltung mit einer Vorstufe umfasst, deren Eingang mittels eines galvanisch getrennten Abgriffs symmetrisch mit der Versorgungsleitung verbunden ist, um ein Störsignal abzugreifen, und mit einer von der Vorstufe angesteuerten Endstufe, deren Ausgang über jeweils einen Ausgangskondensator mit dem Kühlkörper symmetrisch verbunden ist, um ein Korrektursignal einzuspeisen, wobei der Abgriff des Störsignals und die Einspeisung des Korrektursignals jeweils an derselben Stelle einer Versorgungsleitung erfolgt. Der Abgriff und die Einspeisung erfolgen galvanisch getrennt. Die galvanische Trennung zwischen dem Verstärker und der Versorgungsleitung im Abgriff des Störsignales sowie bei der Einkopplung des Korrektursignales ermöglicht, dass der Verstärker auf einem niedrigeren Spannungslevel betrieben wird als die zu filternde Versorgungsleitung. Dadurch ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei hohen Spannungen möglich.It can be provided that the active filter comprises an amplifier circuit with a preliminary stage, the input of which is connected symmetrically to the supply line by means of a galvanically isolated tap in order to tap off an interference signal, and with an output stage controlled by the preliminary stage, whose output is connected via an output capacitor in each case is symmetrically connected to the heat sink in order to feed in a correction signal, the interference signal being tapped off and the correction signal being fed in in each case at the same point on a supply line. The tap and the feed are galvanically isolated. The galvanic isolation between the amplifier and the supply line where the interference signal is picked up and when the correction signal is coupled in allows the amplifier to be operated at a lower voltage level than the supply line to be filtered. As a result, the device according to the invention can also be used at high voltages.
Unter Abgriff des Störsignales und der Einspeisung des Korrektursignals an derselben Stelle einer Versorgungsleitung oder des Kühlkörpers versteht man, dass der Abgriff des Störsignals sowie die Einspeisung des Korrektursignals am selben Potential erfolgt, vorzugweise am selben räumlichen Punkt, vorzugsweise über denselben Anschlusspunkt erfolgt. Unter derselben Stelle ist somit das gleiche Wechselstrompotential, das gleiche Gleichstrompotential und die gleiche mechanische Stelle zu verstehen.When the interference signal is tapped and the correction signal is fed in at the same point on a supply line or the heat sink, it is understood that the interference signal is tapped off and the correction signal is fed in at the same potential, preferably at the same spatial point, preferably via the same connection point. Thus, the same location means the same AC potential, the same DC potential, and the same mechanical location.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkerschaltung einen aktiven Filter mit diskreten Halbleitern, vorzugsweise Transistoren, aufweist. Dadurch fallen die Komponenten des aktiven Filters deutlich kleiner und auch billiger aus und können in bevorzugten Ausführungen auf der Platine des Leistungshalbleiters angeordnet werden.It can be provided that the amplifier circuit has an active filter with discrete semiconductors, preferably transistors. As a result, the components of the active filter are significantly smaller and also cheaper and, in preferred embodiments, can be arranged on the circuit board of the power semiconductor.
Um bei dem Abgriff des Sensorsignales und der Einspeisung des Korrektursignales an derselben Stelle eine hohe Störsignalunterdrückung zu erzielen ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verstärker eine kleine Signallaufzeit aufweist. Dadurch werden Phasenverschiebungen zwischen dem Störsignal und dem Korrektursignal minimiert. Auf diese Weise können insbesondere auch transiente oder stochastische Störungen sehr gut unterdrückt werden. Übliche aktive Filter weisen eine entsprechend lange Einschwingzeit auf und sind zur Unterdrückung von transienten oder stochastischen Störungen nicht geeignet. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verstärkerschaltung eine Signallaufzeit zwischen Eingang und Ausgang aufweist, die kleiner gleich 20 ns, vorzugsweise kleiner gleich 10 ns, höchst vorzugsweise kleiner gleich 6 ns, ist. Dadurch ist eine gute Unterdrückung von Störsignalen bis in einen hohen Frequenzbereich, vorzugsweise bis 4 MHz und darüber möglich. Der Frequenzbereich mit der besten Störsignalunterdrückung kann vorzugsweise zwischen 1 Hz und 10 MHz liegen, höchst vorzugsweise zwischen 100 kHz und 4 MHz liegen.In order to achieve high interference signal suppression when the sensor signal is tapped and the correction signal is fed in at the same point, it is preferably provided that the amplifier has a short signal propagation time. This minimizes phase shifts between the interference signal and the correction signal. In this way, in particular, transient or stochastic interference can also be suppressed very well. Conventional active filters have a correspondingly long settling time and are not suitable for suppressing transient or stochastic interference. In particular, it can be provided that the amplifier circuit has a signal propagation time between input and output which is less than or equal to 20 ns, preferably less than or equal to 10 ns, most preferably less than or equal to 6 ns. This enables good suppression of interference signals up to a high frequency range, preferably up to 4 MHz and above. The frequency range with the best interference signal suppression can preferably be between 1 Hz and 10 MHz, most preferably between 100 kHz and 4 MHz.
Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Vorstufe als einstufiger oder zweistufiger Verstärker aufgebaut ist. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Vorstufe einen Tiefpass oder Bandpass bildet. Der Verstärker kann als aktiver Filter mit diskreten Halbleitern, vorzugsweise Transistoren und/oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sein. Der Bandpass, vorzugsweise durch RC-Glieder oder LC-Glieder im Übertragungsweg, beschränkt nach unten (niedrige Frequenzen) die Nutzfrequenz der Vorrichtung und verhindert nach oben (höhere Frequenzen) die Schwingungsneigungen des Verstärkers, indem die Verstärkung im hohen Frequenzbereich abgesenkt wird. In one embodiment, it can be provided that the preliminary stage is constructed as a single-stage or two-stage amplifier. Provision can preferably be made for the preliminary stage to form a low-pass filter or band-pass filter. The amplifier can be constructed as an active filter with discrete semiconductors, preferably transistors and/or field effect transistors. The bandpass filter, preferably using RC elements or LC elements in the transmission path, limits the useful frequency of the device below (low frequencies) and prevents the amplifier from oscillating when it increases (higher frequencies) by lowering the gain in the high frequency range.
Es kann vorgesehen sein, dass die Endstufe als Gegentaktendstufe und/oder als Stromspiegel ausgebildet ist.Provision can be made for the output stage to be designed as a push-pull output stage and/or as a current mirror.
Zur Erhöhung des Ausgangsstromes kann vorgesehen sein, dass die Endstufe kaskadierbar ist bzw. dass die Vorstufe mehrere kaskadierbare Endstufen ansteuert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorstufe zwei kaskadierte Endstufen oder bis zu acht kaskadierte Endstufen ansteuert.In order to increase the output current, it can be provided that the output stage can be cascaded or that the pre-stage controls a plurality of cascaded output stages. In particular, it can be provided that the preliminary stage controls two cascaded output stages or up to eight cascaded output stages.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Traktionsnetz eines Fahrzeugs, umfassend eine Batterie oder einen aufladbaren Akku, einen Traktionsmotor und einen mit dem Traktionsmotor verbundenen Inverter zum Steuern des Traktionsmotors sowie eine zwischen Batterie und Inverter verlaufende Versorgungsleitung, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Inverter eine Leistungsstufe nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispielen aufweist.The object is further achieved by a traction network of a vehicle, comprising a battery or a rechargeable battery, a traction motor and an inverter connected to the traction motor for controlling the traction motor, and a supply line running between the battery and the inverter, it being provided in particular that the inverter has a Has power stage according to one of the preceding embodiments.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Versorgungsleitung zwischen Batterie und Inverter eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist und/oder dass in einer Versorgungsleitung zwischen Inverter und Traktionsmotor eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist.Provision can be made for a choke to suppress high-frequency interference to be arranged in the supply line between the battery and inverter and/or for a choke to suppress high-frequency interference to be arranged in a supply line between the inverter and traction motor.
Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitung und der Kühlkörper jeweils zwischen der Stelle des Abgriffs des Störsignals und der Spannungsquelle entweder eine Drossel aufweist, und/oder eine höhere Impedanz als zwischen der Stelle des Abgriffs des Störsignals und einer Störquelle aufweist.In one configuration, it can be provided that the supply line and the heat sink either have a choke between the point at which the interference signal is picked up and the voltage source and/or have a higher impedance than between the point at which the interference signal is picked up and a source of interference.
Die Drossel stellt eine erhöhte Induktivität dar und verhindert, dass das eingespeiste Korrektursignal von einer kleinen Impedanz der Stromquelle belastet wird. Über die Drossel wird somit eine erhöhte Störsignalunterdrückung erzielt. Durch den Abgriff und die Einspeisung an derselben Stelle wird bei einer hohen Störsignalunterdrückung zugleich eine besonders einfache Implementierung der Vorrichtung in bestehende Systeme erreicht. Eine Anpassung oder eine Änderung von bestehenden Versorgungsleitungen ist nicht notwendig. Die Versorgungsleitung, auf der eine hohe Leistung transportiert wird, muss zudem nicht über den Verstärker geführt werden. Dies vermindert EMV-Probleme und eine Nachrüstung bestehender Systeme wird stark vereinfacht.The choke represents an increased inductance and prevents the supplied correction signal from being loaded by a small impedance of the power source. Increased interference signal suppression is thus achieved via the choke. By tapping and feeding at the same point, a particularly simple implementation of the device in existing systems is achieved at the same time with high interference signal suppression. An adjustment or a change of existing supply lines is not necessary. In addition, the supply line, on which high power is transported, does not have to be routed via the amplifier. This reduces EMC problems and retrofitting existing systems is greatly simplified.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachstehend beschrieben. Dabei zeigen:
-
1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit einer Versorgungsleitung; -
2 : ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit mehreren Versorgungsleitungen; -
3 : ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit einer Versorgungsleitung und galvanisch isoliertem Kühlkörper; -
4 : ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit mehreren Versorgungsleitungen und galvanisch isoliertem Kühlkörper; -
5 : Darstellung einer Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels aus3 ; -
6a : Simulation der Störunterdrückung ohne aktiven Filter; -
6b : Simulation der Störunterdrückung durch das dritte Ausführungsbeispiel aus3 ; -
7 : Simulation des Zeitverlaufs in dem dritten Ausführungsbeispiel aus3 .
-
1 : a first exemplary embodiment of a power stage according to the invention with a supply line; -
2 : a second exemplary embodiment of a power stage according to the invention with a plurality of supply lines; -
3 : a third exemplary embodiment of a power stage according to the invention with a supply line and a galvanically isolated heat sink; -
4 : a fourth exemplary embodiment of a power stage according to the invention with a plurality of supply lines and a galvanically isolated heat sink; -
5 : Representation of a circuit of the third embodiment3 ; -
6a : simulation of interference suppression without an active filter; -
6b : simulation of noise suppression by the third embodiment3 ; -
7 : Simulation of the passage of time in the third embodiment3 .
Der Leistungshalbleiter 10 in
Das Endstörmodul 30 setzt sich in
Der erste Kondensator 31 ist zwischen der Versorgungsleitung 20 und dem Gehäuse 12 angeordnet. Der aktive Filter 35 ist zwischen der Versorgungsleitung 20 und dem Kühlkörper 11 angeordnet. Dabei kann der erste Kondensator 31 zur Unterdrückung höherer Frequenzen ausgebildet sein. Die Kapazität des ersten Kondensators 31 kann insbesondere geringer sein als die Kapazität eines vergleichbaren herkömmlichen Y-Kondensators. Der erste Kondensator 31 kann so beispielsweise Störsignale mit höherer Frequenz unterdrücken. Über den aktive Filter 35 können niedrige Frequenzen gedämpft werden. Dadurch kann ein breites Band an Störfrequenzen, insbesondere von niedrigen Störfrequenzen, beispielsweise im KHz Bereich, bis hin zu hohen Störfrequenzen, beispielsweise im Bereich von 100 MHz oder 1 GHz, gedämpft werden. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die in dem ersten Kondensator gespeicherte elektrische Energie auch bei hohen Spannungen auf der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt. Dadurch kann auch bei hohen Versorgungsspannungen und guter Störsignaldämpfung eine hohe Sicherheit gewährleistet werden. Der aktive Filter 35 kann zur effektiven Unterdrückung eines breiten Frequenz-Bandes eingesetzt werden.The
Die ersten Kondensatoren 31 in
In
In
Die ersten Kondensatoren 31 in
Das Entstörmodul 30 der ersten Versorgungsleitung 20 in
Der vorzugsweise ausgebildete erste Isolator 13 zwischen dem Leistungshalbleiter 10 und dem Kühlkörper 11 in den
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Leistungsstufe power level
- 1010
- Leistungshalbleiterpower semiconductors
- 1111
- Kühlkörperheatsink
- 1212
- GehäuseHousing
- 1313
- erster Isolatorfirst insulator
- 1414
- zweiter Isolator second insulator
- 2020
- Versorgungsleitung supply line
- 3030
- Entstörmodulinterference suppression module
- 3131
- erster Kondensatorfirst capacitor
- 3232
- zweiter Kondensatorsecond condenser
- 3333
- dritter Kondensatorthird capacitor
- 3535
- aktiver Filter active filter
- 4040
- Batteriebattery
- 4141
- Motorengine
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021102950.3A DE102021102950A1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Active filter in the semiconductor module |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102021102950.3A DE102021102950A1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Active filter in the semiconductor module |
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DE102021102950A1 true DE102021102950A1 (en) | 2022-08-11 |
Family
ID=82493403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021102950.3A Withdrawn DE102021102950A1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Active filter in the semiconductor module |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102021102950A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117811353A (en) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 上海纳微格半导体科技有限公司 | Power semiconductor module and power conversion system |
CN117811353B (en) * | 2024-03-01 | 2024-05-31 | 上海纳微格半导体科技有限公司 | Power semiconductor module and power conversion system |
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DE102011013247A1 (en) | 2010-09-09 | 2012-03-15 | Esw Gmbh | Device for suppressing asymmetric electromagnetic interference on asymmetric electric high power line e.g. direct current line, has compensation circuit generating compensation signal and comprising passive filter component |
US20180342947A1 (en) | 2017-05-24 | 2018-11-29 | Hanon Systems | Arrangement for actively suppressing interference signals |
-
2021
- 2021-02-09 DE DE102021102950.3A patent/DE102021102950A1/en not_active Withdrawn
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