WO2011057901A2 - Wechselrichter - Google Patents

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Robert Januschevski
Kai Borntraeger
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to an inverter according to the preamble of claim 1.
  • inter alia converters are used, the machines being used e.g. by means of a DC source, e.g. a battery, but require one or more AC phases to operate.
  • a DC source e.g. a battery
  • Such machines particularly in the automotive driveline art, e.g. Three-phase motors, e.g. permanently or externally excited synchronous motors.
  • An inverter has e.g. a motor-side inverter or a drive inverter, the DC voltage from e.g. a DC link of the inverter, in particular a DC link with DC link capacitor, converts into an AC voltage of the desired frequency for controlling the direction of rotation and the rotational speed of the three-phase motor to be driven.
  • Such drive inverters are used in particular in motor vehicles, e.g. in electrically powered vehicles or in hybrid-powered vehicles, the three-phase motor e.g. is designed as a vehicle drive motor.
  • Such vehicle drive motors in particular permanently excited synchronous motors, usually show the design-related behavior that during operation an increasing with increasing speed counter voltage or internal voltage is induced (pole wheel), at very high speeds in the DC link, in particular by means of freewheeling diodes of (drive) Inverter, is fed or fed back and can cause damage in the inverter or the inverter, the battery, and other components (voltage feedback).
  • drive freewheeling diodes of
  • a field weakening is made above the rated speed to avoid such a harmful voltage feedback.
  • damage to the converter or other components is also possible when using the field weakening, in particular when a motor is operated above the rated speed (field weakening operation), and, for example, a field Weak current can no longer be sustained.
  • the cause may be, for example, a failure of the control electronics.
  • DE 102 51 977 A1 discloses a synchronous motor with inverter, wherein a complex protection device against voltage feedback is connected to the winding phases, wherein the protection device cooperates with the control logic of the inverter for detecting a fault or to protect against voltage feedback.
  • DE 298 13 080 U1 shows a further, connected to the windings of a motor protection against voltage feedback, wherein the protection device in turn has an associated with the control logic electronics for producing the protective function.
  • This system is also complex and expensive to manufacture.
  • DE 198 35 576 A1 discloses a drive system for a permanent-magnet electric motor which contains an operating state detection unit in order to generate a short circuit of the power semiconductor switches by means of a drive arrangement of the inverter as required. Like the preceding, this arrangement is likewise complex, cost-intensive and can not be realized without the use of control logic.
  • the object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide an inverter. strike, which provides a corresponding protection against voltage feedback of a three-phase motor easily and conveniently without the inclusion of the control logic of the inverter available.
  • an inverter in particular for supplying energy to a three-phase motor of a motor vehicle, the inverter having a half bridge for electrical connection to the three-phase motor, the half bridge having a voltage limiting element which is electrically conductively connected to an input and an output of a power semiconductor switch of the half bridge depending on the voltage value (magnitude and sign) of a voltage applied between the input and output of the power semiconductor switch voltage defines a high-impedance or low-impedance connection between the input and output of the power semiconductor switch creates.
  • each half-bridge of the inverter is provided with an input and an output of a power semiconductor switch of the half-bridge electrically connected voltage limiting element which depends on the voltage value (magnitude and sign) of an applied voltage between the input and output of the power semiconductor switch defines a high-impedance or low-resistance connection between the input and output of the power semiconductor switch of the respective half-bridge creates.
  • the inverter is designed such that the low-resistance connection in each case creates a current flow possibility through the respective voltage limiting element in the direction from input to output of the respective power semiconductor switch.
  • the low-resistance connection in each case creates a current flow possibility through the respective voltage-limiting element in antiparallel or in opposite directions. set to the current flow direction by a freewheeling diode connected to the input and the output of the respective power semiconductor switch.
  • the voltage limiting element is arranged in the reverse direction between the input and the output, wherein the voltage limiting element is conductive in the reverse direction from reaching a defined voltage value between input and output.
  • the voltage limiting element comprises an active and / or a passive element.
  • the voltage limiting element may comprise a comparator and / or a controlled power switch, in particular a semiconductor switch or a mechanical switch.
  • the voltage limiting element may comprise a Zener diode and / or a suppressor diode and / or a varistor.
  • the voltage limiting element can be formed from exactly one component or have exactly such a component.
  • a drive arrangement in particular of a motor vehicle, which has a three-phase motor, wherein a phase winding of the three-phase motor is electrically conductively connected to the half-bridge of an inverter according to the invention for supplying electrical energy.
  • one winding strand of the rotary current motor is electrically conductively connected to one half-bridge of the inverter each.
  • the three-phase motor can be a synchronous motor, in particular a permanent or third-excited synchronous motor.
  • FIG. 1 shows by way of example a bridge circuit of an inverter according to a possible embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a bridge circuit 1 of a drive inverter according to the invention or inverter with aponsbegrenzungsanord- tion 2, in particular for protection against voltage feedback of a motor, e.g. a three-phase motor 3, in particular a separately excited or permanently excited synchronous motor.
  • the (drive) inverter is for example part of a converter known in the art.
  • a converter has, for example, in a known manner a rectifier unit (not shown), which feeds a DC link in which, for example, an intermediate circuit capacitor is arranged.
  • the intermediate circuit supplies, for example, an intermediate circuit voltage U Z K, in particular as a DC voltage to the input 1 'of the inverter 2, for example for the bridge circuit 1 of the inverter, for generating the provided for motor operation AC voltage.
  • the inverter generates, for example, an alternating voltage as an output voltage with variable voltage and frequency, for example to control the direction of rotation and speed of the three-phase motor 3 connected or connected thereto.
  • the bridge circuit 1 of the inverter, at the input terminals 1 ', for example, the intermediate circuit voltage U Z K is applied, for example, a half-bridge 1 a and 1 b, 1 c, which each with a winding strand 3a and 3b, 3c of the three-phase motor electrically, for example via a respective center tap 4a and 4b, 4c in a known manner connectable or connected.
  • the three-phase motor 3 is designed, for example, as a three-phase motor whose three winding phases 3a, 3b, 3c are each fed by a half-bridge 1 a, 1 b, 1 c.
  • the respective strand 3a, 3b, 3c of the three-phase motor 3 is thereby by the respective half-bridge 1 a, 1 b, I c delivered a voltage or a potential of predetermined polarity for a certain period of time.
  • the respective power semiconductor switch 5a, 5b of the half-bridges 1 a, 1 b, 1 c are respectively controlled, for example by means of a control logic, in a known manner accordingly.
  • a half bridge 1 a, 1 b, 1 c has e.g. a first power semiconductor switch 5a and a second power semiconductor switch 5b, e.g. as an insulated gate bipolar transistor (IG BT) or as a field effect transistor (FET), e.g. are formed as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • the power semiconductor switches 5a, 5b are e.g. in particular designed or correspondingly dimensioned for the voltages occurring in the converter or in the drive inverter. Other power semiconductor switch types are also conceivable.
  • the power semiconductor switches 5a, 5b each have a control input 6a, e.g. in the form of a gate electrode and an input 6b in e.g. Form of a collector electrode (IGBT) or drain electrode (MOSFET) and an output 6c in e.g. Shape of an emitter electrode (IGBT) or source electrode (MOSFET).
  • a free-wheeling diode 7 is connected in parallel in a conventional manner, in particular in parallel in the reverse direction.
  • the power semiconductor switches 5a (lower row), 5b (upper row) are, as mentioned above, e.g. controlled via their respective control input 6a or control terminal in a known manner, e.g. from control electronics (not shown), between input 6b and output 6c due to the control e.g. a short circuit can be generated, i.e. the power semiconductor switch 5a and 5b turns on.
  • the inverter according to the invention has a voltage limiting arrangement 2, which is formed by, for example, a voltage limiting element 8, in particular, for example, is formed by one voltage limiting element 8 per half bridge 1 a or 1 b, 1 c.
  • the voltage limiting element 8 is connected in each case in the associated half bridge 1 a, 1 b, 1 c to the input 6 b of the power semiconductor switch 5 a and to the output 6 c thereof, and thus suitable for bridging in the intended current flow direction with low resistance.
  • the entrance 6b is also For example, with the center tap 4a and 4b, 4c of the associated half-bridge 1 a, or
  • the voltage limiting element 8 is so far in each case arranged in parallel or parallel to input 6b and output 6c of the respective power semiconductor switch 5a and arranged so far parallel to the respective freewheeling diode 7 of the power semiconductor switch 5a, wherein the freewheeling diode also with the input 6b and 6c output the power semiconductor switch 5a and 5b is connected.
  • a voltage limiting element 8 parallel to a freewheeling diode 7 and to an input 6b and a
  • the voltage limiting element 8 of theistsbegrenzungsanord- tion 2 is inventively provided to the induced terminal voltage or voltage of the three-phase motor 3 in the example.
  • a voltage feedback from the motor to a defined (threshold) value.
  • the defined value or the predetermined threshold voltage is in this case e.g. chosen to be harmless to the inverter and other components to be protected, e.g. no danger can be expected.
  • the voltage limitation from a defined threshold voltage can be determined solely by the voltage limiting element 8 in the form of one or more suitably selected components and in particular without e.g. Interaction, e.g. be achieved with the control logic of the inverter, insofar as self-sufficient.
  • the selected components whose properties allow a corresponding threshold setting, thus specify the voltage from which a limitation occurs.
  • the voltage limiting element or elements 8 by means of the voltage limiting element or elements 8, the potentially damaging voltage peaks of the induced voltage are cut off or suppressed. In this case, the three-phase motor is braked, for example, until the voltage drops to a harmless voltage value.
  • the voltage limiting elements 8 are each of high resistance for a long time, in particular in their intended blocking direction, until they are connected to or between them. see input 6b and output 6c respectively applied voltage reaches the intended threshold voltage.
  • the voltage limiting elements 8 for example, each low impedance, in particular in the intended current flow direction of input 6b to 6c low impedance. They become conductive in their blocking direction.
  • a voltage limiting element 8 connects input 6b and output 6c of a respective power semiconductor switch 5a or 5b as a function of the voltage value of the voltage applied between input 6b and output 6c in a high-impedance or low-impedance manner, ie essentially nonconductive or conductive.
  • the inverter is designed such that the low-resistance connection by the voltage limiting element 8 from reaching the threshold each creates a Strompound fürkeit by the respective voltage limiting element 8 in the direction of input 6b to output 6c of the respective power semiconductor switch 5a and 5b.
  • the voltage limiting element 8 in the case of reaching the threshold voltage, ie in the case of the low-resistance connection, in its reverse direction conductive.
  • the reverse direction of the voltage limiting element 8 arranged between the input 6b and the output 6c corresponds in this case to e.g. in particular the reverse direction of the freewheeling diode 7.
  • the low-resistance connection provides e.g. In particular, in each case a current flow possibility through the respective voltage limiting element 8 opposite or antiparallel to the intended or intended current flow direction through the connected to the input 6b and the output 6c of the respective power semiconductor switch freewheeling diode 7.
  • a current 9 of e.g. a winding strand 3a of the motor 3 via the low-impedance voltage limiting element 8 and a e.g. Freewheeling diode 7 e.g. to another winding strand 3b of the motor 3 flow.
  • a voltage limiting element 8 can be an active (construction) element which, for example, permits control or has a passive (construction) element or can be designed as such.
  • the voltage limiting element 8 may have an arrangement of several components, e.g. a device with e.g. a comparator, which causes an overvoltage or an exceeding of the threshold voltage due to e.g. Voltage feedback detected and subsequently actuated a circuit breaker whose permeability (on / off) can be controlled in dependence on the detected voltage value.
  • the power switch may comprise a semiconductor switch, e.g. a transistor switch or a e.g. mechanical switch, e.g. a relay, his. It is also conceivable, as voltage limiting element 8 e.g. use a power zener diode (essentially zener diode circuit with transistor, e.g., a complementary Darlington stage) or a so-called known thyristor crowbar.
  • the voltage limiting element 8 can be a passive element, for example a Zener diode, which becomes conductive or low resistance as soon as it reaches its breakdown voltage selected as eg threshold voltage, a suppressor diode or eg a varistor, ie a voltage-dependent resistor. It is conceivable within an inverter, for example, different types of voltage limiting elements 8, for example, each half bridge 1 a, 1 b, 1 c different types, to provide a voltage limiting arrangement 2. All of the voltage limiting elements 8 according to the invention or the voltage limiting arrangement 2 limit the voltage independently or independently, ie solely as a function of the voltage applied to the voltage limiting element 8, eg as a result of a voltage feedback.
  • a voltage limiting element 8 according to the invention or the voltage limiting arrangement 2 is independent of a control of or through the inverter (s), converter (s) or motor (s), etc.
  • Other components, in particular a wiring with external signal sources such as those of a control logic of the inverter or inverter, which controls, for example, the power semiconductors are not provided for voltage limitation according to the invention next.
  • the voltage limitation according to the invention in which a respective conductive connection between two terminals of the motor 3 is created by a voltage limiting element 8, in each case at least from potentially damaging voltage feedback or from overshooting a threshold value, in each case in conjunction with one freewheeling diode 7 causes, for example, a braking torque, which may cause the motor to be decelerated in a motor decoupled from the drive train, ie the speed will decrease until the voltage drops to a safe level.
  • a braking torque which may cause the motor to be decelerated in a motor decoupled from the drive train, ie the speed will decrease until the voltage drops to a safe level.
  • the entire drive train is braked, but the resulting braking torque is substantially lower than a short-circuit braking torque.
  • the voltage limiting element 8 due to, for example, an excessive terminal voltage, for example, between the center tap 4a and 4b, low impedance or permeable or electrically conductive

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Abstract

Wechselrichter, insbesondere zur Energieversorgung eines Drehstrommotors (3) eines Kraftfahrzeugs, wobei der Wechselrichter eine Halbbrücke (1a, 1b, 1c) aufweist zur elektrischen Verbindung mit dem Drehstrommotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (1a, 1b, 1c) ein mit einem Eingang (6b) und einem Ausgang (6c) eines Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) der Halbbrücke (1a, 1b, 1c) elektrisch leitend verbundenes Spannungsbegrenzungselement (8) aufweist, welches in Abhängigkeit des Spannungswerts einer zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) anliegenden Spannung definiert eine hochohmige oder niederohmige Verbindung zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) schafft.

Description

Wechselrichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Zum Ansteuern elektrischer Maschinen werden unter anderem Umrichter eingesetzt, wobei die Maschinen z.B. mittels einer Gleichstromquelle, z.B. einer Batterie, gespeist werden, zum Betrieb jedoch eine oder mehrere Wechselstromphasen benötigen. Derartige Maschinen sind, insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugantriebstechnik, z.B. Drehstrommotoren, z.B. permanent- oder fremderregte Synchronmotoren.
Ein Umrichter weist z.B. einen motorseitigen Wechselrichter bzw. einen Antriebswechselrichter auf, der Gleichspannung aus z.B. einem Zwischenkreis des Umrichters, insbesondere einem Zwischenkreis mit Zwischenkreiskonden- sator, in eine Wechselspannung der gewünschten Frequenz zur Steuerung der Drehrichtung und der Drehzahl des anzutreibenden Drehstrommotors umsetzt. Solche Antriebswechselrichter werden insbesondere im Kraftfahrzeug eingesetzt, z.B. in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder in Fahrzeugen mit Hybridantrieb, wobei der Drehstrommotor z.B. als Fahrzeugantriebsmotor ausgebildet ist.
Derartige Fahrzeugantriebsmotoren, insbesondere permanenterregte Synchronmotoren, zeigen üblicherweise das bauartbedingte Verhalten, dass bei Betrieb eine mit zunehmender Drehzahl steigende Gegenspannung bzw. innere Spannung induziert wird (Polradspannung), die bei sehr hohen Drehzahlen in den Zwischenkreis, insbesondere mittels der Freilaufdioden des (Antriebs-) Wechselrichters, eingespeist bzw. rückgespeist wird und im Umrichter bzw. dem Wechselrichter, der Batterie, sowie weiteren Komponenten zu Schädigungen führen kann (Spannungsrückwirkung). Um dies zu vermeiden, den Motor aber dennoch bei hohen Drehzahlen betreiben zu können, wird im Stand der Technik daher oberhalb der Nenndrehzahl eine Feldschwächung vorgenommen, um solch eine schädliche Spannungsrückwirkung zu vermeiden. Dennoch sind Schädigungen am Umrichter oder weiteren Komponenten auch bei Anwendung der Feldschwächung möglich, insbesondere wenn ein Motor oberhalb der Nenndrehzahl betrieben wird (Feldschwächbetrieb), und z.B. ein Feld- Schwächstrom nicht länger aufrecht erhalten werden kann. Ursächlich kann dabei z.B. ein Ausfall der Steuerelektronik sein.
Um den Umrichter vor schädlicher Spannungsrückwirkung im Falle eines unbeabsichtigten wechselstromseitigen (also vom Motor ausgehenden) Spannungsanstieges zu schützen, werden im Stand der Technik verschiedene Schutzschaltungen vorgeschlagen. Üblicherweise werden dabei z.B. Leistungshalbleiterschalter des Umrichters bzw. seines motorseitigen Wechselrichters und somit die damit verbundenen jeweiligen Motorklemmen im Störfall kurzgeschlossen. Durch das Kurzschließen über die Brückenschaltung kann verhindert werden, dass z.B. der Zwischenkreiskondensator, eine Batterie, die Leistungsschalter etc. und somit der Umrichter durch die induzierte Spannung infolge der Rotordrehung beschädigt werden. Eine Schwachstelle der bekannten Anordnungen liegt jedoch zumeist darin, dass der Kurzschluss aktiv durch eine Ansteuerelektronik des Wechselrichters durchgeführt werden muss. Beim Ausfall der Ansteuerelektronik ist kein Schutzmechanismus gegen Schäden, die durch die in der Synchronmaschine bzw. dem Motor induzierte Spannung entstehen, gegeben.
Die DE 102 51 977 A1 offenbart einen Synchronmotor mit Wechselrichter, wobei eine komplexe Schutzvorrichtung gegen Spannungsrückwirkung mit den Wicklungsphasen verbunden ist, wobei die Schutzvorrichtung mit der Steuerlogik des Wechselrichters zur Feststellung eines Störfalles bzw. zum Schutz vor Spannungsrückwirkung zusammenwirkt. Die DE 298 13 080 U1 zeigt eine weitere, mit den Wicklungen eines Motors verbundene Schutzeinrichtung gegen Spannungsrückwirkung, wobei die Schutzeinrichtung wiederum eine mit der Steuerlogik verbundene Elektronik zur Herstellung der Schutzfunktion aufweist. Dieses System ist ebenfalls komplex und teuer in der Herstellung. In der DE 198 35 576 A1 ist ein Ansteuersystem für einen permanenterregten Elektromotor offenbart, welches eine Betriebszustands-Erfassungseinheit enthält, um bedarfsgerecht einen Kurzschluss der Leistungshalbleiterschalter mittels einer Ansteueranordnung des Wechselrichters zu erzeugen. Diese Anordnung ist wie die vorangehenden ebenfalls komplex, kostenintensiv und ohne den Einsatz einer Steuerlogik nicht zu realisieren.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, vorstehend geschilderte Probleme zu lösen und einen Wechselrichter vor- zuschlagen, welcher einen entsprechenden Schutz gegen Spannungsrückwirkung eines Drehstrommotors einfach und günstig ohne Einbeziehung der Steuerlogik des Wechselrichters zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Wechselrichter, insbesondere zur Energieversorgung eines Drehstrommotors eines Kraftfahrzeugs, wobei der Wechselrichter eine Halbbrücke aufweist zur elektrischen Verbindung mit dem Drehstrommotor, wobei die Halbbrücke ein mit einem Eingang und einem Ausgang eines Leistungshalbleiterschalters der Halbbrücke elektrisch leitend verbundenes Spannungs- begrenzungselement aufweist, welches in Abhängigkeit des Spannungswerts (Betrag und Vorzeichen) einer zwischen Eingang und Ausgang des Leistungshalbleiterschalters anliegenden Spannung definiert eine hochohmige oder niederohmige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang des Leistungshalbleiterschalters schafft.
Weiterhin wird ein erfindungsgemäßer Wechselrichter vorgeschlagen, bei welchem je Halbbrücke des Wechselrichters ein mit einem Eingang und einem Ausgang eines Leistungshalbleiterschalters der Halbbrücke elektrisch leitend verbundenes Spannungsbegrenzungselement vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit des Spannungswerts (Betrag und Vorzeichen) einer zwischen Eingang und Ausgang des Leistungshalbleiterschalters anliegenden Spannung definiert eine hochohmige oder niederohmige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang des Leistungshalbleiterschalters der jeweiligen Halbbrücke schafft.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Wechselrichter derart ausgebildet, dass die niederohmige Verbindung jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement in Richtung von Eingang zu Ausgang des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters schafft. Die niederohmige Verbindung schafft bei einer Ausführungsform insbesondere jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement antiparallel bzw. entge- gengesetzt zur Stromflussrichtung durch eine mit dem Eingang und dem Ausgang des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters verbundene Freilaufdiode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist das Spannungsbegrenzungselement in Sperrrichtung zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet, wobei das Spannungsbegrenzungselement ab Erreichen eines definierten Spannungswerts zwischen Eingang und Ausgang in Sperrichtung leitend wird.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Wechselrichters weist das Spannungsbegrenzungselement ein aktives und/oder ein passives Element auf. Das Spannungsbegrenzungselement kann einen Komparator und/oder einen gesteuerten Leistungsschalter aufweisen, insbesondere einen Halbleiterschalter oder einen mechanischen Schalter. Das Spannungsbegrenzungselement kann eine Zenerdiode und/oder eine Suppressordiode und/oder einen Varistor aufweisen. Insbesondere kann das Spannungsbegrenzungselement aus genau einem Bauelement gebildet sein bzw. genau ein solches aufweisen.
Vorgeschlagen wird auch eine Antriebsanordnung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welche einen Drehstrommotor aufweist, wobei ein Wicklungsstrang des Drehstrommotors mit der Halbbrücke eines erfindungsgemäßen Wechselrichters zur Versorgung mit elektrischer Energie elektrisch leitfähig verbunden ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Antriebsanordnung ist je ein Wicklungsstrang des Drehsstrommotors mit je einer Halbbrücke des Wechselrichters elektrisch leitfähig verbunden. Der Drehstrommotor kann dabei ein Synchronmotor, insbesondere ein permanent- oder fremderregter Synchronmotor sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 exemplarisch eine Brückenschaltung eines Wechselrichters gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Fig. 1 zeigt eine Brückenschaltung 1 eines erfindungsgemäßen Antriebswechselrichters bzw. Wechselrichters mit einer Spannungsbegrenzungsanord- nung 2, insbesondere zum Schutz vor Spannungsrückwirkung eines Motors, z.B. eines Drehstrommotors 3, insbesondere eines fremderregten oder permanenterregten Synchronmotors. Der (Antriebs-) Wechselrichter ist zum Beispiel Teil eines im Stand der Technik bekannten Umrichters.
Ein Umrichter weist zum Beispiel auf bekannte Weise eine Gleichrichtereinheit auf (nicht dargestellt), welche einen Zwischenkreis speist, in welchem z.B. ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist. Der Zwischenkreis liefert z.B. eine Zwischenkreisspannung UZK, insbesondere als Gleichspannung an den Eingang 1 ' des Wechselrichters 2, z.B. für die Brückenschaltung 1 des Wechselrichters, zur Erzeugung der für den Motorbetrieb vorgesehenen Wechselspannung. Der Wechselrichter erzeugt zum Beispiel eine Wechselspannung als Ausgangsspannung mit variabler Spannung und Frequenz, um z.B. Drehrichtung und Drehzahl des damit verbindbaren bzw. verbundenen Drehstrommotors 3 zu steuern.
Die Brückenschaltung 1 des Wechselrichters, an deren Eingangsklemmen 1 ' z.B. die Zwischenkreisspannung UZK anliegt, weist zum Beispiel eine Halbbrücke 1 a bzw. 1 b, 1 c auf, welche je mit je einem Wicklungsstrang 3a bzw. 3b, 3c des Drehstrommotors 3 elektrisch, z.B. über je einen Mittelabgriff 4a bzw. 4b, 4c auf bekannte Weise verbindbar bzw. verbunden ist. Vorliegend ist der Drehstrommotor 3 z.B. als dreiphasiger Motor ausgebildet, dessen drei Wicklungsstränge 3a, 3b, 3c je von einer Halbbrücke 1 a, 1 b, 1 c gespeist werden. Dem jeweiligen Strang 3a, 3b, 3c des Drehstrommotors 3 wird dabei durch die jeweilige Halbbrücke 1 a, 1 b, I c eine Spannung bzw. ein Potential vorbestimmter Polarität für eine bestimmte Zeitdauer geliefert. Dazu werden die jeweils Leistungshalbleiterschalter 5a, 5b der Halbbrücken 1 a, 1 b, 1 c jeweils, z.B. mittels einer Steuerlogik, auf bekannte Weise entsprechend angesteuert.
Eine Halbbrücke 1 a, 1 b, 1 c weist z.B. einen ersten Leistungshalbleiterschalter 5a sowie einen zweiten Leistungshalbleiterschalter 5b auf, die z.B. als Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IG BT) oder als Feldeffektransistor (FET), z.B. als Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet sind. Die Leistungshalbleiterschalter 5a, 5b sind dabei z.B. insbesondere für die im Umrichter bzw. im Antriebswechselrichter auftretenden Spannungen ausgelegt bzw. entsprechend dimensioniert. Weitere Leistungshalbleiterschaltertypen sind daneben denkbar.
Die Leistungshalbleiterschalter 5a, 5b weisen jeweils einen Steuereingang 6a, z.B. in Form einer Gate-Elektrode auf, sowie einen Eingang 6b in z.B. Form einer Kollektor-Elektrode (IGBT) bzw. Drain-Elektrode (MOSFET) und einen Ausgang 6c in z.B. Form einer Emitter-Elektrode (IGBT) bzw. Source- Elektrode (MOSFET). Zwischen Eingang 6b und Ausgang 6c ist beispielsweise jeweils eine Freilaufdiode 7 in herkömmlicher Weise parallel geschaltet, insbesondere in Sperrrichtung parallel geschaltet.
Die Leistungshalbleiterschalter 5a (untere Reihe), 5b (obere Reihe) werden, wie oben erwähnt, z.B. über ihren jeweiligen Steuereingang 6a bzw. Steu- eranschluss auf bekannte Weise gesteuert, z.B. von einer Steuerelektronik (nicht dargestellt), wobei zwischen Eingang 6b und Ausgang 6c infolge der Steuerung z.B. ein Kurzschluss erzeugt werden kann, i.e. der Leistungshalbleiterschalter 5a bzw. 5b schaltet durch.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine Spannungsbegren- zungsanordnung 2 auf, die durch z.B. ein Spannungsbegrenzungselement 8 gebildet wird, insbesondere z.B. durch je ein Spannungsbegrenzungselement 8 je Halbbrücke 1 a bzw. 1 b, 1 c gebildet ist. Das Spannungsbegrenzungselement 8 ist vorliegend jeweils in der zugehörigen Halbbrücke 1 a, 1 b, 1 c mit dem Eingang 6b des Leistungshalbleiterschalters 5a sowie mit dessen Ausgang 6c e- lektrisch verbunden, und insofern bei Niederohmigkeit in der beabsichtigten Stromflussrichtung geeignet, diese zu überbrücken. Der Eingang 6b ist zudem z.B. mit dem Mittelabgriff 4a bzw. 4b, 4c der zugehörigen Halbbrücke 1 a, bzw.
1 b, 1 c elektrisch verbunden. Das Spannungsbegrenzungselement 8 ist insofern jeweils parallel zwischen bzw. parallel zu Eingang 6b und Ausgang 6c des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters 5a angeordnet bzw. geschaltet und insofern parallel zu der jeweiligen Freilaufdiode 7 des Leistungshalbleiterschalters 5a angeordnet, wobei die Freilaufdiode ebenfalls jeweils mit dem Eingang 6b und Ausgang 6c des Leistungshalbleiterschalters 5a bzw. 5b verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, ein Spannungsbegrenzungselement 8 parallel zu einer Freilaufdiode 7 bzw. zu einem Eingang 6b und einem
Ausgang 6c eines Leistungshalbleiterschalters 5b der oberen Reihe anzuordnen, insbesondere für eine jede Halbbrücke 1 a, 1 b, 1 c. Bei einer solchen Anordnung kann auf die Anordnung an den Leistungshalbleiterschaltern 5a der unteren Reihe verzichtet werden.
Das Spannungsbegrenzungselement 8 der Spannungsbegrenzungsanord- nung 2 ist erfindungsgemäß dazu vorgesehen, die induzierte Klemmenspannung bzw. Spannung des Drehstrommotors 3 im z.B. Falle einer Spannungsrückwirkung vom Motor auf einen definierten (Schwell-)Wert zu setzen bzw. zu begrenzen. Der definierte Wert bzw. die vorgegebene Schwellwertspannung wird dabei z.B. so gewählt, dass sie für den Wechselrichter und andere zu schützende Komponenten ungefährlich ist bzw. z.B. keine Gefährdung erwarten lässt. Die Spannungsbegrenzung ab einer definierten Schwellwertspannung kann allein durch das Spannungsbegrenzungselement 8 in Form ein oder mehrerer geeignet gewählter Bauelemente und insbesondere ohne z.B. Interaktion, z.B. mit der Steuerlogik des Wechselrichters, insofern autark, erreicht werden.
Die gewählten Bauelemente, deren Eigenschaften eine entsprechende Schwellwerteinstellung ermöglichen, geben also die Spannung vor, ab welcher eine Begrenzung erfolgt. Z.B. werden mittels des bzw. der Spannungsbegrenzungsele- mente 8 die potentiell schädigenden Spannungsspitzen der induzierten Spannung abgeschnitten bzw. unterdrückt. Dabei wird der Drehstrommotor z.B. solange gebremst, bis die Spannung auf einen ungefährlichen Spannungswert absinkt. Die Spannungsbegrenzungselemente 8 sind dazu zum Beispiel jeweils solange, insbesondere in ihrer vorgesehenen Sperrrichtung, hochohmig, bis die an ihnen bzw. zwi- sehen Eingang 6b und Ausgang 6c jeweils anliegende Spannung die vorgesehene Schwellwertspannung erreicht. Ab der Schwellwertspannung bzw. ab Überschreiten der Schwellwertspannung, z.B. infolge Spannungsrückwirkung ausgehend vom Motor 3, werden die Spannungsbegrenzungselemente 8 z.B. jeweils niederohmig, insbesondere in der z.B. beabsichtigten Stromflussrichtung von Eingang 6b zu Ausgang 6c niederohmig. Sie werden in ihrer Sperrichtung leitend. Insofern verbindet ein Spannungsbegrenzungselement 8 Eingang 6b und Ausgang 6c eines jeweiligen Leistungshalbleiterschalters 5a bzw. 5b in Abhängigkeit des Spannungswerts der zwischen Eingang 6b und Ausgang 6c anliegenden Spannung definiert hochohmig oder niederohmig, d.h. im Wesentlichen nichtleitend oder leitend.
Der Wechselrichter ist insofern derart ausgebildet, dass die niederohmige Verbindung durch das Spannungsbegrenzungselement 8 ab Erreichen des Schwellwerts jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement 8 in Richtung von Eingang 6b zu Ausgang 6c des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters 5a bzw. 5b schafft. Mit anderen Worten wird das Spannungsbegrenzungselement 8 im Falle des Erreichens der Schwellwertspannung, also im Falle der niederohmigen Verbindung, in seiner Sperrrichtung leitend. Die Sperrrichtung des zwischen Eingang 6b und Ausgang 6c angeordneten Spannungsbe- grenzungselements 8 entspricht dabei z.B. insbesondere der Sperrrichtung der Freilaufdiode 7.
Die niederohmige Verbindung schafft z.B. insbesondere jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement 8 entgegengesetzt bzw. antiparallel zur beabsichtigten bzw. vorgesehenen Stromflussrichtung durch die mit dem Eingang 6b und dem Ausgang 6c des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters verbundene Freilaufdiode 7. Somit kann ein Strom 9 von z.B. einem Wicklungsstrang 3a des Motors 3 über das niederohmige Spannungsbegrenzungselement 8 und eine z.B. Freilaufdiode 7 z.B. zu einem weiteren Wicklungsstrang 3b des Motors 3 fließen.
Um diese Funktionalität zu gewährleisten, können verschiedene Bauelemente als Spannungsbegrenzungselement 8 verwendet werden, z.B. von au- ßen aufschaltbare Elemente oder im Wechselrichter integrierte Elemente. Ein Spannungsbegrenzungselement 8 kann ein aktives (Bau)Element, welches z.B. eine Steuerung erlaubt oder ein passives (Bau)Element aufweisen bzw. je als solches ausgebildet sein.
Zum Beispiel kann das Spannungsbegrenzungselement 8 eine Anordnung mehrerer Komponenten aufweisen, z.B. eine Vorrichtung mit z.B. einem Kom- parator umfassen, welcher eine Überspannung bzw. ein Überschreiten der Schwellwertspannung infolge von z.B. Spannungsrückwirkung detektiert und in der Folge einen Leistungsschalter betätigt, dessen Durchlässigkeit (ein/aus) in Abhängigkeit des detektierten Spannungswerts gesteuert werden kann. Der Leistungsschalter kann dabei ein Halbleiterschalter, z.B. ein Transistorschalter oder ein z.B. mechanischer Schalter, z.B. ein Relais, sein. Denkbar ist auch, als Spannungsbegrenzungselement 8 z.B. eine Power-Z-Diode einzusetzen (Schaltung aus im Wesentlichen Zenerdiode mit Transistor, z.B. einer komplementären Darlingtonstufe) oder eine sog. bekannte Thyristor-Crowbar.
Das Spannungsbegrenzungselement 8 kann ein passives Element sein, z.B. eine Zenerdiode, die ab Erreichen ihrer als z.B. Schwellwertspannung gewählten Durchbruchspannung in Sperrrichtung leitend bzw. niederohmig wird, eine Suppressordiode oder z.B. ein Varistor, i.e. ein spannungsabhängiger Widerstand. Denkbar ist, innerhalb eines Wechselrichters z.B. unterschiedliche Arten von Spannungsbegrenzungselementen 8, z.B. je Halbbrücke 1 a, 1 b, 1 c unterschiedliche Arten, zur Bildung einer Spannungsbegrenzungsanordnung 2 vorzusehen. Sämtliche erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungselemente 8 bzw. die Spannungsbegrenzungsanordnung 2 begrenzen dabei die Spannung autark bzw. unabhängig, d.h. allein in Abhängigkeit der am Spannungsbegrenzungselement 8 anliegenden Spannung, z.B. infolge einer Spannungsrückwirkung. Insoweit ist ein erfindungsgemäßes Spannungsbegrenzungselement 8 bzw. die Spannungsbegrenzungsanordnung 2 von einer Steuerung des bzw. durch den Wechselrichter(s), Umrichter(s) oder Motor(s), etc. unabhängig. Weitere Komponenten, insbesondere eine Beschaltung mit externen Signalquellen wie zum Beispiel derer einer Steuerlogik des Umrichters oder Wechselrichters, welche z.B. die Leistungshalbleiter steuert, sind zur erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzung daneben nicht vorgesehen. Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzung, bei welcher durch ein Spannungsbegrenzungselement 8 insbesondere in Verbindung mit je einer Freilaufdiode 7 je eine leitende Verbindung zwischen je zwei Klemmen des Motors 3 zumindest ab potentiell schädlicher Spannungsrückwirkung bzw. ab Ü- berschreiten eines Schwellwertes geschaffen wird, verursacht z.B. ein Bremsmoment, welches bei einem vom Antriebsstrang entkoppelten Motor bewirken kann, dass der Motor abgebremst wird, i.e. die Drehzahl geht zurück, bis die Spannung auf einen ungefährlichen Wert absinkt. Bei einem mit dem Antriebsstrang verbundenen Motor wird z.B. der gesamte Antriebsstrang gebremst, wobei das daraus resultierende Bremsmoment jedoch wesentlich geringer ist, als ein Kurzschlussbremsmoment.
Ein im Drehstrommotor 3 und Wechselrichter infolge Spannungsrückwirkung fließender Strom 9 fließt bei aktiver Spannungsbegrenzung z.B. durch das Spannungsbegrenzungselement 8 (sobald das Spannungsbegrenzungselement 8 infolge z.B. einer überhöhten Klemmenspannung, welche z.B. zwischen dem Mittelabgriff 4a und 4b anliegt, niederohmig bzw. durchlässig bzw. elektrisch leitend ist) somit z.B. von einer ersten, mit dem Mittelabgriff 4a verbundenen Klemme des Drehstrommotors 3 durch das Spannungsbegrenzungselement 8 der Spannungsbegrenzungsanordnung 2 über die Freilaufdiode 7 zurück zu einer weiteren, mit dem Mittelabgriff 4b verbundenen Klemme des Motors 3.
Bezuqszeichen
Brückenschaltung
' Eingangsklemmen
a, 1 b, 1 c Halbbrücke
Spannungsbegrenzungsanordnung Motor
a, 3b, 3c Wicklungsstrang
a, 4b, 4c Mittelabgriff
a Leistungshalbleiterschalter (untere Reihe)b Leistungshalbleiterschalter (obere Reihe)a Steuereingang Leistungshalbleiterschalterb Eingang Leistungshalbleiterschalterc Ausgang Leistungshalbleiterschalter
Freilaufdiode
Spannungsbegrenzungselement
Strom

Claims

Patentansprüche
1 . Wechselrichter, insbesondere zur Energieversorgung eines Drehstrommotors (3) eines Kraftfahrzeugs, wobei der Wechselrichter eine Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) aufweist zur elektrischen Verbindung mit dem Drehstrommotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) ein mit einem Eingang (6b) und einem Ausgang (6c) eines Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) der Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) elektrisch leitend verbundenes Spannungsbegrenzungselement (8) aufweist, welches in Abhängigkeit des Spannungswerts einer zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) anliegenden Spannung definiert eine hochohmige oder niederohmige Verbindung zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) schafft.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass je Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) des Wechselrichters ein mit einem Eingang (6b) und einem Ausgang (6c) eines Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) der Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) e- lektrisch leitend verbundenes Spannungsbegrenzungselement (8) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit des Spannungswerts einer zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) anliegenden Spannung definiert eine hochohmige oder niederohmige Verbindung zwischen Eingang (6b) und Ausgang (6c) des Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) der jeweiligen Halbbrücke (1 a,
1 b, 1 c) schafft.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmige Verbindung jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement (8) in Richtung von Eingang (6b) zu Ausgang (6c) des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) schafft.
4. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmige Verbindung jeweils eine Stromflussmöglichkeit durch das jeweilige Spannungsbegrenzungselement (8) entgegengesetzt zur Strom- flussrichtung durch eine mit dem Eingang (6b) und dem Ausgang (6c) des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters (5a; 5b) verbundene Freilaufdiode (7) schafft.
5. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungselement in Sperrrichtung zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist, wobei das Spannungsbegrenzungselement ab Erreichen eines definierten zwischen Eingang und Ausgang anliegenden Spannungswerts in Sperrrichtung leitend wird.
6. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungselement (8) ein aktives und/oder ein passives Element aufweist.
7. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungselement (8) einen Komparator und/oder einen Leistungsschalter aufweist, insbesondere einen Halbleiterschalter oder einen mechanischen Schalter.
8. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungselement (8) eine Zenerdiode und/oder eine Suppressordiode und/oder einen Varistor aufweist.
9. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungselement (8) genau ein Bauelement aufweist.
10. Antriebsanordnung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, enthaltend einen Drehstrommotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungsstrang (3a, 3b, 3c) des Drehstrommotors (3) mit der Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) eines Wechselrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Versorgung mit elektrischer Energie elektrisch leitfähig verbunden ist.
1 1 . Antriebsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Wicklungsstrang (3a, 3b, 3c) des Drehsstrommotors (3) mit je einer Halbbrücke (1 a, 1 b, 1 c) des Wechselrichters elektrisch leitfähig verbunden ist.
12. Antriebsanordnung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrommotor (3) ein Synchronmotor, insbesondere ein permanent- oder fremderregter Synchronmotor ist.
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