EP4327441A1 - Stromrichterschaltung - Google Patents

Stromrichterschaltung

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EP4327441A1
EP4327441A1 EP22717410.9A EP22717410A EP4327441A1 EP 4327441 A1 EP4327441 A1 EP 4327441A1 EP 22717410 A EP22717410 A EP 22717410A EP 4327441 A1 EP4327441 A1 EP 4327441A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
resonance
switchable
bridge
compensation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22717410.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eckart Hoene
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4327441A1 publication Critical patent/EP4327441A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a converter circuit, in particular one with a compensation circuit.
  • the power converter circuit can be used, for example, in combination with a motor as the electrical component or a transformer as the electrical component.
  • Embodiments of the present invention advantageously enable regenerative common-mode charge reversals.
  • common-mode voltages When power electronic circuits are operated, what are known as common-mode voltages occur, which charge parasitic capacitances and thus generate both losses and electromagnetic interference, so-called common-mode currents.
  • the object of the present invention is to create a concept that minimizes interference, in particular interference as a result of charge reversal, and at the same time optimizes the overall efficiency of the circuit.
  • Embodiments of the present invention provide a power converter circuit with a bridge circuit and a compensation circuit.
  • the bridge circuit includes at least one half-bridge, the bridge circuit being connected to another electrical component, such as an electric motor or a transformer.
  • the further electrical component has one or more parasitic capacitances.
  • the compensation circuit is connected in parallel to an arrangement made up of a bridge circuit and the further electrical component and has one or more resonance paths connected in parallel. Each resonance path has a switchable element.
  • each of the one or more parallel-connected resonance paths is coupled via a resonant inductance to an associated compensation capacitance of the one or more compensation capacitances.
  • Exemplary embodiments of the present invention are based on the finding that the energy stored in the parasitic capacitances can be recovered by a compensation circuit with a resonance path that includes one or more switchable elements, an inductance and a capacitance. If you consider a power converter circuit with a bridge circuit and another component as the main application, the parasitic capacitances are typically found in the connected component.
  • the connected component can be, for example, a transformer with the capacitances between the primary and secondary sides, or an electric motor, which also has significant parasitic capacitances.
  • the functionality of the actual circuit is not adversely affected by the proposed circuit topology including the compensation circuit.
  • the compensation circuit present here has a decisive advantage, namely that the energy flows back and forth between the parasitic capacitances and the compensation capacitors of the compensation circuit.
  • the resonant inductances allow resonant charge reversal, in which only the line losses are lost, but the energy stored in the capacitances is recovered.
  • the electrical component can be an electric motor.
  • the compensation circuit can be coupled to a protective conductor (PE) or protective earth or the motor housing or the body on one side of the compensation circuit. The coupling can take place, for example, via the compensation capacitor/capacitance already defined above.
  • the compensation circuit can have a common contact point of the arrangement, the bridge circuit itself, a center tap of an intermediate circuit of the bridge circuit or a first or second pole of a DC voltage source or a DC voltage connection which is coupled to the bridge circuit. This then implements the parallel connection of the compensation circuit to the arrangement.
  • the electrical component can be a transformer.
  • the compensation circuit can then be connected in parallel here in that the compensation circuit is connected on one side to the primary side and on the other side to the secondary side of the transformer.
  • this can be designed here with a half-bridge, that is, for example, single-phase, but according to further exemplary embodiments, several half-bridges, such as three half-bridges, e.g. B. for a three-phase control of an electric motor or a three-phase grid connection would be conceivable.
  • the compensation circuit has three resonance paths.
  • each resonance path is coupled to the arrangement via its own compensation capacitance.
  • the compensation circuit has at least three compensation capacitances, which are each coupled to one of the three resonance paths on one side.
  • these can have a common contact point with the arrangement, e.g. B. with the protective conductor mentioned above or one side of the transformer tor be coupled.
  • the number of resonance paths can depend on the topology of the bridge circuit and/or can depend on the control of the half-bridges of the bridge circuit.
  • the power converter circuit has a controller which is designed to control the switchable element in the one or more resonance paths in each case in such a way that the switchable element before switching over the respective associated half-bridge is activated.
  • the switchable element is activated over a period of time in such a way that resonant charge reversal takes place in equal parts before and after the switching process of the respective associated half-bridge.
  • the switchable element of the resonance paths is formed, for example, by two switchable elements connected in series for each resonance path.
  • the two switchable elements connected in series can have opposite flow directions.
  • a switchable element with two selective blocking directions it would be conceivable for a switchable element with two selective blocking directions to be used.
  • the resonance recharging to be started by switching on the respective switchable element of the two series-connected switchable elements of a respective resonance path, which in the present operating state picks up a voltage, is switched on, and after Completion of the resonance charge is switched off again.
  • this has one or more half-bridges, with each half-bridge having at least two further switchable elements, for example. These further half-bridges are driven in accordance with preferred exemplary embodiments, as indicated above.
  • the components of the resonant path are also adapted to the other switchable elements.
  • the switchable elements and the resonance paths and the further switchable elements of the bridge circuit have a comparable size in relation to their switching times.
  • comparable means that the switching time is the same, for example, or deviates by a maximum of a specific range.
  • the ratio should be 1:1 or a maximum of 1:2 or 2:1 or a maximum of 3:1 or 1:3.
  • the switching time of the switchable elements can be twice or half that of the other switchable elements or can generally be in the range between 0.5 and 2.0 or 0.3 and 3.
  • the size of the compensation capacitances is adapted to the parasitic capacitances.
  • the compensation capacitances essentially correspond to the parasitic capacitances.
  • essentially means in a range from 0.5 to 2.0 or in a range from 0.3 to 3
  • Example between 0.7 and 1.3 times or 0.9 and 1.1 times times, are set, it being clear to the person skilled in the art that the narrower the limit, the better the compensation behavior will be developed. The corresponding dependencies between the values are explained below using a calculation example.
  • a further exemplary embodiment provides a method for driving the power converter circuit, as explained above.
  • the switchable elements in the resonant path are activated shortly before switching over a half-bridge of the bridge circuit.
  • the activation takes place over a period of time, so that a resonant charge reversal can take place in equal parts before and after the switching process of the respective half-bridge.
  • the control is carried out in such a way that a resonance charge reversal is designed in that the respective switchable element of the two series-connected switchable elements of a resonance path is switched, which absorbs a voltage in the present operating state, the same being switched off after the resonance charge reversal .
  • the controller can be computer-implemented.
  • control algorithms can be stored on a memory chip, for example, so that they can be executed using a processor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a power converter circuit with a compensation circuit according to a basic exemplary embodiment
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a converter circuit with a connected component, in which losses occur as a result of parasitic capacitances, to explain exemplary embodiments
  • 2b shows a schematic representation of a topology according to the prior art for explaining disadvantages in the prior art
  • 3 shows a schematic representation of a power converter circuit with a compensation circuit according to extended exemplary embodiments for the application area of an electric motor
  • Fig. 4 is a schematic representation of a power converter circuit according to other extended exemplary embodiments for the field of application Transforma tor.
  • Fig. 1 shows a converter circuit 10 with a bridge circuit 20, which together with an electrical component 28, z. B. an electric motor coupled. Furthermore, the power converter circuit 10 includes a compensation circuit 30. The compensation circuit 30 is coupled to the arrangement comprising the bridge circuit 20 and the electrical component 28 .
  • connection between the compensation circuit 30 and the arrangement made up of the elements 20 and 30 can be made, for example, in such a way that a common protective conductor 24 is connected to the compensation circuit.
  • connection is made, for example, via an intermediate tap of a half-bridge 22a of bridge circuit 20 Electric motor are made available.
  • the AC voltage is provided by the half-bridge 22a, starting from a DC voltage present at the two voltage taps 21+ and 21- on the bridge circuit 20.
  • the compensation circuit 30 includes a resonance path 31.
  • the resonance path 31 is connected via a coupling capacitance 38 to the arrangement comprising the elements 20 and 28.
  • the resonance path comprises at least one switchable element 32 and a resonant inductance 36.
  • the switchable element 32 can be two series-connected switchable elements which, for example, can be switched. B. have an opposite blocking direction. Alternatively, a switchable element with two reverse directions and two forward directions can also be used.
  • a resonant charge reversal e.g. B. the charges on the capacitor 38a.
  • the bridge circuit 20 can also have additional half-bridges, as is illustrated here with reference to the half-bridge 22b.
  • Both half bridges 22a and 22b are arranged between the voltage taps 21+ and 21 ⁇ and can be connected to the electrical component 28 via their center tap, for example.
  • This is a typical topology for coupling or decoupling an AC voltage, with other topologies of course other couplings of the electrical component 28's, z. B. via the DC terminals 21 + and 21 - would be possible.
  • the compensation circuit 30 is coupled via a common contact point 39 which is connected to the protective conductor 24 here.
  • the protective conductor 24 carries, for example, the housing potential and, assuming an electric vehicle, the body potential.
  • a coupling of the common contact point 39 to the arrangement or the electrical component 28 is also conceivable.
  • the compensation circuit 30 is connected in parallel with the arrangement comprising the elements 20 and 28 .
  • the bridge circuit 20 has an intermediate circuit 24 with intermediate circuit capacitors 24k1 and 24k2, the second side of the compensation circuit or here the second side of the resonance path 31a being coupled to an intermediate tap of the intermediate circuit 24.
  • the compensation circuit 30 is connected on one side to the intermediate circuit 24 or the converter circuit 20 and on the other side with the protective conductor 24 or the component 28, the compensation circuit 30 is connected with respect to the arrangement comprising the components 20 and 28 in parallel.
  • the first side of the compensation circuit 30 cannot be coupled via the intermediate circuit 24, but rather directly via the voltage tap 21+ or 21 ⁇ . All couplings have in common that the compensation circuit 30 is connected to a first side with the bridge circuit 20, while a second side is connected to component 28. Connected here means electrically coupled, directly electrically contacted or galvanically coupled.
  • the compensation circuit 30 can also have further resonance paths, here using the example of the resonance path 31b.
  • the resonance path 31b is connected to the common contact point 39 via the further compensation capacitance 38b.
  • This contact point 39 is arranged on the second side.
  • a common contact point 37 can also be present on the first side of the compensation circuit 30, which is connected to the optional intermediate circuit 24 in this exemplary embodiment.
  • Fig. 2a shows an inverter 20 with three half-bridges 20a-20c, each having two switchable elements 22a and 22b.
  • Each switchable element is connected in parallel with a diode, the reverse direction of the diode being arranged in the opposite direction to the reverse direction of the switchable element.
  • the two switchable elements 22a and 22b have, for example, the same blocking direction.
  • the common potential taps are here 21 + and 21 - designed so that the three Half-bridges 20a-20c are arranged in between.
  • the inverter has an intermediate circuit capacitor 24 which is arranged between the two potential taps 21+ and 21 ⁇ .
  • each of the two potential taps 21 + and 21 - can be coupled to a protective conductor 24 via a further capacitor 25 , for example.
  • the capacitors are called Y-capacitors 25, for example.
  • the inverter 20 is connected between a battery 15 on the DC side and a motor 28 on the AC side.
  • the motor 28 is coupled to the intermediate taps of the half-bridges 20a-20c, for example.
  • the intermediate taps are associated with reference numerals 26a-26c.
  • the connection is made, for example, via a shielded cable 27 comprising the components 27a-27d, with 27a, 27b and 27c being assigned to the intermediate taps 26a, 26b and 26c, while 27d is used for the PE conductor 24. 24 or 27d is connected to the engine mass of the engine 28.
  • the motor has motor inductances, for example, as shown here.
  • the battery is connected to the cable 16, here a three-wire cable for the voltage taps 21+ and 21- and the protective conductor 24. All elements such as B. the shielded cable 27, the motor 28 form parasitic capacitances, the parasitic capacitances are particularly problematic where due to potential changes (AC voltage or common mode), it can lead to a current flow.
  • the parasitic capacitances 28p1 in the area of the cable and between the wires 27a or 27b or 27c and the wire 27d and 28p2 between the individual motor phases and the housing are shown here as an example on the motor 28 side.
  • the three half-bridges 20a-20c switch the voltage and thus charge the parasitic capacities 28p1 and 28p2 of cable 27 and motor 28 against the stator with losses.
  • the resulting current should be closed within the converter to avoid common mode interference in the battery.
  • Fig. 2b shows the arrangement of battery 15, battery cable 16, inverter 20, Motorka bel 27 and motor 28.
  • a second converter 40 can be coupled to the converter 20 who the.
  • the second converter 40 is constructed, for example, similarly or identically to the converter 20, with its voltage taps 40+ and 40- for the DC voltage (between which the half-bridges 20a-20c are arranged) connected to the corresponding voltage taps 21+ and 21-.
  • the half-bridges 20a-20c are each connected via their intermediate circuit using a capacitor arrangement 42 to the protective conductor 24.
  • a common potential point 44 is used here.
  • the capacity arrangement 42 includes, for example, a dedicated capacitor 42a-42c for each intermediate circuit tap. This means that the three capacitors 42a, 42b and 42c are connected in parallel and are each connected to an intermediate tap of the half-bridges 20a-20c on one side, while they are connected to the common potential point on the second side.
  • the inverter 40 By using the inverter 40, anti-phase biasing can be induced at the potential point 44 to minimize the interference.
  • the second converter 40 is controlled in an inverted manner with the same control signals and thus recharges the compensation capacitors 42a-42c. An optimization of this arrangement 40 is explained below with reference to FIG. Here there is one of the compensation circuit 50 formed by resonance paths 31a, 31b and 31c.
  • FIG. 3 shows the converter circuit 10' with the bridge circuit 20, which is arranged between the motor 28 and the battery 15. Cables 16 and 27 are again used.
  • the bridge circuit 20 here in turn has three half-bridges 20a-20c, which are coupled between the potential taps 21+ and 21-.
  • an intermediate circuit 24 comprising the series-connected intermediate circuit capacitors 24k1 and 24k2 is also provided.
  • the arrangement of the bridge circuit 20 and the motor 28 is connected in parallel.
  • the compensation circuit 50 on the one hand, z. B. via a common potential point 39, connected to the protective conductor 24 and on the other side, z. B. via an intermediate tap of the intermediate circuit 24 (i.e. between the capacitors 24k1 and 24k2), with the bridge circuit 20.
  • Connected in parallel therefore means that the compensation circuit 50 is coupled on one side to a common potential point of the electrical component 28 and on the other side with a common potential point 37 (intermediate tap of the intermediate circuit 24) with the bridge circuit 20.
  • the compensation circuit 50 has three resonance paths 31a, 31b and 31c. These three are all connected in parallel, that is, on their first Side connected to the common contact point 37 and connected on the other side via a capacitor array 42 to the common contact point 39.
  • the capacity arrangement 42 includes a separate capacity 42a, 42b and 42c for each resonance path 31a, 31b and 31c. These capacitors 42a, 42b and 42c are approximately as large as the parasitic capacitances 28p1 and 28p2, for example. As shown above, there are three parasitic 28p1 capacitances and three parasitic 28p2 capacitances, namely between a phase connection of the motor or a motor inductance assigned to a phase and the protective conductor 24.
  • Each compensation capacitance 42a, 42b and 42c can therefore be adapted to the individual parasitic capacitances 28p1 and 28p2 per phase, in which case the entirety of the capacitances 42a, 42b and 42c corresponds to the total of the entirety of the capacitances 28p1 and 28p2.
  • the same order of magnitude means that the criterion still applies if there is a maximum deviation from one capacity to the other capacity, e.g. B. a maximum of 3 times or a third or z. B. a maximum of 0.5 times or 2 times.
  • this criterion means that the compensation capacitances 42a, 42b and 42c, individually or in total, correspond to 0.3 to 3.0 times or 0.5 to 2.0 times or the 0.9 to 1.1 times the parasitic capacitances 28p1 and 28p2.
  • the resonance path 21a comprises a switchable element 32, which in this exemplary embodiment is formed by two switchable elements 32a and 32b. These two switchable elements can be semiconductor transistors, for example, which have an opposite forward direction or an opposite blocking direction. Each of these semiconductor transistors of the switchable elements 32a and 32b is bridged by a correspondingly oppositely arranged diode.
  • An inductance 36 is arranged in series with the switchable element 32 in the resonance path 31a. In this exemplary embodiment, this is provided between the switchable element 32 and the compensation capacitance 42a. If the capacitors 42a-42c are recharged in phase opposition to the motor capacitances 28p2 or general parasitic capacitances 28p1 and 28p2, the currents in the converter close and do not become effective as disturbances.
  • compensation capacitors 42a, 42b and 42c can be selected in a wide range of capacitances, which can vary from slightly smaller than the parasitic capacitances to larger. With larger capacitances, the dielectric strength of the semiconductors for the switchable elements is somewhat lower. With smaller capacitances, the values of the resonant inductances are larger. In this respect, the capacity 42a (or 42b or 42c) is dimensioned together with the inductance 36 and the switchable elements 32 in the compensation circuit 50 . A sizing example is given below.
  • the switchable elements 32 are preferably selected taking into account the switchable elements of the half-bridges 21a, 21b and 21c.
  • the switching speed of the half-bridges 21a, 21b and 21c should roughly correspond to the resonant frequency of the compensation network. Roughly the same again means the same order of magnitude, which means that switching speeds of the element 32 should be between 0.3 and 3 times or 0.5 and 2 times or 0.9 and 1.1 times the resonant frequency of the resonance path or the inductance 36 or the inductance 32 in combination with the parasitic capacitances and capacitances would be conceivable. In other words, this means that the resonant frequency is essentially dependent on the inductance 36 and the parasitic capacitance. In accordance with exemplary embodiments, the resonant element 36 can therefore be dimensioned in relation to the parasitic capacitance.
  • the inductance 36 would then be designed with 1 pH.
  • switchable elements 32 it should be noted that, as shown here, these can consist of two individual switchable elements 32a and 32b, which are connected in series. This arrangement allows locking in both directions. Alternatively, a switchable element with two blocking directions or two passage directions would also be conceivable, with blocking in both directions again being possible.
  • the switchable elements 32 are activated in such a way that this (ideally) takes place shortly before the switching of the half-bridges 21a-21c (depending on the assignment), with the time (activation time) being selected in accordance with further exemplary embodiments in such a way that the Resonance recharging takes place in equal parts before and after the switching process.
  • the resonant charge reversal is started in that the switchable element 32a or 32b of the two series-connected elements 32, which absorbs voltage in the present operating state, is switched on. This is then switched on and switched off after completion of the resonant charge. A current reversal is prevented by the freewheeling diode of the other switchable element 32b or 32a.
  • damping resistors can be provided for vibrations that occur, in order to shield the system from reality. A possible arrangement of these damping resistors would be in the Y-capacitors, which are provided with the reference numeral 25 (see also the explanation in FIG. 2a).
  • the resonant circuit 50 is used at the center point tap 37 of the intermediate circuit 24 .
  • coupling to DC+ and DC- that is, to the voltage taps 21+ and 21-, would also be conceivable.
  • the control explained above can take place by means of suitable pulse patterns.
  • a suitable pulse pattern it is possible to reduce the number of resonant circuits (here three, e.g. to two).
  • the number of resonant circuits 31a-31c can correspond, for example, to the number of half-bridges 20a-20c, with more or fewer resonant circuits obviously also being possible, which are then optimized by appropriate controls.
  • the compensation circuit 50 is illustrated only schematically here, it being possible to assume that the structure is comparable to the structure from FIG. 3 .
  • FIG. 4 shows a further converter circuit with a first area 17, a second area 20' and a coupled component 28'.
  • the circuit area 17 represents, for example, an ACDC or DCAC converter which, starting from a three-phase AC voltage (cf. phases P1, P2 and P2), provides a direct voltage V+ and V ⁇ or vice versa, starting from the direct voltage V+ and V ⁇ provides an AC voltage on the three phases P1-P3.
  • the second circuit area 20' is a bridge circuit which is coupled to a transformer 28' or two transformers T1 and T2.
  • the transformers are provided with the reference symbols T1 and T2 and have, for example, a primary side P1 and a secondary side P2.
  • the exact explanation of the circuit is shown in DE 10 2018 210579, for example.
  • the resonant circuit 50 is connected in parallel with the arrangement consisting of the elements 28' and 20'.
  • the compensation circuit 50 can be connected to the primary side on one side and to the secondary side of the transformers T1 and T2 on the other side.
  • a connection on the primary side can take place, for example, at the two poles of C1 and C2, as illustrated here using the two connecting lines.
  • the secondary side P2 is then connected to the other side of the compensation circuit 50.
  • the compensation circuit 50 it should be noted once again that it can be constructed similarly to the compensation circuit 50 from FIG. This is preferably connected in series, as has already been explained above.
  • the size of the device 50 can be significantly reduced in advance with the compensation scarf by the electrical energy in the parasitic capacitances, especially in the parasitic capacitances of the transformers T1 and T2, can be recovered.
  • the principle is as explained above.
  • the compensation path is now connected in parallel.
  • the electric motor is connected to the body, e.g. B. on its housing.
  • the compensation circuit is also connected via the common contact point 39 to the car body or car body mass or ground or the protective conductor.
  • the electric motor is driven via the bridge circuit.
  • the compensation circuit is in turn connected to the bridge circuit, e.g. B. via an intermediate circuit, so that the parallel connection of the compensation circuit results in the arrangement of the motor and bridge circuit.
  • the compensation device can have a controller which carries out a corresponding actuation.
  • the main features of the control were outlined above.
  • the control can be implemented partially in hardware and partially in software.
  • exemplary embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, with the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored on a machine-readable carrier, for example.
  • exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable medium.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a computer program that has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
  • the data carrier, digital storage medium, or computer-readable medium is typically tangible and/or non-transitory.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein.
  • the data stream or sequence of signals may be configured to be transmitted over a data communications link, such as the Internet.
  • a processing device such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
  • a further exemplary embodiment according to the invention comprises an apparatus or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a recipient.
  • the transmission can take place electronically or optically, for example.
  • the recipient may be a computer, mobile device, storage device, or similar device.
  • the device or the system can, for example, comprise a file server for transmission of the computer program to the recipient.
  • a programmable logic device e.g., a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed on the part of any hardware device. This can be universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
  • the devices described herein may be implemented, for example, using hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of hardware apparatus and a computer.
  • the devices described herein, or any components of the devices described herein may be implemented at least partially in hardware and/or in software (computer program).
  • the methods described herein may be implemented, for example, using hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of hardware apparatus and a computer.
  • the methods described herein, or any components of the methods described herein, may be performed at least in part by hardware and/or by software.

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Abstract

Stromrichterschaltung (10, 10'), mit folgenden Merkmalen: einer Brückenschaltung (20, 20') mit mindestens einer Halbbrücke (20a, 20b, 20c), wobei die Brückenschaltung (20, 20') mit einer weiteren elektrischen Komponente (28, 28') verbunden ist, die eine parasitäre Kapazität (28p1, 28p2) aufweist, einer Kompensationsschaltung (30, 50), die parallel zu einer Anordnung (20+28, 20'+28') aus Brückenschaltung (20, 20') und der weiteren elektrischen Komponente (28, 28') geschaltet ist, wobei die Kompensationsschaltung (30, 50) ein oder mehrere parallel geschaltete Resonanzpfade (31a, 31b, 31c) aufweist, wobei jeder Resonanzpfad (31a, 31b, 31c) mindestens ein schaltbares Element (32, 32a, 32b) aufweist, wobei jeder der ein oder mehreren parallel geschalteten Resonanzpfade (31a, 31b, 31c) jeweils über eine Resonanzinduktivität (36) mit einer zugehörigen Kompensationskapazität (42, 42a, 42b, 42c) der ein oder mehreren Kompensationskapazitäten (42, 42a, 42b, 42c) gekoppelt ist.

Description

Stromrichterschaltung
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Stromrichterschal tung, insbesondere auf eine mit einer Kompensationsschaltung. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Stromrichterschaltung beispielsweise in Kombination mit einem Motor als elektrische Komponente oder einem Transformator als elektrische Kom ponente verwendet werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen vorteilhafterweise regenerative Gleichtaktumladungen.
Beim Betrieb von leistungselektronischen Schaltungen entstehen sogenannte Gleichtak tspannungen, die parasitäre Kapazitäten umladen und damit sowohl Verluste als auch elektromagnetische Störungen, sogenannte Gleichtakt- oder Common-Mode-Ströme, er zeugen.
Bereits im Stand der Technik sind Schaltungen zur Kompensation der elektromagnetischen Störungen und Fehlerströme bekannt. Beispielsweise sei auf die Patentanmeldungen JPH09037593A sowie DE102017220109A1 hingewiesen. Die DE102017220109A1 be zieht sich beispielsweise auf eine Stromrichterschaltung mit einem Gleichrichter, einem DC/DC-Wandler sowie einem Wechselrichter. Durch eine Erdstrom kompensation werden Störungen vermieden. Nachteil bei den hier beschriebenen Ausführungen sind allerdings die zusätzlichen Verluste, die aus der Umladung des Kompensationskondensators und der aus den Zwischenkreis-gespeisten Halbleitern resultieren. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zu schaffen, das Störungen, insbe sondere Störungen infolge von Umladungen, minimiert und gleichzeitig die Gesamteffizienz der Schaltung optimiert.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand, wie er durch die unabhängigen Patentansprü che definiert ist, gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Stromrichterschaltung mit einer Brückenschaltung und einer Kompensationsschaltung. Die Brückenschaltung umfasst mindestens eine Halbbrücke, wobei die Brückenschaltung mit einer weiteren elektrischen Komponente, wie zum Beispiel einem Elektromotor oder einem Trafo, verbunden ist. Die weitere elektrische Komponente weist eine parasitäre oder mehrere parasitäre Kapazitäten auf. Die Kompensationsschaltung ist parallel zu einer Anordnung aus Brückenschaltung und der weiteren elektrischen Komponente geschaltet und weist ein oder mehrere parallel geschaltete Resonanzpfade auf. Jeder Resonanzpfad weist ein schaltbares Element auf. Ferner ist jeder der ein oder mehreren parallel geschalteten Resonanzpfade über eine Re sonanzinduktivität mit einer zugehörigen Kompensationskapazität der ein oder mehreren Korn pensationskapazitäten gekoppelt.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Kompensationsschaltung mit einem Resonanzpfad, der ein oder mehrere schalt bare Elemente, eine Induktivität und eine Kapazität umfasst, eine Rückgewinnung der in den parasitären Kapazitäten gespeicherten Energie erfolgen kann. Wenn man als Haupt anwendung eine Stromrichterschaltung mit einer Brückenschaltung und einer weiteren Komponente betrachtet, sind typischerweise die parasitären Kapazitäten in der verbunde nen Komponente zu finden. Bei der verbundenen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Trafo mit den Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite oder um einen Elektromotor mit ebenfalls erheblichen parasitären Kapazitäten handeln. Durch die vorge schlagene Schaltungstopologie umfassend die Kompensationsschaltung wird die Funktio nalität der eigentlichen Schaltung nicht negativ beeinflusst. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik offenbarten Wirkprinzipien hat die hier vorliegende Kompensationsschaltung einen entscheidenden Vorteil, nämlich dass die Energie zwischen den parasitären Kapazi täten und den Kompensationskondensatoren der Kompensationsschaltung hin- und her fließen. Die Resonanzinduktivitäten erlauben ein resonantes Umladen, bei dem nur die Lei tungsverluste verloren gehen, die in den Kapazitäten gespeicherte Energie aber zurückge wonnen wird.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann es sich, wie bereits schon gesagt, bei der elektrischen Komponente um einen Elektromotor handeln. Hier kann beispielsweise die Kompensationsschaltung mit einem Schutzleiter (PE) beziehungsweise Schutzerde bezie hungsweise dem Motorgehäuse beziehungsweise der Karosserie auf der einen Seite der Kompensationsschaltung gekoppelt sein. Die Kopplung kann beispielsweise über den oben bereits definierten Kompensationskondensator/die Kompensationskapazität erfolgen. Auf der anderen Seite kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Kompensations schaltung mit einem gemeinsamen Kontaktpunkt der Anordnung, der Brückenschaltung selbst, einem Mittelabgriff eines Zwischen kreis es der Brückenschaltung oder einem ersten oder zweiten Pol einer Gleichspannungsquelle beziehungsweise eines Gleichspannungs anschlusses, der mit der Brückenschaltung gekoppelt ist, verbunden sein. Hierdurch wird dann die Parallelschaltung der Kompensationsschaltung zu der Anordnung realisiert.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es sich bei der elektrischen Kom ponente um einen Trafo handeln. Hier kann dann entsprechend Ausführungsbeispielen die Parallelschaltung der Kompensationsschaltung dadurch realisiert werden, dass die Kom pensationsschaltung auf der einen Seite mit der Primärseite und auf der anderen Seite mit der Sekundärseite des Trafos verbunden ist.
Bezüglich der Brückenschaltung sei angemerkt, dass diese hier mit einer Halbbrücke, das heißt beispielsweise einphasig ausgeführt sein kann, aber entsprechend weiteren Ausfüh rungsbeispielen auch mehrere Halbbrücken, wie zum Beispiel drei Halbbrücken, z. B. für eine dreiphasige Ansteuerung eines Elektromotors oder eine dreiphasige Netzanbindung, denkbar wären.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschaltung drei Resonanz pfade auf. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist jeder Resonanzpfad über eine eigene Kompensationskapazität mit der Anordnung gekoppelt. Insofern weist bei die ser Variante dann die Kompensationsschaltung mindestens drei Kompensationskapazitä ten auf, die auf der einen Seite jeweils mit einem der drei Resonanzpfade gekoppelt sind. Auf der anderen Seite können diese mit einem gemeinsamen Kontaktpunkt mit der Anord nung, z. B. mit dem oben angesprochenen Schutzleiter oder einer Seite des Transforma tors, gekoppelt sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Anzahl der Resonanzpfade abhängig sein kann von der Topologie der Brückenschaltung und/oder kann von der An steuerung der Halbbrücken der Brückenschaltung abhängen. Beispielsweise bei versetzter Ansteuerung von den Halbbrücken einer Brückenschaltung mit drei Halbbrücken wären drei Resonanzpfade optimal, wobei selbstverständlich auch andere Konfigurationen denkbar wären. Auf die Hintergründe hierzu wird bei der Erläuterung der Ausführungsbeispiele be züglich der Ansteuerung der schaltbaren Elemente der Resonanzpfade und der schaltbaren Elemente der Halbbrücken eingegangen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Stromrichterschaltung eine Steuerung auf, die ausgebildet ist, das schaltbare Element in den ein oder mehreren Resonanzpfaden je weils so anzusteuern, dass das schaltbare Element vor dem Umschalten der jeweiligen zugeordneten Halbbrücke aktiviert wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen wird das schaltbare Element über eine Dauer derart aktiviert, so dass eine Resonanzumladung zu gleichen Teilen vor und nach dem Schaltprozess der jeweiligen zugeordneten Halbbrücke erfolgt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann davon ausgegangen werden, dass das schalt bare Element der Resonanzpfade beispielsweise durch zwei in Serie geschaltete schalt bare Elemente je Resonanzpfad gebildet ist. Beispielsweise können die zwei in Serie ge schalteten schaltbaren Elemente eine entgegengesetzte Durchflussrichtung aufweisen. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre es denkbar, dass ein schaltbares Element mit zwei selektiven Sperrrichtungen eingesetzt wird. Ausgehend von dieser Vari ante wäre es beispielsweise denkbar, dass die Resonanzumladung dadurch gestartet wird, indem das jeweilige schaltbare Element der beiden in Reihe geschalteten schaltbaren Ele mente eines jeweiligen Resonanzpfades geschaltet wird, der im vorliegenden Betriebszu stand eine Spannung aufnimmt, eingeschaltet wird, und nach Abschluss der Resonanzum ladung wieder ausgeschaltet wird.
Bezüglich der Brückenschaltung sei angemerkt, dass diese ein oder mehrere Halbbrücken aufweist, wobei beispielsweise jede Halbbrücke mindestens zwei weitere schaltbare Ele mente aufweist. Die Ansteuerung dieser weiteren Halbbrücken erfolgt entsprechend bevor zugten Ausführungsbeispielen, wie oben angedeutet. Auch sind die Komponenten des Re sonanzpfades an die weiteren schaltbaren Elemente angepasst. Beispielsweise haben die schaltbaren Elemente und die Resonanzpfade und die weiteren schaltbaren Elemente der Brückenschaltung in Bezug auf ihre Schaltzeiten eine vergleichbare Größe. Hierbei heißt vergleichbar, dass die Schaltzeit beispielsweise gleich ist oder maximal um eine bestimmte Range abweicht. Das Verhältnis sollte also beispielsweise 1 :1 oder maximal 1 :2 bezie hungsweise 2:1 oder maximal 3:1 beziehungsweise 1 :3 sein. Das heißt also, dass die Schaltzeit der schaltbaren Elemente gegenüber den weiteren schaltbaren Elementen das Doppelte oder die Hälfte betragen kann beziehungsweise allgemein in der Range zwischen 0,5 und 2,0 beziehungsweise 0,3 und 3 sein kann. Entsprechend weiteren Ausführungsbei spielen sind die Kompensationskapazitäten in Bezug auf ihre Größe angepasst an die pa rasitären Kapazitäten. Beispielsweise entsprechen die Kompensationskapazitäten im We sentlichen den parasitären Kapazitäten. Hierbei heißt im Wesentlichen wieder in einem Be reich von 0,5 bis 2,0 beziehungsweise in einem Bereich von 0,3 bis 3. Sowohl für den Ver gleich der Kapazitäten als auch für den Vergleich der Schaltzeiten könnten natürlich auch engere Werte, wie zum Beispiel zwischen dem 0,7- und 1 ,3-fachen oder dem 0,9- und 1 ,1- fachen, gesetzt werden, wobei dem Fachmann klar ist, dass umso enger die Grenze ist, umso besser das Kompensationsverhalten ausgebildet sein wird. Die entsprechenden Ab hängigkeiten der Werte zueinander werden unten anhand eines Rechenbeispiels erläutert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Ansteuerung der Stromrichter schaltung, wie sie oben erläutert wurde. Hierbei werden die schaltbaren Elemente im Re sonanzpfad kurz vor dem Umschalten einer Halbbrücke der Brückenschaltung aktiviert. Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt das Aktivieren über eine Dauer, so dass eine Resonanzumladung zu gleichen Teilen vor und nach dem Schaltprozess der jeweiligen Halbbrücke erfolgen kann. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt das An steuern so, dass eine Resonanzumladung dadurch gestaltet wird, indem das jeweilige schaltbare Element der beiden in Reihe geschalteten schaltbaren Elemente eines Reso nanzpfades geschaltet wird, das im vorliegenden Betriebszustand eine Spannung auf nimmt, wobei dasselbe nach der Resonanzumladung ausgeschaltet wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Steuerung computerimplementiert sein. Insofern können Steuerungsalgorithmen beispielsweise auf einem Speicherchip ge speichert sein, so dass diese unter Verwendung eines Prozessors ausgeführt werden kön nen.
Weitere Bildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail er läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung mit einer Kom pensationsschaltung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung mit einer ange schlossenen Komponente, bei welcher es infolge von parasitären Kapazitä ten zu Verlusten kommt, zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen;
Fig. 2b eine schematische Darstellung einer Topologie nach dem Stand der Technik zur Erläuterung von Nachteilen im Stand der Technik; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung mit einer Kom pensationsschaltung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen für das An wendungsgebiet Elektromotor; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß anderen erweiterten Ausführungsbeispielen für das Anwendungsgebiet Transforma tor.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegen den Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar beziehungsweise austauschbar ist.
Fig. 1 zeigt eine Stromrichterschaltung 10 mit einer Brückenschaltung 20, die zusammen mit einer elektrischen Komponente 28, z. B. einem Elektromotor, gekoppelt ist. Ferner um fasst die Stromrichterschaltung 10 eine Kompensationsschaltung 30. Die Kompensations schaltung 30 ist mit der Anordnung umfassend Brückenschaltung 20 und elektrische Kom ponente 28 gekoppelt.
Die Verbindung zwischen der Kompensationsschaltung 30 und der Anordnung aus den Elementen 20 und 30 kann beispielsweise so erfolgen, dass ein gemeinsamer Schutzleiter 24 mit der Kompensationsschaltung verbunden ist. Zur Kopplung zwischen Brückenschal tung 20 und elektrischer Komponente 28 sei angemerkt, die Verbindung erfolgt beispiels weise über einen Zwischenabgriff einer Halbbrücke 22a der Brückenschaltung 20. Über diesen Abgriff, der mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist, kann beispielsweise eine Wechselspannung der elektrischen Komponente 28 beziehungsweise dem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden. Die Wechselspannung wird durch die Halbbrücke 22a aus gehend von einer an den zwei Spannungsabgriffen 21+ und 21 - an der Brückenschaltung 20 anliegenden Gleichspannung bereitgestellt. Es ist davon auszugehen, dass elektrische Komponente, wie der dargestellte Elektromotor 28 oder Induktivitäten des Elektromotors, parasitäre Kapazitäten 28p aufweisen, die in Kombination mit der Brückenschaltung, die hier beispielsweise zur Wechselrichtung eingesetzt wird, dazu führen, dass es zu Umla dungsvorgängen (beispielsweise verursacht durch Gleichtaktschwankungen) bei diesen parasitären Kapazitäten 28p kommt. Diese Umladungsvorgänge gehen mit einem Strom fluss des Umrichters 20 einher und sind verlu st behaftet. Um diese Umladungsvorgänge zu kompensieren, wird nun die Kompensationsschaltung 30 eingesetzt. Die Kompensationsschaltung 30 umfasst einen Resonanzpfad 31. Der Resonanzpfad 31 ist über eine Koppel kapazität 38 mit der Anordnung umfassend die Elemente 20 und 28 verbunden. Der Resonanzpfad umfasst zumindest ein schaltbares Element 32 sowie eine Resonanzinduktivität 36. Bei dem schaltbaren Element 32 kann es sich entsprechend Aus führungsbeispielen um zwei in Serie geschaltete schaltbare Elemente handeln, die z. B. eine entgegengesetzte Sperrrichtung aufweisen. Alternativ kann auch ein schaltbares Ele ment mit zwei Sperr- und zwei Durchlassrichtungen eingesetzt werden. Durch die Ansteu erung der schaltbaren Elemente 32 erfolgt ein resonantes Umladen, z. B. der Ladungen auf der Kapazität 38a. Hierdurch gehen zwar die Leitungsverluste verloren, wobei die in den Kapazitäten, insbesondere den parasitären Kapazitäten 28p, gespeicherte Energie aber zurückgewonnen wird.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Brückenschaltung 20 auch noch zusätzliche Halbbrücken aufweisen, wie hier anhand der Halbbrücke 22b illustriert ist. Beide Halbbrü cken 22a und 22b sind zwischen den Spannungsabgriffen 21 + und 21 - angeordnet und können beispielsweise über ihren Mittelabgriff mit der elektrischen Komponente 28 verbun den sein. Dies ist eine typische Topologie für eine Ein- oder Auskopplung einer Wechsel spannung, wobei bei anderen Topologien natürlich auch andere Ankopplungen der elektri schen Komponente 28, z. B. über die Gleichspannungsanschlüsse 21 + und 21 -, möglich wären.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ankopplung der Kompensationsschaltung 30 über einen gemeinsamen Kontaktpunkt 39, der hier mit dem Schutzleiter 24 verbunden ist. Der Schutzleiter 24 trägt beispielsweise das Gehäusepotenzial und wenn man von einem Elektrofahrzeug ausgeht, das Karosseriepotenzial. Allerdings ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch eine Ankopplung des gemeinsamen Kontaktpunkts 39 mit der Anordnung beziehungsweise der elektrischen Komponente 28 denkbar. Wichtig ist, dass die Kompensationsschaltung 30 parallel zu der Anordnung umfassend die Elemente 20 und 28 geschaltet ist. Bei dieser Variante ist es beispielsweise dadurch realisiert, dass die Brü ckenschaltung 20 einen Zwischenkreis 24 mit Zwischenkreiskondensatoren 24k1 und 24k2 aufweist, wobei die zweite Seite der Kompensationsschaltung beziehungsweise hier die zweite Seite des Resonanzpfades 31 a mit einem Zwischenabgriff des Zwischenkreises 24 gekoppelt ist. Dadurch, dass die Kompensationsschaltung 30 auf der einen Seite mit dem Zwischenkreis 24 beziehungsweise der Stromrichterschaltung 20 verbunden ist und auf der anderen Seite mit dem Schützleiter 24 beziehungsweise der Komponente 28, ist die Kom pensationsschaltung 30 bezüglich der Anordnung umfassend die Komponenten 20 und 28 parallel geschalten.
Natürlich kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Ankopplung der ersten Seite der Kompensationsschaltung 30 nicht über den Zwischenkreis 24 erfolgen, sondern direkt über den Spannungsabgriff 21 + oder 21 - Allen Ankopplungen ist gemein, dass die Kompensationsschaltung 30 mit einer ersten Seite mit der Brückenschaltung 20 verbunden ist, während eine zweite Seite mit der Komponente 28 verbunden ist. Verbunden heißt hier bei, elektrisch gekoppelt, direkt elektrisch kontaktiert oder galvanisch gekoppelt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kompensationsschaltung 30 auch weitere Resonanzpfade, hier exemplarisch anhand dem Resonanzpfad 31 b, aufweisen. Der Resonanzpfad 31 b ist über die weitere Kompensationskapazität 38b mit dem gemein samen Kontaktpunkt 39 verbunden. Dieser Kontaktpunkt 39 ist auf der zweiten Seite ange ordnet. Auch auf der ersten Seite der Kompensationsschaltung 30 kann ein gemeinsamer Kontaktpunkt 37 vorhanden sein, der in diesem Ausführungsbeispiel mit dem optionalen Zwischenkreis 24 verbunden ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass alle in Fig. 1 darge stellten Elemente als optional gelten, wobei umgekehrt das keine Aussage dahingehend ist, dass die als nicht gestrichelt markierten Elemente obligatorisch sind.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 2a und b die Gesamtproblematik mit den para sitären Kapazitäten noch einmal im Detail erläutert, wobei dann im Zusammenhang mit Fig. 3 ein erweitertes Ausführungsbeispiel der hier dargestellten Schaltung aus Fig. 1 erläutert wird. Fig. 4 zeigt die Verwendung der Kompensationsschaltung im Zusammenhang mit ei ner weiteren Anwendung.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird eine exemplarische Konstellation als Ausgangssituation er läutert.
Fig. 2a zeigt einen Wechselrichter 20 mit drei Halbbrücken 20a-20c, die jeweils zwei schalt bare Elemente 22a und 22b aufweisen. Jedes schaltbare Element ist parallel zu einer Diode geschaltet, wobei die Sperrrichtung der Diode entgegengesetzt zu der Sperrrichtung des schaltbaren Elements angeordnet ist. Die zwei schaltbaren Elemente 22a und 22b weisen beispielsweise die gleiche Sperrrichtung auf. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 sind hier die gemeinsamen Potenzial abgriffe 21 + und 21 - so ausgelegt, dass die drei Halbbrücken 20a-20c dazwischen angeordnet sind. Zusätzlich weist der Wechselrichter ei nen Zwischenkreiskondensator 24 auf, der zwischen den zwei Potenzialabgriffen 21 + und 21 - angeordnet ist. Optional erweise kann jeder der zwei Potenzial abgriffe 21 + und 21 - bei spielsweise über einen weiteren Kondensator 25 mit einem Schutzleiter 24 gekoppelt sein. Die Kondensatoren werden beispielsweise Y-Kondensatoren 25 genannt.
Der Wechselrichter 20 ist zwischen eine Batterie 15 auf Gleichspannungsseite und einen Motor 28 auf Wechselspannungsseite geschaltet. Der Motor 28 ist beispielsweise an die Zwischenabgriffe der Halbbrücken 20a-20c angekoppelt. Die Zwischenabgriffe sind mit dem Bezugszeichen 26a-26c verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise über ein geschirmtes Kabel 27, umfassend die Bestandteile 27a-27d, wobei 27a, 27b und 27c den Zwischenabgriffen 26a, 26b und 26c zugeordnet sind, während 27d für den PE-Leiter 24 verwendet wird. 24 bzw. 27d ist mit der Motorenmasse des Motors 28 verbunden. Darüber hinaus weist der Motor beispielsweise Motorinduktivitäten auf, wie hier dargestellt ist. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Batterie mit dem Kabel 16, hier ei nem dreiadrigen Kabel für die Spannungsabgriffe 21 + und 21- sowie den Schutzleiter 24, angekoppelt ist. Alle Elemente, wie z. B. das geschirmte Kabel 27, der Motor 28, bilden parasitäre Kapazitäten aus, wobei die parasitären Kapazitäten insbesondere dann proble matisch sind, wo aufgrund von Potenzialveränderungen (Wechselspannung oder Common Mode) es zu einem Stromfluss kommen kann. Hier sind exemplarisch auf Seite des Motors 28 die parasitären Kapazitäten 28p1 im Bereich des Kabels und zwischen den Adern 27a bzw. 27b bzw. 27c und der Ader 27d und 28p2 zwischen den einzelnen Motorphasen und dem Gehäuse eingezeichnet.
Die drei Halbbrücken 20a-20c schalten die Spannung und laden damit die parasitären Ka pazitäten 28p1 und 28p2 von Kabel 27 und Motor 28 gegen Stator verlustbehaftet um. Der dabei entstehende Strom sollte innerhalb des Umrichters geschlossen werden, um Gleicht aktstörungen in der Batterie zu vermeiden.
Im Stand der Technik gibt es hierzu einen ersten Ansatz, der im Zusammenhang mit Fig. 2b gezeigt wird.
Fig. 2b zeigt die Anordnung aus Batterie 15, Batteriekabel 16, Wechselrichter 20, Motorka bel 27 und Motor 28. Ein zweiter Umrichter 40 kann mit dem Umrichter 20 gekoppelt wer den. Der zweite Umrichter 40 ist beispielsweise ähnlich oder gleich zu dem Umrichter 20 aufgebaut, mit seinen Spannungsabgriffen 40+ und 40- für die Gleichspannung (zwischen welchen die Halbbrücken 20a-20c angeordnet sind) mit den entsprechenden Spannungs abgriffen 21 + und 21- verbunden. Die Halbbrücken 20a-20c sind jeweils über ihren Zwi schenkreis unter Verwendung einer Kapazitätenanordnung 42 mit dem Schutzleiter 24 ver bunden. Hier wird ein gemeinsamer Potenzialpunkt 44 verwendet. Die Kapazitätenanord nung 42 umfasst beispielsweise je Zwischenkreisabgriff einen eigenen Kondensator 42a- 42c. Das heißt also, dass die drei Kondensatoren 42a, 42b und 42c parallel geschaltet sind und jeweils auf der einen Seite mit einen Zwischenabgriff der Halbbrücken 20a-20c verbun den sind, während sie auf einer der zweiten Seite mit dem gemeinsamen Potenzialpunkt verbunden sind.
Durch die Verwendung des Wechselrichters 40 kann gegenphasig Einspannung am Poten zialpunkt 44 induziert werden, um die Störungen zu minimieren. Zur Kompensation wird beispielsweise der zweite Umrichter 40 mit den gleichen Steuersignalen invertiert ange steuert und lädt so die Kompensationskondensatoren 42a-42c um. Eine Optimierung dieser Anordnung 40 wird nachfolgend bezugnehmen auf Fig. 3 erläutert. Hier gibt es einen der Kompensationsschaltung 50, die durch Resonanzpfade 31a, 31 b und 31c gebildet ist.
Fig. 3 zeigt die Stromrichterschaltung 10‘ mit der Brückenschaltung 20, die zwischen Motor 28 und Batterie 15 angeordnet ist. Es werden wiederum die Kabel 16 und 27 verwendet. Die Brückenschaltung 20 weist hier wiederum drei Halbbrücken 20a-20c auf, die zwischen die Potenzial abgriffe 21 + und 21- gekoppelt sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch noch ein Zwischenkreis 24 umfassend die in Serie geschalteten Zwischenkreiskondensa toren 24k1 und 24k2 vorgesehen.
Zur Kompensation wird der Anordnung aus Brückenschaltung 20 und Motor 28 parallel ge schaltet. Im Totalen heißt es, dass beispielsweise die Kompensationsschaltung 50 auf der einen Seite, z. B. über einen gemeinsamen Potenzial punkt 39, mit dem Schutzleiter 24 verbunden ist und auf der anderen Seite, z. B. über einen Zwischenabgriff des Zwischen kreises 24 (das heißt zwischen den Kondensatoren 24k1 und 24k2), mit der Brückenschal tung 20. Parallel geschaltet heißt also, dass die Kompensationsschaltung 50 auf der einen Seite mit einem gemeinsamen Potenzialpunkt der elektrischen Komponente 28 gekoppelt ist und auf der anderen Seite mit einem gemeinsamen Potenzialpunkt 37 (Zwischenabgriff des Zwischenkreises 24) mit der Brückenschaltung 20.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsschaltung 50 drei Resonanzpfade 31a, 31 b und 31c auf. Diese drei sind alle parallel geschaltet, das heißt auf ihrer ersten Seite mit dem gemeinsamen Kontaktpunkt 37 verbunden und auf der anderen Seite über eine Kapazitätenanordnung 42 mit dem gemeinsamen Kontaktpunkt 39 verbunden. Die Ka pazitätenanordnung 42 umfasst je Resonanzpfad 31 a, 31 b und 31c eine eigene Kapazität 42a, 42b und 42c. Diese Kondensatoren 42a, 42b und 42c sind beispielsweise ungefähr so groß wie die parasitären Kapazitäten 28p1 und 28p2. Wie oben dargestellt gibt es drei pa rasitäre 28p1 Kapazitäten und drei parasitäre 28p2 Kapazitäten, nämlich jeweils zwischen einem Phasenanschluss des Motors bzw. einer Motorinduktivität zugeordnet zu einer Phase und dem Schutzleiter 24. Hierbei kann also jede Kompensationskapazität 42a, 42b und 42c angepasst an die einzelnen parasitären Kapazitäten 28p1 und 28p2 je Phase an geordnet sein, wobei dann die Gesamtheit der Kapazitäten 42a, 42b und 42c in der Summe der Gesamtheit der Kapazitäten 28p1 und 28p2 entspricht. An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Wesentlichen beispielsweise dahingehend auszulegen ist, dass es sich hierbei um die gleiche Größenordnung (Zehnerpotenz) handeln soll. Wie oben bereits erläutert heißt die gleiche Größenordnung, dass das Kriterium dennoch zutrifft, wenn eine maximale Ab weichung von der einen Kapazität zu der anderen Kapazität vorliegt, z. B. maximal das 3- fache bzw. ein Drittel oder z. B. maximal das 0,5-fache bzw. das 2-fache. Im Allgemeinen heißt dieses Kriterium dann ausgedrückt, dass die Kompensationskapazitäten 42a, 42b und 42c für sich alle einzeln oder in ihrer Summe entsprechend dem 0,3 bis 3,0-fachen bzw. dem 0,5 bis 2,0-fachen bzw. dem 0,9 bis 1 ,1 -fachen der parasitären Kapazitäten 28p1 und 28p2 entsprechen kann.
Bezüglich den einzelnen Resonanzpfaden 21 a, 21 b und 21c sei darauf hingewiesen, dass diese entsprechend Ausführungsbeispiel gleich oder gleichartig ausgelegt sind. Jeder die ser Resonanzpfade weist also die gleichen Komponenten auf, wobei nachfolgend die Re sonanzpfade 21 a-21c anhand des Resonanzpfades 21a erläutert werden.
Der Resonanzpfad 21 a umfasst ein schaltbares Element 32, das hier in diesem Ausfüh rungsbeispiel durch zwei schaltbare Elemente 32a und 32b gebildet ist. Diese zwei schalt baren Elemente können beispielsweise Halbleitertransistoren sein, die eine entgegenge setzte Durchlass- bzw. eine entgegengesetzte Sperrrichtung aufweisen. Jeder dieser Halb leitertransistoren der schaltbaren Elemente 32a und 32b wird durch eine entsprechend ge genläufig angeordnete Diode gebrückt. In Serie zu dem schaltbaren Elemente 32 ist in dem Resonanzpfad 31 a eine Induktivität 36 angeordnet. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem schaltbaren Element 32 und der Kompensationskapazität 42a vorgesehen. Wenn nun gegenphasig zu den Motorkapazitäten 28p2 bzw. allgemeinen parasitären Ka pazitäten 28p1 und 28p2 die Kondensatoren 42a-42c umgeladen werden, schließen sich die Ströme im Umrichter und werden nicht als Störungen wirksam.
Vorteilhaft ist hier gegenüber der Ausführung aus Fig. 2b, dass die Energie zwischen den parasitären Kapazitäten in den Kompensationskondensatoren 42a-42c hin und her fließt. Die Resonanzinduktivitäten 36 je Resonanzpfad 31 a-31c erlauben ein resonantes Umla den, bei dem nur die Leitungsverluste verloren gehen, die in den Kapazitäten 28p1 , 28p2 gespeicherten Energien aber zurückgewonnen wird. Kompensationskondensatoren 42a, 42b und 42c können eher in einem breiten Kapazitätsbereich ausgewählt werden, der von etwas kleiner als die parasitären Kapazitäten bis größer variieren kann. Bei größeren Ka pazitäten sind die Spannungsfestigkeiten der Halbleiter für die schaltbaren Elemente etwas niedriger. Bei kleineren Kapazitäten der Werte der Resonanzinduktivitäten größer. Insofern wird also bei der Kompensationsschaltung 50 die Kapazität 42a (bzw. 42b bzw. 42c) zu sammen mit der Induktivität 36 und den schaltbaren Elementen 32 dimensioniert. Ein Di mensionierungsbeispiel wird nachfolgend gegeben.
Bevor dieses Dimensionierungsbeispiel erläutert wird, sei noch darauf hingewiesen, dass die schaltbaren Elemente 32 bevorzugterweise unter Berücksichtigung der schaltbaren Ele mente der Halbbrücken 21 a, 21 b und 21c ausgewählt werden. Die Schaltgeschwindigkeit der Halbbrücken 21 a, 21 b und 21c sollte in etwa der Resonanzfrequenz des Kompensati onsnetzwerkes entsprechen In etwa gleich heißt wiederum die gleiche Größenordnung, das heißt, dass Schaltgeschwindigkeiten des Elements 32 beispielweise zwischen dem 0,3 und dem 3-fachen bzw. dem 0,5 und 2-fachen oder dem 0.9 und 1 ,1 -fachen der Resonanzfre quenz des Resonanzpfades bzw. der Induktivität 36 bzw. der Induktivität 32 in Kombination mit den parasitären Kapazitäten und Kapazitäten denkbar wären. In anderen Worten heißt das, dass die Resonanzfrequenz im Wesentlichen von der Induktivität 36 und der parasitä ren Kapazität abhängig ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann also das Resonan zelement 36 in Bezug auf die parasitäre Kapazität dimensioniert sein.
Wenn man beispielsweise von 100 ns schnellen Halbleitern bei den Halbbrücken ausgeht, entspricht das einer Schaltfrequenz von 10 MHz. Für die schaltbaren Elemente 32 kann dann entweder die gleiche Schaltgeschwindigkeit oder auch eine reduzierte Schaltge schwindigkeit verwendet werden, wie z. B. eine Schaltgeschwindigkeit / Resonanzfrequenz von 5 MHz. Wobei da sei angenommen, dass in diesem Dimensionsbeispiel die parasitären Kapazitäten 1 Nanofarad (nF) betragen, wobei dann die Kapazitäten 42a und 42c gleich dimensioniert werden, nämlich auch 1 nF. Bei einer derartigen Dimensionierung würde dann die Induktivität 36 mit 1 pH ausgelegt werden.
Bezüglich den schaltbaren Elementen 32 sei angemerkt, dass, wie hier dargestellt, diese aus zwei einzelnen schaltbaren Elementen 32a und 32b, die in Serie geschaltet sind, be stehen können. Durch diese Anordnung wird das Sperren in beide Richtungen ermöglicht. Alternativ wäre auch ein schaltbares Element mit zwei Sperr- bzw. zwei Durchlassrichtun gen denkbar, wobei wiederum ein Sperren in beide Richtungen möglich wäre.
Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Ansteuerung der schaltbaren Elemente 32 so, dass diese (am besten) kurz vor dem Umschalten der Halbbrücken 21 a-21c (je nach Zuordnung) erfolgt, wobei die Zeit (Ansteuerzeit) entsprechend weiteren Ausführungsbei spielen so gewählt ist, dass die Resonanzumladung zu gleichen Teilen vor und nach dem Schaltprozess abläuft. Entsprechend Ausführungsbeispielen wird die Resonanzumladung dadurch gestartet, dass das schaltbare Element 32a oder 32b der beiden in Reihe geschal teten Elemente 32 geschaltet wird, das im vorliegenden Betriebszustand Spannung auf nimmt. Dieses wird dann eingeschaltet und nach Abschluss der Resonanzumladung aus geschaltet. Eine Stromumkehr wird durch die Freilaufdiode des anderen schaltbaren Ele ments 32b oder 32a unterbunden.
Die Resonanzumladung ist prinzipiell am optimalsten mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie das Schalten der Halbbrücken. Jedoch werden dann die Ströme sehr hoch und teure Halb leiter erforderlich. Deshalb können entsprechend Ausführungsbeispielen Abweichungen bezüglich der Schaltzeiten zugelassen werden, z. B. im Bereich von 0,3 bis 3 der Schaltzeit der Halbleiter der Brückenschaltung. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kön nen Dämpfungswiderstände für auftretende Schwingungen vorgesehen sein, um die Ab schirmung des Systems an die Realität vorzusehen. Eine mögliche Anordnung dieser Dämpfungswiderstände wäre in den Y-Kapazitäten, die mit dem Bezugszeichen 25 verse hen sind (vgl. auch Erläuterung in Fig. 2a).
An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Anwendung des Resonanzkreises 50 an dem Mittelpunktabgriff 37 des Zwischenkreises 24 erfolgt. Al ternativ wäre auch eine Ankopplung an DC+ und DC-, das heißt also an den Spannungs abgriffen 21 + und 21 - denkbar. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die oben erläuterte Steuerung durch geeignete Pulsmuster erfolgen. Bei der Wahl geeigneter Pulsmuster ist die Reduktion der Anzahl der Resonanzkreise (hier drei, z. B. auf zwei, denkbar). Im Allgemeinen sei angemerkt, dass die Anzahl der Resonanzkreise 31 a-31c beispielsweise der Anzahl der Halbbrücken 20a- 20c entsprechen kann, wobei selbstverständlich auch mehr oder weniger Resonanzkreise möglich wären, die dann durch entsprechende Ansteuerungen optimiert werden.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 4 eine weitere Applikation der Kompensations schaltung 50 erläutert. Hier ist die Kompensationsschaltung 50 nur schematisch illustriert, wobei davon ausgegangen werden kann, dass der Aufbau vergleichbar mit dem Aufbau aus Fig. 3 ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Stromrichterschaltung mit einem ersten Bereich 17, einem zweiten Bereich 20‘ sowie einer angekoppelten Komponente 28‘. Der Schaltungsbereich 17 stellt beispielsweise einen ACDC- bzw. DCAC-Wandler dar, der ausgehend von einer dreiphasi gen Wechselspannung (vgl. Phasen P1 , P2 und P2) eine Gleichspannung V+ und V- be reitstellt oder umgekehrt ausgehend von der Gleichspannung V+ und V- an den drei Phasen P1-P3 eine Wechselspannung bereitstellt. Bei dem zweiten Schaltungsbereich 20‘ handelt es sich um eine Brückenschaltung, die mit einem Transformator 28‘ bzw. zwei Transforma toren T1 und T2 gekoppelt ist. Die Transformatoren sind mit dem Bezugszeichen T1 und T2 versehen und weisen beispielsweise eine Primärseite P1 sowie eine Sekundärseite P2 auf. Die genaue Erläuterung der Schaltung ist beispielsweise in der DE 10 2018 210579 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Resonanzkreis 50 parallel zu der Anord nung bestehend aus den Elementen 28‘ und 20‘ geschalten. Beispielsweise kann die Kom pensationsschaltung 50 auf der einen Seite mit der Primärseite und auf der anderen Seite mit der Sekundärseite der T ransformatoren T1 und T2 verbunden sein. Eine Anbindung auf Primärseite kann beispielsweise an den beiden Polen von C1 und C2 erfolgen, wie hier anhand der zwei Verbindungslinien illustriert ist. Die Sekundärseite P2 wird dann mit der anderen Seite der Kompensationsschaltung 50 verbunden. Bezüglich der Kompensations schaltung 50 sei noch einmal angemerkt, dass diese ähnlich wie die Kompensationsschal tung 50 aus Fig. 3 aufgebaut sein kann, das heißt also im einfachsten Fall ein Kompensa tionskondensator 42, eine Induktivität 36 und zumindest ein schaltbares Element 32 auf weisen kann. Dieses ist in bevorzugterweise in Serie geschaltet, wie bereits oben erläutert wurde. Bei leistungselektronischen Schaltungen, wie dem hier dargestellten Ladegerät für ein elektrisches Fahrzeug aus der DE 10 2018 210579 A, kann mit der Kompensationsschal tung 50 die Baugröße der im Vorfeld signifikant reduziert werden, indem die elektrische Energie, die in den parasitären Kapazitäten, insbesondere in den parasitären Kapazitäten der Transformatoren T1 und T2, gespeichert ist, zurückgewonnen werden kann. Das Prin zip ist, wie oben erläutert.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der Kompensations pfad nun parallel geschaltet ist. Dies wird anhand nachfolgender Ausführungen noch einmal mit anderen Worten erläutert. Wenn man beispielsweise von einem Elektromotor bei einem Elektrofahrzeug aus Anwendungsgebiet ausgeht, ist der Elektromotor mit der Karosserie verbunden, z. B. über sein Gehäuse. Die Kompensationsschaltung ist ebenfalls über den gemeinsamen Kontaktpunkt 39 mit der Karosserie bzw. Karosseriemasse bzw. Ground bzw. dem Schutzleiter verbunden. Ferner wird der Elektromotor über die Brückenschaltung angetrieben. Die Kompensationsschaltung ist wiederum mit der Brückenschaltung, z. B. über einen Zwischenkreis, verbunden, so dass sich so die Parallelschaltung der Kompen sationsschaltung zu der Anordnung aus Motor und Brückenschaltung ergibt.
Auch wenn in obigen Ausführungsbeispielen nicht direkt dargestellt wurde, dass die An steuerung durch eine Steuerung erfolgt, so kann die Kompensationsvorrichtung eine Steu erung aufweisen, die eine entsprechende Ansteuerung vornimmt. Die Ansteuerung wurde in Grundzügen oben skizziert. Die Ansteuerung kann teilweise in Hardware und teilweise in Software realisiert sein.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent sprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfah rensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Compu ter oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispie len können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden. Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode da hingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm produkt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger ge speichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen lesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ab läuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Daten träger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren auf gezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nicht-vergänglich bzw. nicht-vorüber gehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Daten strom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durch führen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, trans feriert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfigu riert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumin dest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrich tung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hard ware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung ei ner Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschrie benen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Com puterprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hard ware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden. Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen tiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. Strom richterschaltung (10, 10‘), mit folgenden Merkmalen: einer Brückenschaltung (20, 20‘) mit mindestens einer Halbbrücke (20a, 20b, 20c), wobei die Brückenschaltung (20, 20‘) mit einer weiteren elektrischen Komponente (28, 28‘) verbunden ist, die eine parasitäre Kapazität (28p1 , 28p2) aufweist, einer Kompensationsschaltung (30, 50), die parallel zu einer Anordnung (20+28, 20‘+28‘) aus Brückenschaltung (20, 20‘) und der weiteren elektrischen Komponente (28, 28‘) geschaltet ist, wobei die Kompensationsschaltung (30, 50) ein oder mehrere parallel ge schaltete Resonanzpfade (31 a, 31 b, 31c) aufweist, wobei jeder Resonanz pfad (31 a, 31 b, 31c) mindestens ein schaltbares Element (32, 32a, 32b) auf weist, wobei jeder der ein oder mehreren parallel geschalteten Resonanzpfade (31a, 31 b, 31c) jeweils über eine Resonanzinduktivität (36) mit einer zuge hörigen Kompensationskapazität (42, 42a, 42b, 42c) der ein oder mehreren Kompensationskapazitäten (42, 42a, 42b, 42c) gekoppelt ist; wobei die Resonanzinduktivitäten (36) je Resonanzpfad (31 a-31c) für ein re- sonantes Um laden ausgebildet sind.
2. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß Anspruch 1 , wobei die Kompensationsschal tung (30, 50) drei Resonanzpfade (31 a, 31 b, 31c) aufweist; oder wobei die Kompensationsschaltung drei Resonanzpfade (31 a, 31 b, 31c) aufweist, wobei die Kompensationsschaltung (30, 50) mindestens drei Kompensationskapa zitäten (42, 42a, 42b, 42c) aufweist, die jeweils mit einem der drei Resonanzpfad (31 a, 31 b, 31c) gekoppelt sind.
3. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Kompensationskapazitäten (42, 42a, 42b, 42c) mit einer ersten Seite mit der Anordnung (20+28, 20‘+28‘) gekoppelt sind und mit einer zweiten Seite mit dem jeweiligen Resonanzpfad (31a, 31 b, 31c) gekoppelt sind.
4. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Resonanzpfade (31a, 31 b, 31c) der Kompensationsschaltung (30, 50) über einen gemeinsamen Kontaktpunkt (39) miteinander verbunden sind, wobei der gemein same Kontaktpunkt (39) mit der Anordnung (20+28, 20‘+28‘), der Brückenschaltung (20, 20‘), einem Mittelabgriff (26a, 26b, 26c, 26) eines Zwischenkreises der Brücken schaltung (20, 20‘) oder einem ersten oder einem zweiten Pol einer Gleichspan nungsquelle verbunden ist.
5. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektrische Komponente (28, 28‘) einen E-Motor umfasst; oder wobei die elektrische Komponenten (28, 28‘) einen E-Motor umfasst und wobei die Kompensationsschaltung (30, 50) mit dem Schutzleiter (24) gekoppelt ist.
6. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Komponente (28, 28‘) einen Trafo umfasst; oder wobei die elektrische Komponente (28, 28‘) einen Transformator umfasst und wobei die Kompensationsschaltung (30, 50) zwischen der Primärseite und der Sekundär seite angeordnet ist.
7. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist, das schaltbare Element (32, 32a, 32b) in den ein oder mehreren Resonanzpfaden (31 a, 31 b, 31c) jeweils so anzusteuern, dass das schaltbare Element (32, 32a, 32b) vor dem Umschalten der jeweiligen zu geordneten Halbbrücke (20a, 20b, 20c) aktiviert wird.
8. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß Anspruch 7, wobei das schaltbare Element (32, 32a, 32b) über eine Dauer derart aktiviert wird, sodass eine Resonanzumladung zu gleichen Teilen vor und nach dem Schaltprozess der jeweiligen zugeordneten Halbbrücke (20a, 20b, 20c) erfolgt.
9. Strom richterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das schaltbare Element (32, 32a, 32b) zwei in Serie geschalteten schaltbare Elemente (32, 32a, 32b) je Resonanzpfad (31 a, 31 b, 31c) umfasst oder wobei das schaltbare Element (32, 32a, 32b) zwei in Serie geschalteten schaltbare Elemente (32, 32a, 32b) je Resonanzpfad (31 a, 31 b, 31c) mit jeweils entgegengesetzter Durchflussrich tung umfasst; und/oder ein schaltbares Element (32, 32a, 32b) mit zwei selektiven Sperrrichtungen.
10. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß Anspruch 8, wobei das schaltbare Element (32, 32a, 32b) zwei in Serie geschaltete schaltbare Elemente (32, 32a, 32b) je Re sonanzpfad (31 a, 31 b, 31c) mit jeweils entgegengesetzter Durchflussrichtung auf weist und wobei die Resonanzumladung dadurch gestartet wird, indem das jeweilige schaltbare (32, 32a, 32b) Element der beiden in Reihe geschalteten schaltbaren Elemente (32, 32a, 32b) eines jeweiligen Resonanzpfades (31 a, 31 b, 31c) einge schaltet wird, das im vorliegenden Betriebszustand eine Spannung aufnimmt, , und nach Abschluss der Resonanzumladung ausgeschaltet wird.
11 . Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Brückenschaltung (20, 20‘) ein oder mehrere Halbbrücken (20a, 20b, 20c) aufweist; und/oder wobei jede Halbbrücke (20a, 20b, 20c) mindestens zwei weitere schaltbare Elemente (32, 32a, 32b) aufweist.
12. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß Anspruch 11 , wobei ein Zwischenabgriff der Halbbrücken (20a, 20b, 20c) den ersten Spannungsabgriff für die elektrische Kom ponente (28, 28‘) formt; oder wobei ein Zwischenabgriff einer ersten Halbbrücke (20a, 20b, 20c) den ersten Span nungsabgriff für den Elektromotor formt und ein Zwischenabgriff einer weiteren Halbbrücke (20a, 20b, 20c) einen zweiten Spannungsabgriff für die elektrische Kom ponente (28, 28‘) formt.
13. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kompensationskapazitäten (42, 42a, 42b, 42c) in Bezug auf ihre Größe im Wesent lichen den parasitären Kapazitäten (28p1 , 28p2) entsprechen; wobei die Resonanzinduktivität (36) von der parasitäre Kapazität (28p1 , 28p2) und einer Schaltzeit des schaltbaren Elements (32, 32a, 32b) derart abhängig ist, dass Schaltgeschwindigkeiten des schaltbaren Elements (32, 32a, 32b) beispielweise zwischen dem 0,3-fachen und dem 3-fachen bzw. dem 0,5-fachen und 2-fachen o- der dem 0,9-fachen und 1 ,1 -fachen der Resonanzfrequenz des Resonanzpfades entspricht.
14. Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die schaltbaren (32, 32a, 32b) Elemente und weitere schaltbaren Elemente (32, 32a, 32b) der Brückenschaltung (20, 20‘) in Bezug auf ihre Schaltzeit vergleichbar sind.
15. Verfahren zur Ansteuerung einer Stromrichterschaltung (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die schaltbaren Elemente (32, 32a, 32b) im Reso nanzpfad (31 a, 31 b, 31c) kurz vor dem Umschalten einer Halbbrücke (20a, 20b, 20c) der Brückenschaltung (20, 20‘) aktiviert wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das schaltbaren Elemente (32, 32a, 32b) über eine Dauer aktiviert wird, sodass eine Resonanzumladung zu gleichen Teilen vor und nach dem Schaltprozess der jeweiligen Halbbrücke (20a, 20b, 20c) erfolgt.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Ansteuerung des schaltbaren Elements (32, 32a, 32b) so erfolgt, dass eine Resonanzumladung dadurch gestartet wird, indem der jeweiligen schaltbaren Elemente (32, 32a, 32b) der beiden in Reihe geschalteten schaltbare Elemente (32, 32a, 32b) eines Resonanzpfades (31a, 31 b, 31c) eingeschaltet wird, das im vorliegenden Betriebszustand eine Spannung auf nimmt, und nach Abschluss der Resonanzumladung ausgeschaltet wird.
18. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 15, 16 oder 17, wenn das Verfahren auf einem Computer abläuft.
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Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3254971B2 (ja) 1995-07-20 2002-02-12 三菱電機株式会社 インバータを用いたモータ駆動装置
DE10327598A1 (de) * 2003-06-18 2005-01-20 Siemens Ag Umrichter mit integrierten Filter
JP5203737B2 (ja) 2008-02-07 2013-06-05 株式会社日本自動車部品総合研究所 車両駆動装置
CH704553B1 (de) * 2011-02-21 2016-06-15 Eth Zürich Eth Transfer Hybrider dreiphasiger AC/DC-Konverter und Verfahren zu dessen Steuerung.
CN203103959U (zh) * 2013-03-27 2013-07-31 深圳市合兴加能科技有限公司 适用于滞环控制的三相电能回馈装置以及交流传动系统
CN204244065U (zh) * 2014-12-04 2015-04-01 阳光电源股份有限公司 滤波电路及三相逆变器
US10581337B2 (en) * 2015-07-21 2020-03-03 Mitsubishi Electric Corporation Power converter
DE102015225095A1 (de) * 2015-12-14 2017-06-14 Robert Bosch Gmbh Spannungsumrichter, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen
DE102017220109A1 (de) 2017-11-10 2019-05-16 Lenze Automation Gmbh Stromrichter
DE102018210579A1 (de) 2018-06-28 2020-01-02 Continental Automotive Gmbh Fahrzeugseitige Ladeschaltung
DE102019204695A1 (de) 2019-04-02 2020-10-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kompensationsschaltung für störströme

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