DE102022204381A1 - Inverter unit for a multi-phase electrical machine and electrical machine with such an inverter unit - Google Patents

Inverter unit for a multi-phase electrical machine and electrical machine with such an inverter unit Download PDF

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Steffen Reinhardt
Michael Bendel
Jonas Powelske
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Invertereinheit (10) für eine mehrphasige elektrischen Maschine (100), aufweisend eine Brückenschaltung (20) mit mehreren Halbbrücken (22), wobei die Halbbrücken jeweils einen Low-Side (24) und einen High-Side-Schalter (26) aufweisen, und wobei die Invertereinheit (10) eine Steuereinheit (30) aufweist, wobei die Steuereinheit (30) einen High-Side-Treiber (36) zur Ansteuerung des jeweiligen High-Side-Schalters (26) aufweist, und wobei zumindest zwei Halbbrücken (22) je eine Bootstrapeinheit (40) zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers (36) aufweisen. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass wenigstens zwei Bootstrapeinheiten (40) miteinander gekoppelt sind.Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine (100) mit einer erfindungsgemäßen Invertereinheit (10).The invention relates to an inverter unit (10) for a multi-phase electrical machine (100), having a bridge circuit (20) with several half-bridges (22), the half-bridges each having a low-side (24) and a high-side switch (26 ), and wherein the inverter unit (10) has a control unit (30), wherein the control unit (30) has a high-side driver (36) for controlling the respective high-side switch (26), and wherein at least two Half bridges (22) each have a bootstrap unit (40) for supplying energy to the respective high-side driver (36). One aspect of the invention is that at least two bootstrap units (40) are coupled to one another. The invention also relates to an electrical machine (100) with an inverter unit (10) according to the invention.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Invertereinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine, aufweisend eine Brückenschaltung mit mehreren Halbbrücken, wobei die Halbbrücken jeweils einen Low-Side und einen High-Side-Schalter aufweisen, und wobei die Invertereinheit eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit je Halbbrücke einen High-Side-Treiber zur Ansteuerung des jeweiligen High-Side-Schalters aufweist, und wobei zumindest zwei Halbbrücken je eine Bootstrapeinheit zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers aufweisen.The invention relates to an inverter unit for a multi-phase electrical machine, having a bridge circuit with several half-bridges, the half-bridges each having a low-side and a high-side switch, and the inverter unit having a control unit, the control unit having a high for each half-bridge -Side driver for controlling the respective high-side switch, and at least two half bridges each have a bootstrap unit for supplying energy to the respective high-side driver.

Solch eine Invertereinheit ist dem Fachmann bekannt. Werden hierbei die High-Side- und Low-Side-Schalter abwechselnd leitend geschaltet, wechselt das Potential am Mittelabgriff der Halbbrücken zwischen 0V und einer entsprechend für die Invertereinheit von einer Energieversorgungseinheit bereitgestellten Eingangsspannung. Insbesondere werden n-Kanal-MOSFETs allgemein dann niederohmig, wenn das Potential am Gate um die Schwellspannung UGS-on, typisch 6 bis 15 V, positiver ist als am Source-Anschluss. Beim Low-Side-Schalter ist es bei hinreichend hoher Eingangsspannung oder mit geringem Mehraufwand kein Problem, das Gate abwechselnd auf 0 V und auf Werte von ca. 15 V zum Erreichen der Schwellspannung zu legen. Um aber den High-Side-Schalter ansteuern zu können, sind Gate-Potentiale um die Schwellspannung höher als die Spannung der Energieversorgungseinheit nötig. Dies wird häufig mittels einer sogenannten Bootstrapeinheit erreicht, welche eine Diode und einen Kondensator in Kombination mit einem High-Side-Treiber aufweist. Der High-Side-Treiber ist mit seinem Bezugspotential mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden. Zur Initialisierung der Bootstrap-Schaltung, auch als Precharge bezeichnet, wird der Kondensator auf die Eingangsspannung der Energieversorgungseinheit aufgeladen, indem der Low-Side-Schalter eine bestimmte Mindestzeit eingeschaltet wird, während der High-Side-Schalter geöffnet ist. Der Kondensator wird in dieser Halbperiode, während der Low-Side-Schalter leitend ist, auf die Eingangsspannung der Energieversorgungseinheit aufgeladen.Such an inverter unit is known to those skilled in the art. If the high-side and low-side switches are alternately switched on, the potential at the center tap of the half bridges changes between 0V and an input voltage provided for the inverter unit by a power supply unit. In particular, n-channel MOSFETs generally have low resistance when the potential at the gate is more positive than at the source terminal by the threshold voltage UGS-on, typically 6 to 15 V. With the low-side switch, if the input voltage is sufficiently high or with little additional effort, it is no problem to alternately set the gate to 0 V and to values of approx. 15 V to reach the threshold voltage. However, in order to be able to control the high-side switch, gate potentials that are the threshold voltage higher than the voltage of the power supply unit are necessary. This is often achieved using a so-called bootstrap unit, which has a diode and a capacitor in combination with a high-side driver. The high-side driver's reference potential is connected to the center tap of the half bridge. To initialize the bootstrap circuit, also known as precharge, the capacitor is charged to the input voltage of the power supply unit by turning the low-side switch on for a certain minimum time while the high-side switch is open. The capacitor is charged to the input voltage of the power supply unit during this half-period while the low-side switch is conducting.

In der zweiten Halbperiode versorgt der Kondensator den High-Side-Treiber und den Gate-Anschluss des High-Side-Schalters, wodurch dieser durchschaltet, wobei der Low-Side-Schalter geöffnet ist. Ist dann entsprechend der High-Side-Schalter geschlossen, liegt die Spannung am Mittelabgriff nahe der Spannung der Energieversorgungseinheit und der obere Anschluss des Kondensators, welcher die Energieversorgung des High-Side-Treibers übernimmt, auf einem Potential, welches ungefähr der doppelten Eingangsspannung entspricht.In the second half cycle, the capacitor supplies the high-side driver and the gate terminal of the high-side switch, causing it to turn on while the low-side switch is open. If the high-side switch is then closed, the voltage at the center tap is close to the voltage of the energy supply unit and the upper connection of the capacitor, which supplies the energy to the high-side driver, is at a potential which corresponds approximately to twice the input voltage.

Da der Kondensator nur eine endliche Ladungsmenge speichern kann, sich über den High-Side-Treiber entlädt und nach einer gewissen Zeitspanne keine ausreichend große Spannung mehr zur Verfügung stellen kann, um den High-Side-Schalter geschlossen zu halten, muss der Ladevorgang des Kondensators periodisch wiederholt werden, indem der High-Side-Schalter geöffnet und der Low-Side-Schalter geschlossen wird und somit die Halbbrücke entsprechend getaktet wird.Since the capacitor can only store a finite amount of charge, discharges via the high-side driver and after a certain period of time can no longer provide a sufficiently large voltage to keep the high-side switch closed, the charging process of the capacitor must be stopped be repeated periodically by opening the high-side switch and closing the low-side switch and thus clocking the half bridge accordingly.

Die Bootstrap-Schaltung ist daher nicht geeignet, wenn der High-Side-Schalter längere Zeit eingeschaltet bleiben soll.The bootstrap circuit is therefore not suitable if the high-side switch is to remain on for a long time.

Bei Hochvolt-Anordnungen können zudem statt Bootstrapeinheiten potentialfreie Gleichspannungswandler ausgestaltet als sogenannte Fly-Back-Schaltung genutzt werden, um die High-Side-Treiber mit entsprechender Energie zu versorgen. Diese Fly-Back-Schaltung sind jedoch teuer und weisen aufgrund der aufwendigen Schaltungsanordnung einen hohen Platzbedarf auf.In the case of high-voltage arrangements, instead of bootstrap units, potential-free DC-DC converters designed as so-called fly-back circuits can be used to supply the high-side drivers with the appropriate energy. However, these fly-back circuits are expensive and require a lot of space due to the complex circuit arrangement.

Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit solch einer Invertereinheit.The invention also relates to an electrical machine with such an inverter unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft eine Invertereinheit für eine mehrphasige elektrischen Maschine, aufweisend eine Brückenschaltung mit mehreren Halbbrücken, wobei die Halbbrücken jeweils einen Low-Side und einen High-Side-Schalter aufweisen, und wobei die Invertereinheit eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit (je Halbbrücke) einen High-Side-Treiber zur Ansteuerung des jeweiligen High-Side-Schalters aufweist, und wobei zumindest zwei Halbbrücken je eine Bootstrapeinheit zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers aufweisen.The invention relates to an inverter unit for a multi-phase electrical machine, having a bridge circuit with several half-bridges, the half-bridges each having a low-side and a high-side switch, and the inverter unit having a control unit, the control unit (per half-bridge) has a high-side driver for controlling the respective high-side switch, and at least two half bridges each have a bootstrap unit for supplying energy to the respective high-side driver.

Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass wenigstens zwei Bootstrapeinheiten miteinander gekoppelt sind.One aspect of the invention is that at least two bootstrap units are coupled to one another.

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Kopplung eine Energieversorgung einer Bootstrapeinheit einer Halbbrücke mit geschlossenem High-Side-Schalter durch eine andere Bootstrapeinheit einer Halbbrücke mit geöffnetem High-Side-Schalter unterstützt werden kann, wodurch die Halbbrücke mit geschlossenem High-Side-Schalter länger als üblich oder gar dauerhaft in diesem Zustand verweilen kann. Dies bedeutet, dass die Pumpeigenschaften der einzelnen Halbbrücken mit zugehörigen Bootstrapeinheiten verkoppelt sind und hierdurch eine getaktete Halbbrücke die gekoppelten Halbbrücken entsprechend versorgen kann. Hierfür können einfache Bootstrapeinheiten genutzt werden und eine aufwendige Fly-Back-Schaltung kann entfallen, wodurch Kosten und Platzbedarf der Invertereinheit verbessert werden können. Zudem kann die Ansteuerung der Halbbrücken flexibler als bisher gewählt werden.The advantage here is that, through the coupling, a power supply to a bootstrap unit of a half-bridge with a closed high-side switch can be supported by another bootstrap unit of a half-bridge with an open high-side switch, whereby the half-bridge with a closed high-side switch lasts longer than can remain in this state usually or even permanently. This means that the pumping properties of the individual half-bridges are coupled to the associated bootstrap units and thereby a clocked half-bridge controls the coupled half-bridges cken can supply accordingly. Simple bootstrap units can be used for this and a complex fly-back circuit can be omitted, which can improve the cost and space requirements of the inverter unit. In addition, the control of the half bridges can be selected more flexibly than before.

Die elektrische Maschine kann insbesondere als Elektromotor ausgestaltet sein, zum Beispiel als permanenterregte Synchronmaschine, als elektrisch erregte Synchronmaschinen, oder auch als Asynchronmaschine.
Dieser Elektromotor weist zum Beispiel einen Stator und einen Rotor auf. Zudem weist der Elektromotor eine Invertereinheit auf, um die Maschine zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds in den Stator-Spulen entsprechend anzusteuern.
The electric machine can in particular be designed as an electric motor, for example as a permanently excited synchronous machine, as an electrically excited synchronous machine, or as an asynchronous machine.
This electric motor has, for example, a stator and a rotor. In addition, the electric motor has an inverter unit to appropriately control the machine to generate a rotating magnetic field in the stator coils.

Unter Invertereinheit ist hierbei eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom genutzt werden kann, wobei der Gleichstrom von einer Versorgungsspannung einer Energieversorgungseinheit oder auch über eine Zwischenkreisspannung geliefert wird.The term inverter unit is understood to mean an electronic circuit that can be used to convert direct current into alternating current, with the direct current being supplied by a supply voltage of a power supply unit or via an intermediate circuit voltage.

Insbesondere wird mittels der Invertereinheit eine entsprechende Ansteuerung von Stator-Spulen mittels einer Brückenschaltung umgesetzt, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen. Die Schalter der Brückenschaltung können hierbei von der Steuereinheit je nach Bedarf geöffnet oder auch geschlossen werden. Dieses magnetische Drehfeld wiederum treibt im Zusammenspiel mit magnetischen Bauteilen des Rotors den Rotor und letztlich die Rotorwelle an. Die Brückenschaltung weist hierfür mehrere Halbbrücken auf, wobei eine Halbbrücke aus einem Low-Side-Schalter und einem High-Side-Schalter aufgebaut ist und der Mittelabgriff zwischen den beiden Schaltern jeweils zu einer Statorspule führt. Die Low-Side-Schalter und High-Side-Schalter können hierbei als Halbleiterschalter ausgestaltet sein, insbesondere als MOSFETs oder auch als IGBTs.
Eine Halbbrücke mit der zugehörigen Statorspule bildet eine entsprechende Phase des Motors. Hat die Halbbrücken-Schaltung beispielsweise drei Halbbrücken, entspricht dies insgesamt sechs Schaltern, welche dann eine sogenannte B6-Brücke bilden, um wiederum eine dreiphasige elektrische Maschine zu bilden. Die elektrische Maschine kann hierbei prinzipiell mit beliebig vielen Phasen ausgestaltet sein.
In particular, the inverter unit implements a corresponding control of stator coils using a bridge circuit in order to generate a rotating magnetic field. The switches of the bridge circuit can be opened or closed by the control unit as required. This magnetic rotating field, in conjunction with magnetic components of the rotor, drives the rotor and ultimately the rotor shaft. For this purpose, the bridge circuit has several half-bridges, with a half-bridge consisting of a low-side switch and a high-side switch and the center tap between the two switches leads to a stator coil. The low-side switches and high-side switches can be designed as semiconductor switches, in particular as MOSFETs or as IGBTs.
A half bridge with the associated stator coil forms a corresponding phase of the motor. For example, if the half-bridge circuit has three half-bridges, this corresponds to a total of six switches, which then form a so-called B6 bridge, in turn forming a three-phase electrical machine. In principle, the electrical machine can be designed with any number of phases.

Die Steuereinheit kann beispielsweise als ein oder mehrere Mikrocontroller ausgestaltet sein. Hierbei kann es insbesondere innerhalb der Steuereinheit verschiedene separate Steuerungsschaltungen oder auch Steuerungspartitionen geben. So weist die Steuereinheit insbesondere für die jeweiligen High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter entsprechende High-Side-Treiber und Low-Side-Treiber zum Schalten der entsprechenden Schalter der Halbbrücken auf, welche wiederum mittels eines PWM-Verfahrens angesteuert werden können.The control unit can be designed, for example, as one or more microcontrollers. There can be various separate control circuits or control partitions, particularly within the control unit. In particular, the control unit has corresponding high-side drivers and low-side drivers for the respective high-side switches and low-side switches for switching the corresponding switches of the half bridges, which in turn can be controlled using a PWM method .

Unter Bootstrapeinheit ist eine elektrische Schaltung zu verstehen, bei der eine Potentialänderung in einem Teil der Schaltung auch schlagartig in einem anderen wirksam wird. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass Kondensatoren bei geringen Strömen ihre Spannung nur wenig ändern. Sie ziehen eine Potentialänderung auf der einen Seite mit auf die andere (Bootstrap-Effekt). Eine weitere Anwendung des Bootstrap-Effektes ist das Starten eines Halbleiter-Schalters, insbesondere eines NMOS-Transistors als High-Side Schalter einer Halbbrücke. Durch den Spannungserhalt des Kondensators können sogar Spannungen realisiert werden, die über der Eingangsspannung der Invertereinheit durch die Energieversorgungseinheit liegen und somit entsprechend die High-Side-Schalter geschaltet werden.A bootstrap unit is an electrical circuit in which a change in potential in one part of the circuit suddenly becomes effective in another. This takes advantage of the effect that capacitors only change their voltage slightly at low currents. They transfer a change in potential on one side to the other (bootstrap effect). Another application of the bootstrap effect is starting a semiconductor switch, in particular an NMOS transistor as a high-side switch of a half bridge. By maintaining the voltage of the capacitor, voltages can even be realized that are above the input voltage of the inverter unit through the power supply unit and the high-side switches can therefore be switched accordingly.

Unter miteinander gekoppelt ist zu verstehen, dass die Bootstrapeinheiten elektrisch miteinander verbunden sind, um die Energieversorgung der jeweiligen Bootstrapeinheiten zu verbessern.By coupled to one another is meant that the bootstrap units are electrically connected to one another in order to improve the power supply to the respective bootstrap units.

Unter Energieversorgung ist wiederum das Bereitstellen und Aufrechterhalten einer Spannung zu verstehen, die hoch genug ist, um die jeweiligen High-Side-Schalter weiterhin steuern zu können, wenn der High-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke geschlossen ist, bzw. den High-Side-Schalter geschlossen halten zu können.Energy supply in turn means the provision and maintenance of a voltage that is high enough to continue to be able to control the respective high-side switches when the high-side switch of the respective half-bridge is closed, or the high-side -To be able to keep the switch closed.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bootstrapeinheiten derartig miteinander gekoppelt sind, dass die Energieversorgung des High-Side-Treibers einer Halbbrücke mit geschlossenem High-Side-Schalter zumindest teilweise von der Bootstrapeinheit einer Halbbrücke mit geöffnetem High-Side-Schalter übernehmbar ist.One embodiment of the invention provides that the bootstrap units are coupled to one another in such a way that the power supply to the high-side driver of a half-bridge with a closed high-side switch can be at least partially taken over by the bootstrap unit of a half-bridge with an open high-side switch.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Energieversorgung des entsprechenden High-Side-Treibers gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und somit die Ansteuerung der Halbbrücken freier gewählt werden kann, was wiederum zu einer verbesserten Performance der Invertereinheit führen kann.The advantage here is that the energy supply of the corresponding high-side driver is improved compared to the prior art and the control of the half bridges can therefore be selected more freely, which in turn can lead to improved performance of the inverter unit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bootstrapeinheiten jeweils wenigstens eine erste Bootstrap-Schaltung aufweisen und dass wenigstens eine der Bootstrapeinheiten eine zweite Bootstrap-Schaltung aufweist.A further embodiment of the invention provides that the bootstrap units each have at least a first bootstrap circuit and that at least one of the bootstrap units has a second bootstrap circuit.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die zweite Bootstrap-Schaltung für die entsprechende Energieversorgung der ersten Bootstrap-Schaltung einer anderen Bootstrapeinheiten genutzt werden kann. Hierfür ist die Bootstrapeinheit mit einer ersten und einer zweiten Bootstrap-Schaltung über deren zweite Bootstrap-Schaltung mit einer ersten Bootstrap-Schaltung einer anderen Bootstrapeinheit gekoppelt.The advantage here is that the second bootstrap circuit can be used for the corresponding energy supply to the first bootstrap circuit of another bootstrap unit. For this purpose, the bootstrap unit with a first and a second bootstrap circuit is coupled via its second bootstrap circuit to a first bootstrap circuit of another bootstrap unit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Bootstrap-Schaltung und die zweite Bootstrap-Schaltung jeweils zwischen Mittelabgriff der jeweiligen Halbbrücke und einer Spannungsquelle der Invertereinheit angeordnet sind, wobei jeweils die erste Bootstrap-Schaltung zwischen einer ersten Diode und einem ersten Kondensator einen ersten Schaltungsknoten aufweist, welcher mit dem jeweiligen High-Side-Treiber der Halbbrücke verbunden ist, und wobei jeweils die zweite Bootstrap-Schaltung zwischen einer zweiten Diode und einem zweiten Kondensator einen zweiten Schaltungsknoten aufweist, welcher über eine weitere Diode mit dem ersten Schaltungsknoten der ersten Bootstrap-Schaltung einer anderen Bootstrapeinheit verbunden ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies einen schaltungstechnisch einfachen Aufbau der entsprechenden Kopplung der Bootstrapeinheiten ermöglicht.
According to a further embodiment of the invention, it is provided that the first bootstrap circuit and the second bootstrap circuit are each arranged between the center tap of the respective half bridge and a voltage source of the inverter unit, with the first bootstrap circuit being arranged between a first diode and a first capacitor has a first circuit node, which is connected to the respective high-side driver of the half bridge, and wherein in each case the second bootstrap circuit between a second diode and a second capacitor has a second circuit node, which is connected via a further diode to the first circuit node first bootstrap circuit of another bootstrap unit is connected.
The advantage here is that this enables a simple circuit design of the corresponding coupling of the bootstrap units.

Hierbei ist darauf zu achten, dass der zweite Schaltungsknoten nicht mit dem jeweiligen High-Side-Treiber der zugehörigen Bootstrapeinheit verbunden ist und lediglich zur Kopplung der zugehörigen Bootstrapeinheit mit anderen Bootstrapeinheiten dient.It is important to ensure that the second circuit node is not connected to the respective high-side driver of the associated bootstrap unit and only serves to couple the associated bootstrap unit to other bootstrap units.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Invertereinheit zumindest eine Fly-Back-Schaltung zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers aufweist, wobei die Fly-Back-Schaltung an einer Halbbrücke ohne Bootstrapeinheit angeordnet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einzelnen Phasen auf eine Fly-Back-Schaltung zurückgegriffen kann, falls beispielweise keine Kopplung erwünscht ist.
According to a further embodiment of the invention, it is provided that the inverter unit has at least one fly-back circuit for supplying energy to the respective high-side driver, the fly-back circuit being arranged on a half bridge without a bootstrap unit.
The advantage here is that a fly-back circuit can be used for individual phases if, for example, no coupling is desired.

Die Fly-Back-Schaltung ist ein Gleichspannungswandler und dient zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen, um somit die Energieversorgung bei geschlossenem High-Side-Schalter zu gewährleisten und wird insbesondere bei Hochvolt-Anordnungen mit einer Spannung von über 60V genutzt.The fly-back circuit is a DC-DC converter and is used to transmit electrical energy between an input and an output side of galvanically isolated DC voltages in order to ensure the energy supply when the high-side switch is closed and is used in particular in high-voltage arrangements with a voltage of used over 60V.

Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Invertereinheit.
Die elektrische Maschine kann hierbei insbesondere als Elektromotor ausgestaltet sein, beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine, als elektrisch erregte Synchronmaschinen oder auch als Asynchronmaschine. Solch eine elektrische Maschine kann beispielsweise in einem Lenksystem eingesetzt werden, um die Lenkachse entsprechend zu bewegen.
The invention also relates to an electrical machine with an inverter unit according to the invention.
The electric machine can in particular be designed as an electric motor, for example as a permanently excited synchronous machine, as an electrically excited synchronous machine or as an asynchronous machine. Such an electric machine can be used, for example, in a steering system to move the steering axle accordingly.

Zeichnungendrawings

  • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Invertereinheit. 1 shows schematically an exemplary embodiment of an electrical machine according to the invention with an inverter unit according to the invention.
  • 2 zeigt eine Invertereinheit aus dem Stand der Technik im Detail. 2 shows an inverter unit from the prior art in detail.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Invertereinheit im Detail. 3 shows an exemplary embodiment of an inverter unit according to the invention in detail.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Invertereinheit. 1 shows schematically an exemplary embodiment of an electrical machine according to the invention with an inverter unit according to the invention.

Dargestellt ist eine elektrische Maschine 100, beispielsweise für ein bildlich nicht dargestelltes Lenksystem. Die elektrische Maschine 100 ist hierbei als dreiphasiger Elektromotor ausgestaltet und weist eine Rotor-Stator-Einheit 110 auf, an welchem eine bildlich nicht dargestellte Rotorwelle angeordnet ist. Des Weiteren weist die elektrische Maschine 100 ein Invertereinheit 10 auf, welche elektrisch mit der Rotor-Stator-Einheit 110 verbunden ist.An electrical machine 100 is shown, for example for a steering system (not shown). The electric machine 100 is designed as a three-phase electric motor and has a rotor-stator unit 110 on which a rotor shaft, not shown in the picture, is arranged. Furthermore, the electrical machine 100 has an inverter unit 10, which is electrically connected to the rotor-stator unit 110.

Die Invertereinheit 10 weist wiederum eine Brückenschaltung 20 und eine Steuereinheit 30 auf und ist in den 2 und 3 im Detail beschrieben.The inverter unit 10 in turn has a bridge circuit 20 and a control unit 30 and is in the 2 and 3 described in detail.

Die Steuereinheit 30 ist elektrisch mit den bildlich nicht dargestellten Schaltern der Brückenschaltung 20 verbunden, um diese entsprechend ansteuern zu können. Die Steuereinheit 30 ist dazu eingerichtet, die Schalter der Brückenschaltung 20 derartig anzusteuern, dass ein magnetisches Drehfeld mittels Spulen des Stators erzeugt wird, welches den permanent magnetischen Rotor antreibt.The control unit 30 is electrically connected to the switches of the bridge circuit 20 (not shown) in order to be able to control them accordingly. The control unit 30 is set up to control the switches of the bridge circuit 20 in such a way that a rotating magnetic field is generated by means of coils of the stator, which drives the permanently magnetic rotor.

Die Invertereinheit 10 wird mittels einer Energieversorgungseinheit 120 mit Energie versorgt. Die Energieversorgungseinheit 120 kann beispielsweise eine Fahrzeugbatterie oder auch ein anderer Energiespeicher sein.The inverter unit 10 is supplied with energy by means of a power supply unit 120. The energy supply unit 120 can be, for example, a vehicle battery or another energy storage device.

2 zeigt eine Invertereinheit aus dem Stand der Technik im Detail. Dargestellt ist eine Invertereinheit 10 mit einer Brückenschaltung 20, wie sie dem Fachmann bekannt ist. Die Brückenschaltung 20 weist hierbei drei Halbbrücken 22 auf, wobei jede Halbrücke 22 wiederum je zwei Schalter aufweist, welche als Low-Side-Schalter-24 und als High-Side-Schalter 26 derartig angeordnet und verschaltet sind, dass diese eine B6-Brücke bilden, welche wiederum einen dreiphasigen Elektromotor antreiben können. Hierbei wäre jedoch je nach Art der elektrischen Maschine 100 auch eine beliebige Anzahl von weiteren Halbbrücken denkbar. Die Low-Side-Schalter 24 und High-Side-Schalter 26 der Halbbrücken 22 können hierbei insbesondere als Halbleiterschalter ausgestaltet sind, beispielsweise als MOSFETs. Es wären jedoch auch IGBTs als Schalter 24, 26 denkbar. 2 shows an inverter unit from the prior art in detail. An inverter unit 10 with a bridge circuit 20, as is known to those skilled in the art, is shown. The bridge circuit 20 has three half bridges 22, wherein each half bridge 22 in turn has two switches, which are arranged and connected as low-side switches 24 and as high-side switches 26 in such a way that they form a B6 bridge, which in turn can drive a three-phase electric motor. However, depending on the type of electrical machine 100, any number of further half bridges would also be conceivable. The low-side switches 24 and high-side switches 26 of the half bridges 22 can in particular be designed as semiconductor switches, for example as MOSFETs. However, IGBTs would also be conceivable as switches 24, 26.

Die Steuereinheit ist hierbei auf mehrere Steuereinheiten 30 aufgeteilt, welche jeweils einen High-Side-Treiber 36 zum Schalten des jeweiligen High-Side-Schalters 26 und einen Low-Side-Treiber 34 zum Schalten des jeweiligen Low-Side-Schalters 24 aufweisen. Es wäre jedoch auch denkbar, die Steuereinheiten 30 in einem einzigen bzw. in weniger Bauelementen zu kombinieren.The control unit is divided into several control units 30, each of which has a high-side driver 36 for switching the respective high-side switch 26 and a low-side driver 34 for switching the respective low-side switch 24. However, it would also be conceivable to combine the control units 30 in a single component or in fewer components.

Die Low-Side-Treiber 34 werden jeweils von einer Spannungsquelle 80 der Invertereinheit 10 mit Energie versorgt.The low-side drivers 34 are each supplied with energy from a voltage source 80 of the inverter unit 10.

Die High-Side-Treiber 36 werden jeweils über eine Bootstrapeinheit 40, welche mit der Spannungsquelle 80 verbunden ist, mit Energie versorgt. Hierbei wäre es jedoch auch denkbar, dass Spannungsquelle 80 durch die Energieversorgungseinheit 120 ersetzt wird und entsprechend die Treiber 34 und 36 mit Energie versorgt.The high-side drivers 36 are each supplied with energy via a bootstrap unit 40, which is connected to the voltage source 80. However, it would also be conceivable that the voltage source 80 is replaced by the energy supply unit 120 and accordingly supplies the drivers 34 and 36 with energy.

Jede der Bootstrapeinheiten 40 weist entsprechend eine erste Bootstrap-Schaltung 50 auf. Die erste Bootstrapschaltung 50 weist wiederum jeweils einen ersten Ober-Schaltungsknoten 54, einen ersten Schaltungsknoten 53, eine erste Diode 51 und einen ersten Kondensator 52 auf. Hierbei ist der erste Ober-Schaltungsknoten 54 mit der Spannungsquelle 80 und zudem über die erste Diode 51 mit dem ersten Schaltungsknoten 53 verbunden. Des Weiteren ist der erste Schaltungsknoten 53 sowohl mit dem High-Seide-Treiber 36 als auch über den ersten Kondensator 52 mit einem Mittelabgriff 28 der jeweiligen Halbbrücke 22 verbunden.Each of the bootstrap units 40 correspondingly has a first bootstrap circuit 50. The first bootstrap circuit 50 in turn has a first upper circuit node 54, a first circuit node 53, a first diode 51 and a first capacitor 52. Here, the first upper circuit node 54 is connected to the voltage source 80 and also to the first circuit node 53 via the first diode 51. Furthermore, the first circuit node 53 is connected both to the high silk driver 36 and via the first capacitor 52 to a center tap 28 of the respective half bridge 22.

Der High-Side-Treiber 36 ist mit seinem Bezugspotential mit dem Mittelabgriff 28 verbunden. Zur Initialisierung der Bootstrapeinheit 40 mit der ersten Bootstrap-Schaltung 50 wird der erste Kondensator 52 aufgeladen, indem der Low-Side-Schalter 24 eine bestimmte Mindestzeit eingeschaltet wird, wobei der High-Side-Schalter 26 während dieser Zeitspanne entsprechend ausgeschaltet ist. Wenn der High-Side-Schalter 26 anschließend geschaltet wird, wobei der Low-Side-Schalter 24 dann entsprechend ausgeschaltet wird, liegt am Mittelabgriff 28 die Spannung der Energieversorgungseinheit 120 an und der erste Schaltungsknoten 53 wiederum auf einem Potential, welches um die vom ersten Kondensator 52 bereitgestellten Spannung gegenüber der Eingangsspannung der Energieversorgungseinheit 120 erhöht ist. Da der erste Kondensator 53 nur eine endliche Ladungsmenge speichern kann und sich über den High-Side-Treiber 36 entlädt, muss dieser Ladevorgang des ersten Kondensators 53 periodisch wiederholt werden, indem der erste der Kondensator 53 in der Halbperiode, während der Low-Side-Schalter 24 leitend und der High-Side-Schalter 26 geöffnet ist, aufgeladen wird. In der zweiten Halbperiode versorgt der erste Kondensator 53 den High-Side-Treiber 36 und den Gate-Anschluss des High-Side-Schalters 26, wodurch dieser durchschaltet und geschlossen gehalten wird. Die Bootstrapeinheit 40 mit der ersten Bootstrap-Schaltung 50 ist daher nicht geeignet, wenn der High-Side-Schalter 26 längere Zeit eingeschaltet bleiben soll.The high-side driver 36 is connected to the center tap 28 with its reference potential. To initialize the bootstrap unit 40 with the first bootstrap circuit 50, the first capacitor 52 is charged by turning the low-side switch 24 on for a certain minimum time, with the high-side switch 26 being switched off accordingly during this period of time. If the high-side switch 26 is then switched, with the low-side switch 24 then being switched off accordingly, the voltage of the energy supply unit 120 is present at the center tap 28 and the first circuit node 53 is in turn at a potential which is around that of the first Capacitor 52 provided voltage is increased compared to the input voltage of the power supply unit 120. Since the first capacitor 53 can only store a finite amount of charge and discharges via the high-side driver 36, this charging process of the first capacitor 53 must be repeated periodically by the first of the capacitors 53 in the half-period during the low-side Switch 24 is conductive and the high-side switch 26 is open, is charged. In the second half period, the first capacitor 53 supplies the high-side driver 36 and the gate connection of the high-side switch 26, whereby it is switched on and kept closed. The bootstrap unit 40 with the first bootstrap circuit 50 is therefore not suitable if the high-side switch 26 is to remain switched on for a longer period of time.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Invertereinheit im Detail.
Dargestellt ist wie in 2 eine Invertereinheit 10 mit einer Brückenschaltung 20, welche wiederum drei Halbbrücken 22 mit entsprechenden High-Side-Schaltern 26 und Low-Side-Schaltern 24 aufweist. Die High-Side-Schalter 26 und Low-Side-Schalter 24 werden wiederum von Steuereinheiten 30 mit entsprechenden High-Side-Treibern 36 und Low-Side-Treibern 34 angesteuert.
3 shows an exemplary embodiment of an inverter unit according to the invention in detail.
Shown as in 2 an inverter unit 10 with a bridge circuit 20, which in turn has three half bridges 22 with corresponding high-side switches 26 and low-side switches 24. The high-side switches 26 and low-side switches 24 are in turn controlled by control units 30 with corresponding high-side drivers 36 and low-side drivers 34.

Der Unterschied zu 2 besteht nun unter anderem darin, dass die Bootstrapeinheiten 40 jeweils neben der ersten Bootstrap-Schaltung 50 noch eine zweite Bootstrap-Schaltung 60 und eine dritte Bootstrap-Schaltung 70 aufweisen.The difference to 2 is now, among other things, that the bootstrap units 40 each have, in addition to the first bootstrap circuit 50, a second bootstrap circuit 60 and a third bootstrap circuit 70.

Hierbei weist die zweite Bootstrapschaltung 60 einen zweiten Ober-Schaltungsknoten 64, eine zweite Diode 61, eine zweiten Schaltungsknoten 63 und einen zweiten Kondensator 62 auf. Der zweite Ober-Schaltungsknoten 64 ist mit der Spannungsquelle 80 und zudem über die zweite Diode 61 mit dem zweiten Schaltungsknoten 63 verbunden. Des Weiteren ist der zweite Schaltungsknoten 63 über den zweiten Kondensator 62 mit dem Mittelabgriff 28 der jeweiligen Halbbrücke 22 und über eine weitere Diode 65 mit dem ersten Schaltungsknoten 53 der ersten Bootstrap-Schaltung 50 einer anderen Bootstrapeinheit 40 verbunden.Here, the second bootstrap circuit 60 has a second upper circuit node 64, a second diode 61, a second circuit node 63 and a second capacitor 62. The second upper circuit node 64 is connected to the voltage source 80 and also to the second circuit node 63 via the second diode 61. Furthermore, the second circuit node 63 is connected via the second capacitor 62 to the center tap 28 of the respective half bridge 22 and via a further diode 65 to the first circuit node 53 of the first bootstrap circuit 50 of another bootstrap unit 40.

Des Weiteren weist die dritte Bootstrapschaltung 70 einen dritten Ober-Schaltungsknoten 74, eine dritte Diode 71, eine dritten Schaltungsknoten 73 und einen dritten Kondensator 72 auf. Hierbei ist der dritte Ober-Schaltungsknoten 74 mit der Spannungsquelle 80 und zudem über die dritte Diode 71 mit dem dritten Schaltungsknoten 73 verbunden. Des Weiteren ist der dritte Schaltungsknoten 73 über den dritten Kondensator 72 mit dem Mittelabgriff 28 der jeweiligen Halbbrücke 22 und über eine weitere Diode 75 mit dem ersten Schaltungsknoten 53 der ersten Bootstrap-Schaltung 50 einer nochmals anderen Bootstrapeinheit 40 verbunden.Furthermore, the third bootstrap circuit 70 has a third upper circuit node 74, a third diode 71, a third circuit node 73 and a third capacitor 72. Here, the third upper circuit node 74 is connected to the voltage source 80 and also via the third diode 71 to the third circuit node 73. Furthermore, the third circuit node is 73 connected via the third capacitor 72 to the center tap 28 of the respective half bridge 22 and via a further diode 75 to the first circuit node 53 of the first bootstrap circuit 50 of yet another bootstrap unit 40.

Hierdurch sind alle Bootstrapeinheiten 40 derartig miteinander gekoppelt, dass die Energieversorgung des High-Side-Treibers 36 einer Halbbrücke 22 mit geschlossenem High-Side-Schalter 36 zumindest teilweise von der Bootstrapeinheit 40 einer Halbbrücke 22 mit geöffnetem High-Side-Schalter 36 übernehmbar ist.As a result, all bootstrap units 40 are coupled to one another in such a way that the power supply to the high-side driver 36 of a half-bridge 22 with a closed high-side switch 36 can be at least partially taken over by the bootstrap unit 40 of a half-bridge 22 with an open high-side switch 36.

Die erste Diode 51, zweite Diode 61 bzw. dritte Diode 71 sind hierbei jeweils anodenseitig mit dem ersten Ober-Schaltungsknoten 54, zweiten Ober-Schaltungsknoten 64 bzw. dritten Ober-Schaltungsknoten 74 und kathodenseitig mit dem ersten Schaltungsknoten 52, zweiten Schaltungsknoten 62 bzw.
dritten Schaltungsknoten 72 verbunden.
Die weiteren Dioden 65 bzw. 75 sind anodenseitig mit dem zweiten Schaltungsknoten 62 bzw. dritten Schaltungsknoten 72 und kathodenseitig mit dem ersten Schaltungsknoten 52 der ersten Bootstrap-Schaltung 50 einer anderen Bootstrapeinheit 40 verbunden.
The first diode 51, second diode 61 and third diode 71 are each connected on the anode side to the first upper circuit node 54, second upper circuit node 64 and third upper circuit node 74 and on the cathode side to the first circuit node 52, second circuit node 62 or
third circuit node 72 connected.
The further diodes 65 and 75 are connected on the anode side to the second circuit node 62 or third circuit node 72 and on the cathode side to the first circuit node 52 of the first bootstrap circuit 50 of another bootstrap unit 40.

Bildlich nicht dargestellt ist, dass optional zwischen dem ersten Ober-Schaltungsknoten 54 und der ersten Diode 51 oder auch zwischen dem zweiten dem zweiten Ober-Schaltungsknoten 64 und der zweiten Diode 61 oder auch zwischen dem dritten Ober-Schaltungsknoten 74 und der dritten Diode 71 je ein Widerstand angeordnet sein kann.
Des Weiteren ist bildlich nicht dargestellt, dass optional zwischen dem zweiten Schaltungsknoten 63 und der weiteren Diode 65 oder auch zwischen dem dritten Schaltungsknoten 73 und der weiteren Diode 75 je ein weiterer Widerstand angeordnet sein kann.
What is not shown in the picture is that optionally between the first upper circuit node 54 and the first diode 51 or between the second, the second upper circuit node 64 and the second diode 61 or between the third upper circuit node 74 and the third diode 71 a resistor can be arranged.
Furthermore, it is not shown in the picture that an additional resistor can optionally be arranged between the second circuit node 63 and the further diode 65 or between the third circuit node 73 and the further diode 75.

In einem bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, dass nicht jede der Halbbrücken eine Bootstrapeinheit aufweist und insbesondere auch, dass nicht jede der Bootstrapeinheiten mit den anderen Bootstrapeinheiten gekoppelt ist. Weniger Kopplung reduzieren hierbei den Schaltungsaufwand der Invertereinheit, reduzieren jedoch auch die Flexibilität der Ansteuerung der Halbbrücken.In an exemplary embodiment not shown in the picture, it is also conceivable that not each of the half bridges has a bootstrap unit and in particular that not each of the bootstrap units is coupled to the other bootstrap units. Less coupling reduces the circuit complexity of the inverter unit, but also reduces the flexibility of the control of the half bridges.

Zudem kann in einem bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Invertereinheit 10 zumindest eine Fly-Back-Schaltung zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers 36 aufweisen, wobei die Fly-Back-Schaltung an einer Halbbrücke 22 ohne Bootstrapeinheit 40 angeordnet ist.In addition, in an exemplary embodiment not shown in the picture, the inverter unit 10 can have at least one fly-back circuit for supplying energy to the respective high-side driver 36, the fly-back circuit being arranged on a half bridge 22 without a bootstrap unit 40.

Claims (6)

Invertereinheit (10) für eine mehrphasige elektrische Maschine (100), aufweisend eine Brückenschaltung (20) mit mehreren Halbbrücken (22), wobei die Halbbrücken jeweils einen Low-Side (24) und einen High-Side-Schalter (26) aufweisen, und wobei die Invertereinheit (10) eine Steuereinheit (30) aufweist, wobei die Steuereinheit (30) einen High-Side-Treiber (36) zur Ansteuerung des jeweiligen High-Side-Schalters (26) aufweist, und wobei zumindest zwei Halbbrücken (22) je eine Bootstrapeinheit (40) zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers (36) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bootstrapeinheiten (40) miteinander gekoppelt sind.Inverter unit (10) for a multi-phase electrical machine (100), comprising a bridge circuit (20) with a plurality of half-bridges (22), the half-bridges each having a low-side (24) and a high-side switch (26), and wherein the inverter unit (10) has a control unit (30), wherein the control unit (30) has a high-side driver (36) for controlling the respective high-side switch (26), and wherein at least two half bridges (22) each have a bootstrap unit (40) for supplying energy to the respective high-side driver (36), characterized in that at least two bootstrap units (40) are coupled to one another. Invertereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bootstrapeinheiten (40) derartig miteinander gekoppelt sind, dass die Energieversorgung des High-Side-Treibers (36) einer Halbbrücke (22) mit geschlossenem High-Side-Schalter (36) zumindest teilweise von der Bootstrapeinheit (40) einer Halbbrücke (22) mit geöffnetem High-Side-Schalter (36) übernehmbar ist.Inverter unit (10). Claim 1 , characterized in that the bootstrap units (40) are coupled to one another in such a way that the energy supply to the high-side driver (36) of a half bridge (22) with a closed high-side switch (36) is at least partially supplied by the bootstrap unit (40). a half bridge (22) with the high-side switch (36) open. Invertereinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bootstrapeinheiten (40) jeweils wenigstens eine erste Bootstrap-Schaltung (50) aufweisen und dass wenigstens eine der Bootstrapeinheiten (40) eine zweite Bootstrap-Schaltung (60) aufweist.Inverter unit (10). Claim 1 or 2 , characterized in that the bootstrap units (40) each have at least a first bootstrap circuit (50) and that at least one of the bootstrap units (40) has a second bootstrap circuit (60). Invertereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bootstrap-Schaltung (50) und die zweite Bootstrap-Schaltung (60) jeweils zwischen einem Mittelabgriff (28) der jeweiligen Halbbrücke (22) und einer Spannungsquelle (80) der Invertereinheit (10) angeordnet sind, wobei jeweils die erste Bootstrap-Schaltung (50) zwischen einer ersten Diode (51) und einem ersten Kondensator (52) einen ersten Schaltungsknoten (53) aufweist, welcher mit dem jeweiligen High-Side-Treiber (36) der Halbbrücke (22) verbunden ist, und wobei jeweils die zweite Bootstrap-Schaltung (60) zwischen einer zweiten Diode (61) und einem zweiten Kondensator (62) einen zweiten Schaltungsknoten (63) aufweist, welcher über eine weitere Diode (65) mit dem ersten Schaltungsknoten (53) der ersten Bootstrap-Schaltung (50) einer anderen Bootstrapeinheit (40) verbunden ist.inverter unit Claim 3 , characterized in that the first bootstrap circuit (50) and the second bootstrap circuit (60) are each arranged between a center tap (28) of the respective half bridge (22) and a voltage source (80) of the inverter unit (10), where in each case the first bootstrap circuit (50) between a first diode (51) and a first capacitor (52) has a first circuit node (53), which is connected to the respective high-side driver (36) of the half bridge (22). , and wherein in each case the second bootstrap circuit (60) has a second circuit node (63) between a second diode (61) and a second capacitor (62), which is connected via a further diode (65) to the first circuit node (53). first bootstrap circuit (50) of another bootstrap unit (40). Invertereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Invertereinheit (10) zumindest eine Fly-Back-Schaltung zur Energieversorgung des jeweiligen High-Side-Treibers (36) aufweist, wobei die Fly-Back-Schaltung an einer Halbbrücke (22) ohne Bootstrapeinheit (40) angeordnet ist.Inverter unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter unit (10) has at least one fly-back circuit for supplying energy to the respective high-side driver (36), the fly-back circuit being connected to a half bridge (22) is arranged without a bootstrap unit (40). Elektrische Maschine (100), insbesondere Elektromotor, mit einer Invertereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Electric machine (100), in particular electric motor, with an inverter unit (10) according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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