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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie, die in einem Fahrzeug untergebracht wird und die zum Beispiel elektrische Energie umwandelt, und insbesondere den Aufbau dieser Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Es gibt bereits elektrische Fahrzeuge, die mit der Antriebskraft von einer dynamoelektrischen Maschine wie einem Elektromotor angetrieben werden, etwa die sogenannten Hybridfahrzeuge mit einer dynamoelektrischen Maschine in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor und dergleichen. Diese elektrischen Fahrzeuge sind im allgemeinen mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie mit einem Gleichstromkonverter, der von einer Hochspannungsbatterie Gleichstrom als Gleichstromenergiezufuhr aufnimmt und die aufgenommene Gleichstromenergie in Gleichstromenergie mit einem anderen Spannungswert umwandelt und diese Gleichstromenergie abgibt, und mit einem Inverter, der die Gleichstromenergie vom Gleichstromkonverter aufnimmt, die aufgenommene Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umwandelt und damit einen Motor ansteuert.
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Bei der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie mit einem Gleichstromkonverter und einem Inverter ist es möglich, dadurch die gesamte Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie kompakter auszugestalten, daß der Gleichstromkonverter und der Inverter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden und ein Modul bilden. Zum Beispiel wird in der im folgenden- genannten Patent-Druckschrift 1 ein kompakter Aufbau für eine Vorrichtung beschrieben, bei der der Glättungskondensator für den Gleichstromkonverter auf der Eingangsseite des Gleichstromkonverters und der Glättungskondensator für den Inverter an der Eingangsseite des Inverters in einem gemeinsamen Kondensatorgehäuse untergebracht sind.
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Liste der zitierten Druckschriften
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Patent-Druckschrift
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- Patent-Druckschrift 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2007-174760
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Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Technisches Problem
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Bei der oben genannten Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach der bekannten Technik befinden sich zur Verkleinerung der gesamten Vorrichtung zwei Systeme, die verschiedene Spannungsquellen verwenden, das heißt der Glättungskondensator für den Gleichstromkonverter und der Glättungskondensator für den Inverter, in dem gemeinsamen Gehäuse, und die beiden positiven Elektroden-Anschlußschienen für diese Systeme liegen nahe beieinander. Daraus ergeben sich Probleme, weil das von den Schaltvorgängen im Inverter erzeugte Rauschen auf die Eingangsseite des Gleichstromkonverters übertragen wird und das zur externen Batterie gelangende Rauschen erhöht ist.
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Wenn dieses übertragene Rauschen auf dem Kabel, das die Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie mit der externen Batterie verbindet (im allgemeinen ist die externe Batterie mit der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie über ein abgeschirmtes Kabel verbunden), weitergeleitet wird, wird das Kabel zu einer Antenne, die das in das Innere des Fahrzeugs und nach außen abgegebene elektromagnetische Rauschen erhöht. In einem in das Fahrzeug eingebauten Radio ist daher Rauschen zu hören. Als Gegenmaßnahme kann das Rauschen zum Beispiel durch das Vorsehen eines Filters am Gleichstromkonverter auf der Seite der externen Batterie in einem gewissen Ausmaß verringert werden. Der dadurch bewirkte Effekt ist jedoch nicht immer ausreichend. Andererseits steigen dadurch die Herstellungskosten an, und die Vorrichtung wird dadurch wieder größer.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Probleme bei der vorhandenen Technik gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie zu schaffen, die kompakt ist und bei der gleichzeitig das von den Schaltvorgängen eines Inverters erzeugte Rauschen weniger zu einer externen Batterie übertragen wird.
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Lösung des Problems
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Die genannten Probleme werden zum Beispiel durch die in den Ansprüchen genannten Ausgestaltungen gelöst. Es ist anzumerken, daß die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Lösungsansätzen für die Probleme umfaßt. Zum Beispiel wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie geschaffen, die ein auf Massepotential gehaltenes gemeinsames Gehäuse umfaßt, das enthält: Eine Inverterschaltungseinheit zum Umwandeln von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie; eine Konverterschaltungseinheit zum Anheben der Spannung von einer externen Batterie und Ausgeben der Spannung an die Inverterschaltungseinheit oder zum Absenken einer Energieversorgungsspannung von der Inverterschaltungseinheit und Abgeben der Spannung an die externe Batterie; und eine Kondensator-Baugruppe, die ein Glättungskondensatorelement, das mit der Energieversorgungsspannungsseite der Inverterschaltungseinheit verbunden ist, und ein Glättungskondensatorelement enthält, das mit der Energieversorgungsspannung auf der Batterieseite der Konverterschaltungseinheit verbunden ist, und das die Elemente zusammen aufnimmt. Bei der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie umfaßt die Kondensator-Baugruppe zusammen mit der Anzahl der Glättungskondensatorelemente eine negative Elektroden-Anschlußschiene, die sowohl mit der negativen Elektrode der Inverterschaltungseinheit als auch der Elektrode auf der negativen Seite der Konverterschaltungseinheit verbunden ist; eine erste positive Elektroden-Anschlußschiene, die mit der positiven Elektrode der Inverterschaltungseinheit und mit einem Kondensator der Glättungskondensatoren verbunden ist; und eine zweite positive Elektroden-Anschlußschiene, die mit der positiven Elektrode auf der Batterieseite der Konverterschaltungseinheit und mit dem anderen Kondensator der Glättungskondensatoren verbunden ist. Die erste positive Elektroden-Anschlußschiene ist an einer Stelle angebracht, die einer Hauptseite der negativen Elektroden-Anschlußschiene gegenüberliegt, und die zweite positive Elektroden-Anschlußschiene ist an einer Stelle angebracht, die der anderen Hauptseite der negativen Elektroden-Anschlußschiene gegenüberliegt und von der ersten positiven Elektroden-Anschlußschiene entfernt ist.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung kann die Rauscheinkopplung zwischen einer Invertervorrichtung und einer Gleichstrom-Konverter-Vorrichtung verringert werden, so daß es möglich ist, eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie zu schaffen, die kompakt ist und bei der gleichzeitig das Rauschen verringert ist, das aufgrund des Rauschens, das von den Schaltvorgängen des Inverters erzeugt wird, zu einer externen Batterie übertragen wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften schematischen Aufbaus eines Motorantriebssystems mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Darstellung des schematischen Aufbaus der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine teilweise auseinandergezogene, perspektivische Ansicht der Anordnung von Anschlußschienen in einer Kondensator-Baugruppe der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie.
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4 ist eine Schnittansicht (eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in der 2) des internen Aufbaus der Kondensator-Baugruppe der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie.
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5 ist eine Schnittansicht (eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in der 2) des internen Aufbaus einer Kondensator-Baugruppe einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine Schnittansicht (eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in der 2) des internen Aufbaus einer Kondensator-Baugruppe einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Die 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm für einen schematischen Aufbau eines Motorantriebssystems mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfaßt der Grundaufbau eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie mit einer externen Batterie 1, die Gleichstromenergie zuführt, einem Konverter 10 und einem Inverter 40, einen Motorgenerator 60, der mit der Energie von der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie Leistung abgibt oder elektrische Energie erzeugt (im folgenden einfach als ”Motor” bezeichnet), und eine Steuerschaltungsplatine 80 zum Ansteuern und Kontrollieren der Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie. Dieses Motorantriebssystem ist zum Beispiel für ein elektrisches Fahrzeug wie ein Hybridauto oder ein Elektroauto vorgesehen, und mit der Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie wird der Antriebsbetrieb und der Regenerationsbetrieb des Motors ausgeführt.
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Bei diesem Motorantriebssystem erhöht der Konverter 10 im Antriebsbetrieb die Gleichspannung der externen Batterie 1, die eine aufladbare und entladbare Gleichstromenergieversorgung darstellt, auf eine Gleichspannung mit einem anderen Wert und gibt diese Spannung an den Inverter 40 aus. Der Inverter 40 wandelt die Gleichstromenergie durch eine Steuerung mit einer Impulsbreitenmodulation (PWM) in Wechselstromenergie um und gibt die Wechselstromenergie an den Motor 60 aus. Der Motor 60 nimmt die Wechselstromenergie zum Drehen des Rotors im Inneren des Motors, der die Last ist, auf und treibt dadurch die Räder des Fahrzeugs an. Im vorliegenden Fall ist der Motor 60 ein Dreiphasen-Wechselstrommotor.
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Im Regenerationsbetrieb wird die vom Motor 60 erzeugte Wechselstromenergie vom Inverter 40 in eine Gleichspannung umgewandelt, die dem Konverter 10 zugeführt wird. Der Konverter 10 setzt den Wert der Gleichspannung herab und gibt die Gleichspannung an die externe Batterie 1 aus, die dadurch geladen wird.
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Wie in der 1 gezeigt umfassen der beschriebene Konverter 10 und der Inverter 40 Halbleitermodule 13 und 43 mit Schaltelementen wie IGBTs, und das Schalten der Schaltelemente wie der IGBTs der Module erfolgt mit Steuersignalen von der Steuerschaltungsplatine 80. Die Steuerschaltungsplatine 80 steuert das Schalten der Halbleitermodule auf der Basis von Signalen von einem nicht gezeigten externen System.
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Im folgenden werden zuerst der genaue Aufbau des Konverters 10 beschrieben und dann die beiden Betriebszustände des Konverters, das heißt der Spannungsanhebungsbetrieb und der Spannungsabsenkbetrieb.
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<Aufbau und Betrieb des Konverters>
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Wie in der 1 gezeigt, umfaßt der Konverter 10 das Halbleitermodul 13, einen Reaktor 14 und einen Konverter-Glättungskondensator C1. Das Halbleitermodul 13 umfaßt zwei Schaltelemente Qa0 und Qb0 und Dioden Da0 und Db0, die jeweils parallel zwischen die Kollektoren und Emitter der Schaltelemente Qa0 und Qb0 geschaltet sind. Das Ausgangsende des Konverters (die positive Elektrodenseite des Inverters 40) ist mit der Kollektorseite des Schaltelements Qa0 verbunden, und ein Ende des Reaktors 14 und die Kollektorseite des Schaltelements Qb0 sind mit der Emitterseite verbunden. Das andere Ende des Reaktors 14 ist mit der positiven Elektrodenseite der externen Batterie 1 verbunden, und die Emitterseite des Schaltelements Qb0 ist mit einer negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 (der negativen Elektrodenseite der externen Batterie 1) verbunden.
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Der Konverter 10 umfaßt eine Spannungsanhebungsfunktion, die den Wert der Gleichspannung von der externen Batterie 1 in einen Gleichspannungswert umwandelt, der über dem erstgenannten Wert liegt, und gibt die Gleichspannung an den Inverter 40 aus. Der Konverter 10 umfaßt auch eine Spannungsabsenkfunktion, die den Wert der Gleichspannung, die vom Inverter 40 an den Konverter 10 ausgegeben wird, in einen Gleichspannungswert umwandelt, der unter dem ausgegebenen Gleichspannungswert liegt, und gibt die erzeugte Gleichspannung dann im Regenerationsbetrieb des Motors 60 an die externe Batterie 1 ab.
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Im folgenden wird der Spannungsanhebungsbetrieb des Konverters 10 beschrieben. Im Konverter 10 wird beim Einschalten des Schaltelements Qb0 über die externe Batterie 1 und den Reaktor 14 ein Leitungsweg zwischen der positiven Elektrodenseite und der negativen Elektrodenseite der externen Batterie 1 ausgebildet und vorübergehend im Reaktor 14 aufgrund des durch die Schaltung fließenden Gleichstromes Energie gespeichert. Wenn in diesem Zustand das Schaltelement Qb0 von Ein nach Aus geschaltet wird, wird durch die Diode Da0 ein Inverter-Glättungskondensator C4 mit der im Reaktor 14 gespeicherten Energie aufgeladen. Bei der Aufladung kann die Ausgangsspannung des Konverters 10 höher sein als die Eingangsspannung des Konverters 10. Es ist anzumerken, daß im Spannungsanhebungsbetrieb das Schaltelement Qa0 immer aus ist. Die obige Beschreibung ist die Beschreibung des Betriebs als Spannungsanhebungskonverter.
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Es wird nun der Spannungsabsenkbetrieb des Konverters 10 beschrieben. Wenn im Konverter 10 das Schaltelement Qa0 im Ein-Zustand ist, wird ein Leitungsweg ausgebildet, der den Inverter-Glättungskondensator C4 und den Reaktor 14 mit der positiven Elektrodenseite der externen Batterie 1 verbindet, so daß die im Regenerationsbetrieb des Motors 60 im Inverter-Glättungskondensator C4 gespeicherte Energie bei der Aufladung der externen Batterie 1 vorübergehend im Reaktor 14 gespeichert wird. Wenn das Schaltelement Qa0 in diesem Zustand abgeschaltet wird, wird ein Leitungsweg ausgebildet, der den Reaktor 14 und die externe Batterie 1 mit der Diode Db0 verbindet, so daß die vorübergehend im Reaktor 14 gespeicherte Energie einen Ladestrom zur externen Batterie bewirkt. Der Spannungswert an der externen Batterie 1 im Regenerationsbetrieb kann durch das Verhältnis der Ein-Zeit zum Ein-Aus-Zyklus des Schaltelements Qa0 gesteuert werden, so daß der Konverter 10 auch als Spannungsabsenkkonverter dient. Es ist anzumerken, daß im Spannungsabsenkbetrieb das Schaltelement Qb0 immer aus ist. Darüberhinaus ist mit der externen Batterieseite des Konverters 10 der Konverter-Glättungskondensator C1 verbunden. Der Konverter-Glättungskondensator C1 absorbiert die Welligkeit, die beim Schalten der Schaltelemente Qa0 und Qb0 erzeugt wird. Außerdem absorbiert der Konverter-Glättungskondensator C1 die Welligkeit in dem von der externen Gleichspannungsbatterie 1 dem Konverter 10 zugeführten Strom und stabilisiert den zugeführten Strom.
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Es wird nun der Aufbau des Inverters 40 genauer beschrieben.
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<Aufbau und Betrieb des Inverters>
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Der Inverter 40 umfaßt das Halbleitermodul 43 und den Inverter-Glättungskondensator C4. Das Halbleitermodul 43 umfaßt Schaltelemente Qa1, Qa2, Qa3, Qb1, Qb2 und Qb3 und Dioden Da1, Da2, Da3, Db1, Db2 und Db3.
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Die Dioden sind parallel zu den einzelnen Schaltelementen geschaltet; Qa1 ist mit Da1 verbunden, Qa2 mit Da2, Qa3 mit Da3, Qb1 mit Db1, Qb2 mit Db2 und Qb3 mit Db3.
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Die positive Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 ist mit der Kollektorseite der Schaltelemente Qa1, Qa2 und Qa3 verbunden. Andererseits ist die negative Elektroden-Anschlußschiene 31 mit der Emitterseite der Schaltelemente Qb1, Qb2 und Qb3 verbunden. Die Emitterseite der Schaltelemente Qa1, Qa2 und Qa3 und die Kollektorseite der Schaltelemente Qb1, Qb2 und Qb3 ist jeweils mit dem Motor 60 verbunden; dabei sind Qa1 und Qb1 mit der U-Phase, Qa2 und Qb2 mit der V-Phase und Qa3 und Qb3 mit der W-Phase verbunden.
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Der Inverter 40 steuert den Motor 60 an, wobei das Einschalten und Ausschalten der Schaltelemente Qa1, Qa2, Qa3, Qb1, Qb2 und Qb3 entsprechend dem vom Konverter 10 ausgegebenen Gleichstrom gesteuert wird und an den Motor 60 ein Dreiphasen-Wechselstrom ausgegeben wird, bei dem die Phasen des durch den Motor fließenden Wechselstroms in den U-, V- und W-Phasen um einen Winkel von 120° versetzt sind.
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Der Inverter-Glättungskondensator C4 ist mit der Ausgangsseite des Konverters 10 und der Eingangsseite des Inverters 40 verbunden. Der Inverter-Glättungskondensator C4 absorbiert die Welligkeit, die beim Schalten des Halbleitermoduls 43 entsteht. Darüberhinaus glättet der Inverter-Glättungskondensator C4 die Ausgangsspannung am Spannungsanhebungskonverter 10, so daß dem Inverter 40 ein stabilisierter Gleichstrom zugeführt wird.
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<Filter>
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Wie auch in der 1 gezeigt, enthalten der Konverter 10 und der Inverter 40 Filterkondensatoren C2, C3 und C5. C2 ist elektrisch mit der positiven Elektrode des Konverters 10 verbunden, C5 elektrisch mit der positiven Elektrode des Inverters 40 und mit Masse und C3 elektrisch mit der negativen Elektrode und Masse. Die Kondensatoren sind dafür vorgesehen, das Gleichtaktrauschen durch die positiven Elektroden und die negativen Elektroden zu verringern und das Rauschen von der externen Batterie 1 sowie das Rauschen vom Konverter 10 und Inverter 40 nach Masse abzuleiten, damit kein Gleichtaktrauschen zur externen Batterie 1 übertragen wird. Die Kondensatoren verhindern auch, daß Gleichtaktrauschen von der externen Batterie 1 zum Konverter 10 übertragen wird.
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Wie ebenfalls in der 1 gezeigt ist, sind bei der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie sowohl am Konverter 10 als auch am Inverter 40 Filterkondensatoren vorgesehen. Da die negative Elektroden-Anschlußschiene 31 des Inverters 40 elektrisch mit dem Konverter 10 verbunden ist, besteht der Filterkondensator C3 für die negative Elektrode aus einem einzigen Kondensator, der sowohl einen Kondensator für den Konverter 10 als auch einen Kondensator für den Inverter 40 darstellt. Durch diese gemeinsame Komponente kann eine Verkleinerung erreicht werden. Für die Auswahl der Kapazitätswerte für die Filterkondensatoren der einzelnen Systeme ist es jedoch auch akzeptabel, daß der mit der negativen Elektrode verbundene Filterkondensator C3 kein gemeinsamer Kondensator ist, sondern auf den Konverter 10 und den Inverter 40 aufgeteilt wird.
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Die 2 zeigt ein Beispiel (ein erstes Beispiel) für den Aufbau der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei der vorliegenden Erfindung. Wie in der 2 gezeigt, sind der Konverter 10 (der Konverter-Glättungskondensator C1 und das Halbleitermodul 13), der Inverter 40 (der Inverter-Glättungskondensator C4 und das Halbleitermodul 43) und die Filterkondensatoren C2, C3 und C5 in einem gemeinsamen Gehäuse (einem Gehäuse auf Massepotential) 101 angeordnet, so daß die Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie kompakt ausgebildet werden kann. Im vorliegenden Fall besteht das Gehäuse 101 aus einem leitenden Material, etwa Metall (zum Beispiel Aluminium). Das Gehäuse 101 weist damit auch eine Abschirmfunktion auf, die verhindert, daß elektromagnetisches Rauschen von den elektronischen Komponenten im Gehäuse nach außen dringt und daß elektromagnetisches Rauschen von außen in den Raum mit den elektronischen Komponenten eindringt. Das Gehäuse 101 ist auf der Seite des Fahrzeugs elektrisch mit Masse verbunden (zum Beispiel mit der Karosserie) und dient der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie als elektrische Erdung.
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Auch wenn es nicht in der Zeichnung gezeigt ist, weist das Gehäuse 101 einen Durchgang auf, durch den Kühlwasser geleitet wird, so daß der Konverter 10 und der Inverter 40 im Gehäuse 101 mit dem durch den Durchgang geleiteten Kühlwasser gekühlt werden können.
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Im folgenden wird anhand der 3 und 4 der Aufbau einer Kondensator-Baugruppe für die Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei dem vorliegenden Beispiel genauer beschrieben, das heißt es werden Details für die Kondensatoren und die Anschlußschienen im Bauteil näher beschrieben.
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<Kondensator-Baugruppe>
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Erstes Beispiel
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Bei diesem Beispiel befinden sich wie in den 3 und 4 gezeigt eine Anzahl von Folienkondensatoren (mit anderen Worten der Konverter-Glättungskondensator C1, der Inverter-Glättungskondensator C4 und die Filterkondensatoren C2, C3 und C4) und Teile der leitenden Platten, die mit den Folienkondensatoren elektrisch verbunden sind (eine positive Konverterelektroden-Anschlußschiene 11, eine negative Elektroden-Anschlußschiene 31 und eine positive Inverterelektroden-Anschlußschiene 41) in einer gemeinsamen Kondensator-Baugruppe 90 (siehe 4), die diese Kondensatorkomponenten C1, C2, C3, C4 und C5 in einem Bauelement enthält. Damit können die Kondensatorkomponenten kompakt untergebracht werden, und die gesamte Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie kann klein ausgestaltet werden. Außerdem kann die Anzahl der Teile verringert werden, so daß auch die Handhabung der Bauteile der Vorrichtung besser ist.
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Aus der 3 geht auch hervor, daß die leitenden Platten der positiven Konverterelektroden-Anschlußschiene 11, der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 und der positiven Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 Elemente in Plattenform (Schienenform) aus einem elektrischen Leiter wie zum Beispiel Kupfer sind, und daß zwischen der positiven Konverterelektroden-Anschlußschiene 11 und der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 und zwischen der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 und der positiven Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 plattenförmige Elemente 32 und 33 aus einem isolierenden Material angeordnet sind, die eine elektrische Isolierung zwischen den Anschlußschienen bewirken. In diesen Zeichnungen bezeichnet ”•” jeweils einen elektrischen Verbindungspunkt, und ”o” bezeichnet jeweils eine Durchgangsöffnung als Durchführung ohne elektrischen Anschluß.
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Mit anderen Worten ist wie gezeigt bei der Kondensator-Baugruppe 90 der Konverter-Glättungskondensator C1 elektrisch mit der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 und der positiven Konverter-Anschlußschiene 11 verbunden, und der Inverter-Glättungskondensator C4 ist elektrisch mit der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 und der positiven Inverter-Anschlußschiene 41 verbunden. Wie in der 1 gezeigt, ist die negative Elektroden-Anschlußschiene 31 des Inverters 40 elektrisch auch mit dem Konverter 10 verbunden und wird als gemeinsame leitende Platte verwendet.
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Wie beschrieben wird bei der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie des Beispiels zur Verkleinerung der Vorrichtung mit der Kondensator-Baugruppe 90 ein Aufbau verwendet, bei dem die positiven Elektroden-Anschlußschienen 11 und 41 der beiden Systeme mit verschiedenen Spannungsquellen nahe beieinander angeordnet sind. Die kapazitive oder induktive Rauschkopplung zwischen den positiven Elektroden-Anschlußschienen 11 und 41 ist dadurch erhöht, das von den Schaltvorgängen im Halbleitermodul 43 verursachte Schaltrauschen wird zur Eingangsseite des Konverters (die positive Konverterelektroden-Anschlußschiene 11) übertragen, wodurch das zu der externen Batterie 1 übertragene Rauschen zunimmt. In der Regel ist die externe Batterie 1 zum Beispiel über ein abgeschirmtes Kabel und dergleichen mit dem Konverter 10 verbunden. Wenn das zu der externen Batterie übertragene Rauschen auf einem anderen Weg als über das abgeschirmte Kabel zum Beispiel über die Massenebene der Fahrzeugkarosserie zu der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie zurückkehrt, wird von dieser elektrischen Stromschleife elektromagnetisches Rauschen ausgesendet, das zum Beispiel ein im Fahrzeug befindliches Radio stört.
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Um das zur externen Batterie 1 übertragene Rauschen zu verringern (zur Rauschverringerung), kann versucht werden, die Rauschkopplung durch die Anordnung der Anschlußschienen der beiden Systeme zu verringern, oder es wird versucht, das zur externen Batterie übertragene Rauschen mittels der Positionsbeziehungen der Anschlüsse zwischen den Filterkondensatoren C2, C3 und C5 und den Zuführpunkten 12 von der externen Batterie zu verhindern. Wie bereits beschrieben, ergeben sich dabei jedoch Probleme mit erhöhten Herstellungskosten und dadurch, daß die Vorrichtung größer wird.
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Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung in der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie und insbesondere in der Kondensator-Baugruppe 90 der Vorrichtung ein Aufbau vorgesehen, mit dem das Einkoppeln des Schaltrauschens von den Schaltvorgängen des Halbleitermoduls 43 auf die positive Konverterelektroden-Anschlußschiene 11 durch die positive Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 verringert wird. Im folgenden wird dieser Aufbau genauer beschrieben.
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Dazu wird wie in der 4 gezeigt die positive Konverterelektroden-Anschlußschiene 11 an einer Stelle angeordnet, die einer Hauptfläche der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 gegenüberliegt, und die positive Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 wird an einer Stelle angeordnet, die der anderen Hauptfläche der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 gegenüberliegt. Die elektromagnetische Kopplung zwischen der positiven Konverterelektroden-Anschlußschiene 11 und der positiven Inverterelektroden-Anschlußschiene 41 wird so von der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 unterbrochen, so daß die Rauschkopplung abnimmt.
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Im folgenden werden die Positionsbeziehungen der Verbindungen zwischen den Filterkondensatoren C2, C3 und C5 und den Zuführpunkten 12 von der externen Batterie beschrieben.
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Wie in der 1 gezeigt, umfassen der Konverter 10 und der Inverter 40 die Filterkondensatoren C2, C3 und C5. Mit anderen Worten leiten die Filterkondensatoren C2, C3 und C5 das Gleichtaktrauschen zur Erde ab, bevor das über die positiven Elektroden und negativen Elektroden übertragene Gleichtaktrauschen zur externen Batterie 1 übertragen wird, wodurch die Filterkondensatoren verhindern, daß Rauschen zur externen Batterie übertragen wird.
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Bei der Ausführungsform wird daher vorzugsweise der gemeinsame Filterkondensator C3 auf der negativen Elektrodenseite sehr nahe an den Zuführpunkten 12 von der externen Batterie angeordnet, wie es in der 4 gezeigt ist. Mit dieser Anordnung wird das im Halbleitermodul 13 erzeugte Rauschen und das im Halbleitermodul 43 erzeugte Rauschen durch die Wirkung des Kondensators C3 verringert, bevor es zur externen Batterie 1 gelangt. Wenn dagegen für die Verbindungsposition der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 mit dem Filterkondensator C3 für die negative Elektrode in der Kondensator-Baugruppe 90 die Position zwischen den Zuführpunkten 12 von der externen Batterie und dem Halbleitermodul 13 gewählt wird, wird zwar das Schaltrauschen vom Halbleitermodul 13 durch die Filterkondensatoren C2 und C3 entfernt, bevor es zur externen Batterie gelangt, die ESL (die äquivalente Serieninduktanz) des Filterkondensators C3 für die negative Elektrode hinsichtlich des Schaltrauschens durch das Schalten im Halbleitermodul 43 nimmt dabei jedoch zu und damit der am Filterkondensator C3 bewirkte Filtereffekt ab, so daß es nicht möglich ist, damit den vorgesehenen Zweck des Kondensators C3 zu erreichen.
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Vorzugsweise wird darüberhinaus der Filterkondensator C2 auf der positiven Elektrodenseite für den Konverter in der Nähe von C3 angeordnet. Der Grund dafür ist, daß, wenn die Filterkondensatoren C2 und C3 getrennt voneinander angeordnet werden, wenn zum Beispiel der Filterkondensator C2 jenseits des Verbindungspunkts von C3 mit der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 näher am Halbleitermodul 13 angeordnet wird, das über die negative Elektroden-Anschlußschiene verbreitete Rauschen nach dem Durchlaufen des Kondensators C2 zwischen der positiven Elektroden-Anschlußschiene und der negativen Elektroden-Anschlußschiene zwischen den Verbindungspunkten der Filterkondensatoren C2 und C3 in die positive Elektroden-Anschlußschiene eingekoppelt wird, bevor es am Kondensator C3 verringert wird.
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Wie oben beschrieben umfaßt somit das Beispiel einen Aufbau zur Verringerung der Einkopplung des Schaltrauschens, das von den Schaltvorgängen des Halbleitermoduls in der Kondensator-Baugruppe erzeugt wird, in die positive Konverterelektroden-Anschlußschiene. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch auch noch herausgefunden, daß außer dem Aufbau zur Verringerung der Rauscheinkopplung das Ausbreiten des Rauschens zur externen Batterie durch Verringern der verschiedenen Arten der Rauscheinkopplung einschließlich der kapazitiven oder induktiven Kopplung zwischen der positiven Inverterelektroden-Anschlußschiene und dem Kondensator und zwischen der positiven Konverterelektroden-Anschlußschiene und dem Kondensator innerhalb der Kondensator-Baugruppe, das heißt die räumliche Ausbreitung der Rauscheinkopplung, weiter verringert werden kann. Im folgenden wird der Aufbau einer Kondensator-Baugruppe zum Erreichen dieser Reduktion anhand eines zweiten und dritten Beispiels beschrieben.
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Zweites Beispiel
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Die 5 zeigt den Aufbau einer Kondensator-Baugruppe 90 bei einem zweiten Beispiel. Bei diesem Beispiel ist wie gezeigt zusätzlich zum ersten Beispiel zwischen dem Kondensator C3 und dem Kondensator C5 in der Kondensator-Baugruppe 90 ein schlitzförmiger Raum vorgesehen, in den eine Abschirmwand 102 eingesetzt ist, die sich auf dem gleichen Potential (dem Massepotential) befindet wie das Gehäuse 101. Bei diesem Aufbau ist das Schaltrauschen, das vom Kondensator C4 ausgesendet wird und das vom Umschalten des Inverters 40 verursacht wird, von der Abschirmwand 102 blockiert, so daß es möglich ist, die Rauschkopplung zwischen den positiven Elektroden-Anschlußschienen des Konverters 10 und des Inverters 40 weiter zu verringern.
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Drittes Beispiel
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Die 6 zeigt den Aufbau einer Kondensator-Baugruppe 90 bei einem dritten Beispiel. Bei diesem Beispiel sind ähnlich wie beim ersten Beispiel in der Kondensator-Baugruppe 90 die Glättungskondensatorkomponenten (C1 und C4) der beiden Systeme angeordnet, und die negative Elektroden-Anschlußschiene ist als flache Platte ausgebildet. Dabei sind jedoch wie in der 6 gezeigt die Komponenten derart angeordnet, daß die negative Elektroden-Anschlußschiene 31 gebogen ist und daß die Orientierungen der Glättungskondensatoren C1 und C4 der beiden Systeme, die mit der jeweiligen positiven Elektroden-Anschlußschiene verbunden sind, in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die negative Elektroden-Anschlußschiene 31 ist damit zwischen den beiden Glättungskondensatorzellen angeordnet, so daß das vom Inverter-Glättungskondensator C4 ausgegebene und vom Schalten des Inverters 40 verursachte Schaltrauschen von der negativen Elektroden-Anschlußschiene 31 unterbrochen wird. Darüberhinaus ist der Abstand zwischen den beiden positiven Elektroden-Anschlußschienen 11 und 41 der beiden Systeme um die Höhe der Kondensatorzellen vergrößert, so daß es möglich ist, das von Inverter 40 in den Konverter 10 eingekoppelte Rauschen zu verringern und das zur externen Batterie 1 übertragene Rauschen geringer wird.
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Bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung erfolgte die Beschreibung für ein Fahrzeugsystem zum Antreiben eines einzigen Motors als Beispiel für ein Motorantriebssystem mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie mit einem Konverter und einem Inverter in einem gemeinsamen Gehäuse. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann an verschiedene Systeme angepaßt werden, etwa zum Beispiel an ein System mit einer Anzahl von Invertern, die parallel an der Ausgangsseite des Konverters 40 angeschlossen sind, um eine Anzahl von Motoren zu betreiben. Auch in diesem Fall werden die gleichen Auswirkungen erhalten.
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Die vorstehenden Ausführungsformen können darüberhinaus unabhängig oder in Kombination angewendet werden. Damit werden die Auswirkungen der Ausführungsformen unabhängig oder multipliziert erhalten. Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, solange die Merkmale davon nicht eingeschränkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- externe Batterie
- 10
- Konverter
- 11
- positive Konverterelektroden-Anschlußschiene
- 12
- Zuführpunkt von der der externen Batterie
- 13
- Konverter-Halbleitermodul
- 14
- Reaktor
- 31
- gemeinsame negative Elektroden-Anschlußschiene
- 40
- Inverter
- 41
- positive Inverterelektroden-Anschlußschiene
- 43
- Inverter-Halbleitermodul
- 60
- Motorgenerator
- 80
- Steuerschaltungsplatine
- 90
- Kondensator-Baugruppe
- 101
- Gehäuse (Gehäuse auf Massepotential)
- 102
- Abschirmwand
- C1
- Konverter-Glättungskondensator
- C2
- positiver Konverter-Filterkondensator
- C3
- Filterkondensator auf der negativen Elektrodenseite
- C4
- Inverter-Glättungskondensator
- C5
- positiver Inverter-Filterkondensator
- Qa0, Qa1, Qa2, Qa3, Qb0, Qb1, Qb2, Qb3
- Schaltelement
- Da0, Da1, Da2, Da3, Db0, Db1, Db2, Db3
- Diode
