WO2012013375A1 - Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen zweig einer halbbrücke, wechselrichter, gleichspannungswandler und schaltungsanordnung zum betrieb einer elektrischen maschine - Google Patents

Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen zweig einer halbbrücke, wechselrichter, gleichspannungswandler und schaltungsanordnung zum betrieb einer elektrischen maschine Download PDF

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converter
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Albrecht Schwarz
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Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection circuit for at least one branch of a half-bridge, an inverter, a DC-DC converter and a circuit arrangement for operating an electrical machine.
  • inverter - For the drive in hybrid or electric vehicles electrical machines in the form of induction machines are usually used, which in conjunction with inverters - often referred to as inverter - are operated.
  • the electrical machines are operated either in motor or generator mode.
  • the electric machine generates a drive torque which, when used in a hybrid vehicle, supports an internal combustion engine, for example in an acceleration phase.
  • generator mode the electric machine generates electrical energy that is stored in an energy storage such as a battery or a super-cab.
  • Operating mode and power of the electric machine are set by means of a control unit via the inverter.
  • Known inverters comprise per phase (U, V, W) of the electrical machine, wherein the number of phases can be 1-n, a half-bridge, with the aid of which the respective phase of the electric machine optionally against a high potential, the so-called intermediate circuit voltage, or against a low reference potential, in particular ground, is switched.
  • Each half-bridge comprises two half-bridge branches connected in parallel, each of which has a series connection of a controllable semiconductor switching element (circuit breaker), e.g. in the form of a MOSFET or IGBT, and a non-controllable semiconductor switching element in the form of a freewheeling diode.
  • circuit breaker controllable semiconductor switching element
  • Half-bridge branches are controlled by an external control unit, which in Depending on the driver's request (acceleration or braking) calculated a target operating point for the electric machine.
  • a load current commutes in the form of the phase current within the half-bridge branch from the circuit breaker to the series-connected
  • the switching frequency of the inverter is currently in the range used in hybrid or electric vehicles in the range of 10 kHz and is limited in pulse inverters by the maximum drive, which in turn depends on the switching speed and / or the switching time of the circuit breaker.
  • the switching times of currently common circuit breakers are in the range of 150 to 200 ns when switching on (closing) and in the range of 500 to 1000 ns when switching off (opening). From DE 42 10 443 A1 a protective circuit for a drive motor
  • Control device which allows the protection of the inverter of a conventional commutation arrangement, but also limited or eliminated fault currents, which load the internal elements of the inverter.
  • a series protection thyristor for blocking motor fault currents is connected between a commutation thyristor and the inverter circuit.
  • RC elements are connected in series with the commutation thyristor to limit inverter fault currents.
  • the invention provides an overvoltage protection circuit for at least one branch of a half-bridge, which comprises a controllable semiconductor switching element and a freewheeling diode connected in series therewith which are connected to one another
  • Circuit carrier are arranged. According to the invention is parallel to the
  • Half bridge branch switched a commutation branch the at least one
  • Commutation capacitor includes, which is also arranged on the circuit carrier.
  • the invention also provides an inverter, which semiconductor switching elements in the form of at least one half-bridge, each with two parallel connected
  • Half bridge branches each half bridge branch a controllable
  • the invention further provides a DC-DC converter, which
  • each half-bridge branch comprises a controllable semiconductor switching element and a series-connected freewheeling diode.
  • the invention also provides a circuit arrangement for operating an electrical machine, which is controlled by an inverter, wherein the inverter comprises switching elements in the form of half-bridges, each with two half-bridge branches connected in parallel and one half-bridge is electrically connected to one phase of the electric machine.
  • the inverter comprises switching elements in the form of half-bridges, each with two half-bridge branches connected in parallel and one half-bridge is electrically connected to one phase of the electric machine.
  • an overvoltage protection circuit according to the invention is provided for each half bridge.
  • EMC Electromagnetic Compatibility
  • the overvoltage protection circuit according to the invention can be used both for a single half-bridge branch, as he zürn example in a
  • Downs converter occurs, as well as for an entire half-bridge with two parallel half-bridge arms, such as in an inverter or a
  • Inductors which are caused by the electrical connections between the individual components of the respective circuit arrangement, parasitic resonant circuits, but these parasitic resonant circuits can lead to an unacceptable EMC load depending on the particular concrete circuit arrangements.
  • the commutation branch can be connected at least one in series with the commutation capacitor
  • Commutation branch according to another embodiment of the invention, at least one connected in parallel to the commutation resistor
  • commutation diode which is also arranged on the circuit carrier.
  • Such a commutation diode leads to an acceleration of the charging cycle and to a slowing down of the discharge cycle and thus to a further damping of overvoltages.
  • the Kommuttechnischmaschineszweig can also at least one in series to the
  • Commutation capacitor and the parasitic inductances is formed counteracts.
  • Inverter is driven, wherein the inverter comprises semiconductor switching elements in the form of half bridges with two parallel-connected half-bridge branches and one half-bridge is electrically connected to a phase of the electric machine, it is inventively provided for each half-bridge respectively provide an overvoltage protection circuit according to the invention.
  • a DC-DC converter and, in parallel thereto, a DC link capacitor are connected in parallel with the inverter, wherein the DC-DC converter is advantageously designed to be multi-phase.
  • the DC-DC converter is advantageously designed to be multi-phase.
  • 1 to n phases can be realized, depending on
  • the converters can also be different in their performance, especially to optimize the efficiency in the partial load ranges.
  • Inverters used to control an electric machine are typically operated with an intermediate circuit voltage which is within a range of e.g. +/- 40% of the rated voltage of an energy store, such as a traction battery, lies.
  • a high DC link voltage has the advantage that a predetermined power requirement with lower phase currents and
  • a multiphase DC-DC converter which comprises a plurality of DC-DC converters connected in parallel and advantageously identically designed, this has the advantage that each converter only a part of the
  • DC converter can also be applied to a higher switching frequency, which also means that smaller components can be used for DC link capacitor and inductors.
  • a higher switching frequency requires a faster switching and thus leads to higher current gradients in the circuit breakers and freewheeling diodes of the half-bridge branches. The higher ones
  • the overvoltage protection circuit according to the invention can be used particularly advantageously in such a circuit arrangement.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a controlled by an inverter
  • FIG. 3 shows an overvoltage protection circuit according to the invention for the half bridge gem.
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of an inverter controlled
  • Fig. 6 is a detailed illustration of the DC-DC converter from FIG. 5 with a
  • Figure 1 shows a schematic representation of a three-phase electric machine 1, which, for example, as a synchronous, asynchronous or reluctance machine
  • Pulse inverter 2 comprises controllable semiconductor switching elements 3a-3f in the form of circuit breakers, which are connected to individual phases U, V, W of the electric machine 1 and the phases U, V, W either against a high
  • DC link voltage U_ZK connected power switch 3a-3c are also referred to as "high-side switch” and the grounded circuit breakers 3d-3f as “low-side switch” and can be used, for example, as Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or as metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the pulse inverter 2 further includes a plurality of non-controllable semiconductor switching elements in the form of free-wheeling diodes 4a-4f, which are each arranged parallel to one of the power switches 3a-3f.
  • half bridges 10a to 10c each comprise two parallel half-bridge branches, wherein a half-bridge branch in each case a series connection of a high-side or low-side switch with the parallel in the respective half-bridge lying second circuit breaker, ie low-side or high -Side switch, arranged freewheeling diode includes.
  • a half-bridge branch in each case a series connection of a high-side or low-side switch with the parallel in the respective half-bridge lying second circuit breaker, ie low-side or high -Side switch, arranged freewheeling diode includes.
  • a first half-bridge branch 10a_1 which comprises a series circuit of the freewheeling diode 4a and the power switch 3d
  • a parallel connected second half-bridge branch 10a_2 which is a series circuit of the Circuit breaker 3a and the freewheeling diode 4d comprises.
  • the respective half bridge branches result in an analogous manner.
  • the pulse inverter 2 determines the power and operating mode of the electric machine 1 and is controlled by a control unit 5, which is shown only schematically in Figure 1 and can also be integrated into the inverter 2, respectively.
  • the electric machine 1 can be either in the engine or
  • the pulse inverter 2 also includes a so-called
  • Voltage of an energy storage so for example a battery voltage is used.
  • the electrical system of the vehicle with the energy storage in the form of a battery 7 is connected in parallel to the DC link capacitor 6.
  • the intermediate circuit capacitor 6 may of course also be arranged outside the pulse-controlled inverter 2.
  • the electric machine 1 is designed in the illustrated embodiment, three-phase, but may also have fewer or more than three phases, wherein for each phase in each case a half-bridge in the pulse inverter 2 is provided.
  • each electrical connection between the individual components of the half bridges and the connecting lines to the intermediate circuit capacitor 6 form parasitic inductances, which are shown in FIG. 2 in the form of the inductors L1 to L10 by way of example for the half bridge 10a.
  • the half-bridge 10a with its half-bridge branches 10a_1 and 10a_2 connected in parallel, contrary to the illustration in Fig. 1 is shown such that the half-bridge branches 10a_1 and 10a_2 are better visible.
  • the electrical components of the half-bridge 10a, ie the power switches 3a and 3d and the freewheeling diodes 4a and 4d are on a common
  • Circuit carrier 20 often referred to as a printed circuit board (PCB) or at higher powers than DCB substrate (direct copper bond) - arranged.
  • PCB printed circuit board
  • the applied components is often referred to as a half-bridge module or manufacturing module, the half-bridge module accordingly has terminals K1 to K7, via which the module with other circuit modules or components is electrically connected.
  • phase current I_U When the phase current I_U commutates from one of the power switches 3a or 3d to the free-wheeling diodes 4d and 4a located in the corresponding half-bridge branch, occur at the circuit breakers 3a and 3d overvoltages, which of the size of the parasitic inductances and the current gradient, so the
  • FIG. 3 shows an overvoltage protection circuit according to the invention by way of example for the half bridge 10a according to FIG. 2. In this case, it is parallel to the two
  • Output terminal K3 flows in the direction of the circuit breaker 3d. In this case, the load current commutates to the freewheeling diode 4a of the affected
  • Free-wheeling diode 4a load current to take over, wherein the lying in the corresponding branch parasitic inductances delay the current increase.
  • the voltage at the circuit breaker 3d decreases only when the in the still energized
  • Inductors stored energy and for that the current in the circuit breaker 3d decreases.
  • the amount of the resulting overvoltage is thereby of the Switching speed of the circuit breaker 3d and determined by the size of the parasitic inductances involved.
  • Half-bridge branch 10a_1 or, as in this case, the half-bridge 10a connected, so a part of the energy from the still current-carrying parasitic inductances in the commutation capacitor C_ Kom is charged and at the
  • Commutation resistor R_Kom converted into heat. Since the current during charging of the commutation capacitor C_Kom via the parallel to
  • Commutation resistor R_Kom switched commutation diode D_ Kom flows, the maximum voltage increase at the commutation capacitor C_Kom and thus also at the circuit breaker 3d is additionally reduced.
  • Commutation capacitor is formed in conjunction with the parasitic inductances involved in the commutation process. Accordingly, results
  • L_Ges is the sum of all inductances involved in the commutation process. This achieves that the current in the commutation capacitor C_ Kom after 1 to 2 periods with a frequency subsides.
  • commutation branch 30 can also comprise a series arrangement of at least one commutation capacitor, at least one commutation resistor and at least one commutation coil L_kom, which together form a series resonant circuit.
  • Components C_Kom, R_Kom, D_Kom or L_kom the Kommutêtszweiges 30 are arranged on the same circuit board 20 on which the components of the half-bridge branch 0a-1 or the half-bridge 10a are arranged.
  • FIG. 4 shows a graphical representation of the phase current l_Ph (l_U, l_V, l_W) and supply current l_DC required for achieving a predetermined power in a circuit arrangement according to FIG. 4
  • DC link voltage U_ZK lower phase currents and supply currents are sufficient to meet a predetermined power requirement.
  • DC-DC converter - often referred to as a DC-DC converter - realized.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram of an inverter-controlled electric machine with DC-DC converter, as is known, for example, from WO 2007/025946 A1.
  • the arrangement differs from the arrangement shown in Fig. 1 only in that between the battery 7 and the DC link capacitor 6, a DC-DC converter 50 is connected, which in the generator operation of the electric machine 1 the
  • DC link voltage U_ZK lowers to the lower level of the battery voltage U_Bat and in the motor operation, the battery voltage U_Bat correspondingly raises to the higher level of the intermediate circuit voltage U_ZK. It is desirable to keep the DC link capacitor 6 and charging chokes within the DC-DC converter 50 as small as possible. This can be achieved by operating the inverter 2 at an increased switching frequency, which, however, results in faster switching and, consequently, a larger current gradient in the circuit breakers and freewheeling diodes. However, this increases the amount of the parasitic inductances
  • Kommutierungszweiges invention is particularly advantageous.
  • a commutation branch may be provided not only at the half-bridges of the inverter 2, but also at half-bridges of the DC-DC converter 50.
  • Overvoltage protection circuit can be used independently of the specific application for each circuit unit, which has a half-bridge branch with a
  • FIG. 6 shows the DC-DC converter 50 according to FIG. 3 in a somewhat more detailed representation.
  • the DC-DC converter 50 is designed as a multi-phase, in this case three-phase DC-DC converter.
  • three identical DC-DC converters 50-1, 50-2 and 50-3 are connected in parallel, each comprising a half-bridge 60-1, 60-2 and 60-3 and an upstream charging inductor L_L1, L_L2 and LJL3.
  • the half-bridges 60-1, 60-2 and 60-3 in each case comprise two half-bridge branches connected in parallel, each half-bridge branch comprising a controllable semiconductor switching element and a series-connected switching element
  • Freewheeling diode comprises.
  • the DC-DC converter 50 is connected to the battery 7, to which a capacitor C_Bat is connected in parallel for voltage stabilization.
  • the DC-DC converter 50 is connected to the DC link capacitor 6.
  • the "output side” refers to the motor operation of the electric machine 1.
  • the embodiment as a multi-phase DC-DC converter has the advantage that each of the converter 50-1, 50-2 and 50-3 has to carry only a fraction of the total current, so that the charging inductors L_L1, L_L2 and L_L3 and the other passive components of the DC-DC converter can be made smaller accordingly, the individual DC-DC converters 50-1, 50-2 and 50-3 are clocked in time, one after the other, that is, for a predetermined by a controller duty cycle the on-time T_E becomes equal to three Split sections and then each of the three half-bridges 60-1, 60-2 and 60-3 one after another for a period of T_E / 3 turned on. Due to the parasitic inductances (not shown in FIG. 6 for reasons of clarity), 60-1, 60-2 and 60-3 of the branches also occur in the branches of the half-bridges
  • Commutation capacitor C_Kom1, C_Kom2 or C_Kom3 includes, wherein the commutation capacitors C_Kom1, C_Kom2 or C_ Kom3 on the
  • Circuit carriers of each associated half-bridges 60-1, 60-2 and 60-3 are arranged.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig (10a_1; 10a_2) einer Halbbrücke (10a; 10b; 10c; 60-1, 60-2; 60-3), welcher ein steuerbares Halbleiterschaltelement (3a-3f) und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode (4a-4f) umfasst, welche auf einem gemeinsamen Schaltungsträger (20) angeordnet sind. Dabei ist parallel zum dem Halbbrückenzweig (10a_1; 10a_2) ein Kommutierungszweig (30; 61-1; 61-2; 61-3) geschaltet ist, der mindestens einen Kommutierungskondensator (C_Kom) umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Wechselrichter, einen Gleichspannungswandler und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltungen.

Description

Beschreibung Titel
Uberspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, Wechselrichter, Gleichspannungswandler und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, einen Wechselrichter, einen Gleichspannungswandler sowie eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein Antriebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden mittels einer Regeleinheit über den Wechselrichter eingestellt.
Bekannte Wechselrichter umfassen pro Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine, wobei die Anzahl der Phasen 1-n sein kann, eine Halbbrücke, mit Hilfe derer die jeweilige Phase der elektrischen Maschine wahlweise gegen ein hohes Potential, die so genannte Zwischenkreisspannung, oder gegen ein niedriges Bezugspotential, insbesondere Masse, geschaltet wird. Jede Halbbrücke umfasst dabei zwei parallel geschaltete Halbbrückenzweige, welche jeweils eine Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterschaltelements (Leistungsschalters), z.B. in Form eines MOSFETs oder IGBTs, und eines nicht steuerbaren Halbleiterschaltelements in Form einer Freilaufdiode umfassen. Die Leistungsschalter in den einzelnen
Halbbrückenzweigen werden von einem externen Steuergerät angesteuert, das in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Beschleunigen oder Bremsen) einen Soll- Betriebspunkt für die elektrische Maschine berechnet.
Je nach dem, ob ein Leistungsschalter in einem Halbbrückenzweig geöffnet oder geschlossen wird, kommutiert ein Laststrom in Form des Phasenstromes innerhalb des Halbbrückenzweiges von dem Leistungsschalter auf die in Reihe geschaltete
Freilaufdiode bzw. umgekehrt. Bei diesen Kommutierungen treten an den jeweils abkommutierenden Halbleiterschaltelementen, das heißt denjenigen
Halbleiterschaltelemente, an welchen der Stromfluss beendet wird, Überspannungen auf, deren Größe von der Schaltgeschwindigkeit der Leistungsschalter und von der
Größe parasitärer Induktivitäten, welche durch elektrische Verbindungen zwischen den Bauelementen gebildet werden, abhängig ist. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters liegt bei der in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzten Leistungsklasse gegenwärtig im Bereich um 10 kHz und ist bei Pulswechselrichtern durch den maximalen Ansteuergrad begrenzt, welcher wiederum von der Schaltgeschwindigkeit und/oder der Schaltzeit der Leistungsschalter abhängig ist. Die Schaltzeiten derzeit üblicher Leistungsschalter liegen beim Einschalten (Schließen) im Bereich von 150 bis 200 ns und beim Ausschalten (Öffnen) im bereich von 500 bis 1000 ns. Aus der DE 42 10 443 A1 ist eine Schutzschaltung für eine Fahrmotor-
Ansteuervorrichtung bekannt, welche den Schutz des Wechselrichters einer üblichen Kommutierungs-Anordnung ermöglicht, aber auch Fehlerströme, begrenzt oder beseitigt, welche die internen Elemente des Wechselrichters belasten. Dazu ist zwischen einem Kommutierungs-Thyristor und der Wechselrichterschaltung ein Reihen-Schutzthyristor zum Sperren von Motorfehlerströmen angeschlossen.
Außerdem sind RC-Elemente in Reihe mit dem Kommutierungs-Thyristor zum begrenzen von Wechselrichter-Fehlerströmen geschaltet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, welcher ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst, welche auf einem gemeinsamen
Schaltungsträger angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist parallel zum dem
Halbbrückenzweig ein Kommutierungszweig geschaltet, der mindestens einen
Kommutierungskondensator umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Erfindung schafft auch einen Wechselrichter, welcher Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke mit jeweils zwei parallel geschalteten
Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares
Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße
Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.
Die Erfindung schafft weiterhin einen Gleichspannungswandler, welcher
Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße
Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.
Die Erfindung schafft außerdem eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine, welche über einen Wechselrichter angesteuert wird, wobei der Wechselrichter Schaltelemente in Form von Halbbrücken mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und jeweils eine Halbbrücke elektrisch mit einer Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.
Vorteile der Erfindung Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Überspannungen an den
Halbleiterschaltelementen eines Halbbrückenzweiges, welche bei Kommutierung des Laststromes von dem Leistungsschalter auf die Freilaufdiode und umgekehrt auftreten, durch Parallelschaltung eines Kommutierungszweiges, welcher zumindest einen Kommutierungskondensator umfasst, zu bedampfen. Dabei ist aber zu beachten, dass Überspannungen einen Halbleiterchip eines Halbleiterschaltelementes, also eines Leistungsschalters oder einer Freilaufdiode insbesondere bei hohen
Schaltgeschwindigkeiten um so mehr belasten, je weiter der Kommutierungszweig von dem Halbleiterchip entfernt ist. Deshalb ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Kommutierungskondensator auf dem Schaltungsträger anzuordnen, auf welchem auch der Leistungsschalter und die Freilaufdiode des entsprechenden Halbbrückenzweiges angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Kommutierungszweig in unmittelbarer Nähe zu dem Halbbrückenzweig angeordnet werden und damit äußerst
niederimpedant an den Halbbrückenzweig angeschlossen werden.
Die Anordnung des Kommutierungszweiges in unmittelbarer Nähe zu dem
Halbbrückenzweig hat darüber hinaus den Vorteil, dass auf diese Weise eine EMV- gerechte (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) Schaltungsauslegung gewährleistet ist, da der Halbbrückenzweig und der Kommutierungszweig nur eine geringe Fläche einschließen. Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung kann dabei sowohl für einen einzelnen Halbbrückenzweig eingesetzt werden, wie er zürn Beispiel in einem
Tiefsetzsteller auftritt, als auch für eine gesamte Halbbrücke mit zwei parallelen Halbbrückenzweigen, wie er zum Beispiel in einem Wechselrichter oder einem
Gleichspannungswandler Anwendung findet.
Umfasst der Kommutierungszweig lediglich einen oder mehrere
Kommutierungskondensatoren, so bilden diese zusammen mit parasitären
Induktivitäten, welche durch die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen der jeweiligen Schaltungsanordnung hervorgerufen werden, parasitäre Schwingkreise, diese parasitären Schwingkreise können aber abhängig von den jeweiligen konkreten Schaltungsanordnungen zu einer inakzeptablen EMV-Belastung führen.
Zur Bedämpfung derartiger parasitärer Schwingungen kann der Kommutierungszweig mindestens einen in Reihe zu dem Kommutierungskondensator geschalteten
Kommutierungswiderstand umfassen, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist.
Um einen maximalen Spannungsanstieg am Kommutierungskondensator und damit auch an den Halbleiterschaltelementen weiter zu verringern, kann der
Kommutierungszweig gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mindestens eine parallel zu dem Kommutierungswiderstand geschaltete
Kommutierungsdiode umfassen, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Eine derartige Kommutierungsdiode führt zu einer Beschleunigung des Ladezyklus und zu einer Verlangsamung des Entladezyklus und damit zu einer weiteren Bedämpfung von Überspannungen. Um unerwünschte EMV-Belastungen durch den Kommutierungszweig zu vermeiden kann der Kommutierungszweig auch mindestens eine in Reihe zu dem
Kommutierungskondensator und dem Kommutierungswiderstand geschaltete
Kommutierungsspule umfassen, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Durch diese Beschaltung wird im Kommutierungszweig ein
Serienschwingkreis gebildet, welcher durch geeignete Auslegung der einzelnen Schaltungskomponenten dem parasitären Schwingkreis, welcher durch den
Kommutierungskondensator und die parasitären Induktivitäten gebildet wird, entgegen wirkt.
Für eine Schaltungsanordnung, bei der eine elektrische Maschine über einen
Wechselrichter angesteuert wird, wobei der Wechselrichter Halbleiterschaltelemente in Form von Halbbrücken mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und jeweils eine Halbbrücke elektrisch mit einer Phase der elektrischen Maschine verbunden ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung vorzusehen .
Gemäß einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb einer über einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine sind parallel zu dem Wechselrichter ein Gleichspannungswandler und parallel dazu ein Zwischenkreiskondensator geschaltet, wobei der Gleichspannungswandler vorteilhaft mehrphasig ausgebildet ist. Dabei sind 1 bis n Phasen realisierbar, je nach
Anforderungen an den Wirkungsgrad des Wandlers. Die Wandler können auch in ihrer Leistung unterschiedlich sein, um speziell den Wirkungsgrad in den Teillastbereichen zu optimieren.
Wechselrichter, welche zur Steuerung einer elektrischen Maschine eingesetzt werden, werden in der Regel mit einer Zwischenkreisspannung betrieben, welche in einem Bereich von z.B. +/- 40% der Nennspannung eines Energiespeichers, wie z.B. einer Traktionsbatterie, liegt. Eine hohe Zwischenkreisspannung hat den Vorteil, dass eine vorgegebene Leistungsanforderung mit geringeren Phasenströmen und
Versorgungsströmen erreichbar ist. Da die Nennspannungen der einsetzbaren Energiespeicher aber aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig steigerbar sind, kann ein Gleichspannungswandler eingesetzt werden, welcher je nach Betriebsart der elektrischen Maschine das Spannungsniveau des Energiespeichers auf ein höheres Zwischenkreisspannungsniveau anhebt oder umgekehrt.
Wird dazu ein mehrphasiger Gleichspannungswandler eingesetzt, welcher mehrere 5 parallel geschaltete und vorteilhaft identisch ausgeführte Gleichspannungswandler umfasst, so birgt das den Vorteil, dass jeder Wandler nur einen Teil des
Gesamtstromes zu tragen hat, so dass die Größe von Ladedrosseln und sonstigen passiven Bauelementen der Gleichspannungswandler deutlich reduziert werden können. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines mehrphasigen
10 Gleichspannungswandlers kann auch eine höhere Schaltfrequenz angelegt werden, was auch dazu führt, dass kleinere Bauelementen für Zwischenkreiskondensator und Drosselspulen eingesetzt werden können. Eine höhere Schaltfrequenz erfordert jedoch ein schnelleres Schalten und führt damit zu höheren Stromgradienten in den Leistungsschaltern und Freilaufdioden der Halbbrückenzweige. Die höheren
15 Stromgradienten führen aber wiederum zu einer Erhöhung der Überspannungen an den Halbleiterschaltelementen. Aus diesem Grund ist bei einer derartigen Schaltungsanordnung die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung besonders vorteilhaft einsetzbar.
20 Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen 25 Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten
elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik,
:ig. 2
eine Halbbrücke eines Wechselrichters mit parasitären Induktivitäten,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung für die Halbbrücke gem. Fig.
2, lg 4 eine beispielhafte grafische Darstellung des Phasenstromes und des
Versorgungsstromes der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, (für eine Auslegung einer E-Maschine auf eine definierte mechanische Wellenleistung)
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten
elektrischen Maschine mit Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik,
Fig. 6 eine detaillierte Darstellung des Gleichspannungswandlers aus Fig. 5 mit einer
erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung.
10
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 , welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz-Maschine
15 ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der
Pulswechselrichter 2 umfasst steuerbare Halbleiterschaltelemente 3a-3f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes
Versorgungsspannungspotential in Form einer Zwischenkreisspannung U_ZK oder ein
20 niedriges Bezugspotential in Form von Masse schalten. Die mit der
Zwischenkreisspannung U_ZK verbundenen Leistungsschalter 3a-3c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die mit Masse verbundenen Leistungsschalter 3d-3f als„Low-Side-Schalter" bezeichnet und können beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
25 (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere nicht steuerbare Halbleiterschaltelemente in Form von Freilaufdioden 4a-4f, welche jeweils parallel zu einem der Leistungsschalter 3a-3f angeordnet sind. Die Leistungsschalter 3a und 3d, 3b und 3e sowie 3c und 3f bilden dabei zusammen mit den jeweils zugehörigen Freilaufdioden jeweils eine Halbbrücke 10a, 10b bzw. 10c. Die
30 Halbbrücken 10a bis 10c umfassen dabei jeweils zwei parallele Halbbrückenzweige, wobei ein Halbbrückenzweig jeweils eine Reihenschaltung eines High-Side- oder Low- Side-Schalters mit der parallel zu dem in der jeweiligen Halbbrücke liegenden zweiten Leistungsschalters, also Low-Side- bzw. High-Side-Schalters, angeordneten Freilaufdiode umfasst. Bei der dargestellten Ausführungsform ergibt sich somit für die
35 Halbbrücke 10a ein erster Halbbrückenzweig 10a_1 , welcher eine Reihenschaltung aus der Freilaufdiode 4a und dem Leistungsschalter 3d umfasst, und ein dazu parallel geschalteter zweiter Halbbrückenzweig 10a_2, welcher eine Reihenschaltung aus dem Leistungsschalter 3a und der Freilaufdiode 4d umfasst. Für die übrigen Halbbrücken 10b und 10c ergeben sich die jeweiligen Halbbrückenzweige in analoger Weise.
Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem Steuergerät 5, welches in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist und auch in den Wechselrichter 2 integriert sein kann, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann dabei wahlweise im Motor- oder
Generatorbetrieb betrieben werden. Der Pulswechselrichter 2 umfasst außerdem einen sogenannten
Zwischenkreiskondensator 6, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer
Spannung eines Energiespeichers, also beispielsweise einer Batteriespannung dient. Das Bordnetz des Fahrzeugs mit dem Energiespeicher in Form einer Batterie 7 ist parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 6 geschaltet. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann der Zwischenkreiskondensator 6 selbstverständlich auch außerhalb des Pulswechselrichters 2 angeordnet sein.
Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen, wobei für jede Phase jeweils eine Halbbrücke in dem Pulswechselrichter 2 vorzusehen ist.
Jede elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen der Halbbrücken sowie die Verbindungsleitungen zum Zwischenkreiskondensator 6 bilden parasitäre Induktivitäten, welche in Figur 2 in Form der Induktivitäten L1 bis L10 beispielhaft für die Halbbrücke 10a eingezeichnet sind. Dabei ist die Halbbrücke 10a mit ihren parallel geschalteten Halbbrückenzweigen 10a_1 und 10a_2 entgegen der Darstellung in Fig. 1 derart dargestellt, dass die Halbbrückenzweige 10a_1 und 10a_2 besser erkennbar sind. Die elektrischen Bauelemente der Halbbrücke 10a, also die Leistungsschalter 3a und 3d sowie die Freilaufdioden 4a und 4d sind dabei auf einem gemeinsamen
Schaltungsträger 20 - häufig auch als Printed Circuit Board (PCB) oder bei höheren Leistungen als DCB-Substrat (direct copper bond) bezeichnet - angeordnet. Ein derartiger Schaltungsträger 10 inkl. der aufgebrachten Bauelemente wird häufig auch als Halbbrückenmodul oder auch Fertigungsmodul bezeichnet, das Halbbrückenmodul weist dementsprechend Anschlüsse K1 bis K7 auf, über welche das Modul mit anderen Schaltungsmodulen oder Bauelementen elektrisch verbindbar ist.
Wenn der Phasenstrom l_U von einem der Leistungsschalter 3a oder 3d auf die in dem entsprechenden Halbbrückenzweig liegende Freilaufdiode 4d bzw. 4a kommutiert, treten an den Leistungsschaltern 3a bzw. 3d Überspannungen auf, welche von der Größe der parasitären Induktivitäten und dem Stromgradienten, also der
Schaltgeschwindigkeit mit welcher sich der Strom ändert, ab. Umgekehrt treten an den Freilaufdioden 4a und 4d Überspannung auf, wenn der Phasenstrom l_U von der Freilaufdiode 4a oder 4d auf den in dem entsprechenden Halbbrückenzweig liegenden Leistungsschalter 3d bzw. 3a kommutiert. Auch dabei sind die auftretenden
Überspannungen von der Größe der parasitären Induktivitäten und dem
Stromgradienten, also der Schaltgeschwindigkeit mit welcher sich der Strom ändert, abhängig.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung beispielhaft für die Halbbrücke 10a gemäß Fig. 2. Dabei ist parallel zu den beiden
Halbbrückenzweigen 10a_1 und 10a_2, ein Kommutierungszweig 30 geschaltet, welcher einen Kommutierungskondensator C_Kom einen dazu in Reihe geschalteten Kommutierungswiderstand R_Kom und eine zu dem Kommutierungswiderstand
R_Kom parallel geschaltete Kommutierungsdiode D_Kom aufweist. Außerdem ist in Figur 3 auch der zwischen Versorgungsspannungsanschlüssen K1 und K2
angeschlossene Zwischenkreiskondensator 6 in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. In den Zuleitungen zum Zwiaschenkreiskondensator 6 sind außredem weitere parasitäre Induktivitäten (Anschaltinduktivitäten) L11 und L12 dargestellt.
Um die Funktion des Kommutierungszweiges 30 besser zu verstehen, wird im
Folgenden von einer Situation ausgegangen, in welcher der Low-Side Schalter 3d gerade öffnet, das heißt ein Laststrom in Form des Phasenstromes l_U vom
Ausgangsanschlusses K3 in Richtung des Leistungsschalters 3d fließt. In diesem Fall kommutiert der Laststrom auf die Freilaufdiode 4a des betroffenen
Halbbrückenzweiges 10a_1 über. Dabei geben die noch stromführenden parasitären Induktivitäten ihre Energie ab. Ist kein Kommutierungszweig vorgesehen, so wird die gesamte Energie an das schließende Halbleiterschaltelement, also die Freilaufdiode 4a abgegeben. Nach dem Induktionsgesetz steigt dabei die Spannung an dem
abkommutierendem Schaltelement, also dem Leistungsschalter 3d so hoch an, wie es der momentan fließende Laststrom erfordert. Zeitlich parallel dazu beginnt die
Freilaufdiode 4a Laststrom zu übernehmen, wobei die in dem entsprechenden Zweig liegenden parasitären Induktivitäten den Stromanstieg verzögern. Die Spannung am Leistungsschalter 3d nimmt erst wieder ab, wenn die in den noch stromführenden
Induktivitäten gespeicherte Energie und damit der der Strom im Leistungsschalter 3d abnimmt. Die Höhe der entstehenden Überspannung wird dabei von der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 3d und von der Größe der beteiligten parasitären Induktivitäten bestimmt.
Ist dagegen ein erfindungsgemäßer Kommutierungszweig 30 parallel zu dem
Halbbrückenzweig 10a_1 oder, wie in diesem Fall, der Halbbrücke 10a geschaltet, so wird ein Teil der Energie aus den noch stromführenden parasitären Induktivitäten in den Kommutierungskondensator C_Kom geladen und an dem
Kommutierungswiderstand R_Kom in Wärme umgesetzt. Da der Strom beim Laden des Kommutierungskondensators C_Kom über die parallel zum
Kommutierungswiderstand R_Kom geschaltete Kommutierungsdiode D_Kom fließt, wird der maximale Spannungsanstieg am Kommutierungskondensator C_Kom und damit auch am Leistungsschalter 3d zusätzlich verringert.
Die Größe des Kommutierungswiderstandes R_Kom wird dabei vorteilhaft nahe des aperiodischen Grenzfalles im beteiligten Schwingkreis, welcher durch den
Kommutierungskondensator in Verbindung mit den am Kommutierungsvorgang beteiligten parasitären Induktivitäten gebildet wird. Demnach ergibt sich
Figure imgf000012_0001
wobei L_Ges die Summe aller am Kommutierungsvorgang beteiligten Induktivitäten ist. dadurch erreicht man, dass der Strom in dem Kommutierungskondensator C_Kom nach 1 bis 2 Perioden mit einer Frequenz
Figure imgf000012_0002
abklingt.
Neben der dargestellten Ausführung des Kommutierungszweiges 30 mit einem
Kommutierungskondensator C_Kom, einem Kommutierungswiderstand R_Kom und einer Kommutierungsdiode D_Kom sind auch weitere Ausführungsformen denkbar. So kann der Kommutierungszweig 30 lediglich einen oder mehrere
Kommutierungskondensatoren aufweisen. Ebenso ist eine Ausführungsform mit mindestens einem Kommutierungskondensator und mindestens einem dazu in Reihe geschalteten Kommutierungswiderstand, aber ohne eine oder mehrer zu dem
Kommutierungswiderstand geschaltete Kommutierungsdioden denkbar. Der
Kommutierungszweig 30 kann aber auch eine Reihenschaltung aus mindestens einem Kommutierungskondensator, mindestens einem Kommutierungswiderstand und mindestens einer Kommutierungsspule L_kom umfassen, welche gemeinsam einen Serienschwingkreis bilden.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Kommutierungszweiges 30 ist es aber erfindungswesentlich, dass der Kommutierungszweig 30 möglichst
niederimpedant an den Halbbrückenzweig 10a_1 oder die Halbbrücke 0a
angeschlossen wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die
Bauelemente C_Kom, R_Kom, D_Kom oder auch L_kom des Kommutierungszweiges 30 auf demselben Schaltungsträger 20 angeordnet werden, auf welchem auch die Bauelemente des Halbbrückenzweiges 0a-1 oder der Halbbrücke 10a angeordnet sind.
Figur 4 zeigt eine grafische Darstellung des zur Erreichung einer vorgegebenen Leistung erforderlichen Phasenstromes l_Ph (l_U, l_V, l_W) und Versorgungsstromes l_DC in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der
Zwischenkreisspannung U_ZK. Man erkennt, dass mit zunehmender
Zwischenkreisspannung U_ZK geringere Phasenströme und Versorgungsströme ausreichen, um eine vorgegebene Leistungsanforderung zu erfüllen.
Da die Nennspannung der Batterie 7 aber nicht beliebig gesteigert werden kann, können höhere Zwischenkreisspannungen nur mit Hilfe eines
Gleichspannungswandlers - häufig auch als DC-DC-Wandler bezeichnet - realisiert werden.
Figur 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschine mit Gleichspannungswandler, wie es zum Beispiel aus der WO 2007/025946 A1 bekannt ist. Die Anordnung unterscheidet sich dabei von der in Fig. 1 dargestellten Anordnung lediglich dadurch, dass zwischen der Batterie 7 und dem Zwischenkreiskondensator 6 ein Gleichspannungswandler 50 geschaltet ist, welcher im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 die
Zwischenkreisspannung U_ZK auf das niedrigere Niveau der Batteriespannung U_Bat absenkt und im motorischen Betrieb die Batteriespannung U_Bat entsprechend auf das höhere Niveau der Zwischenkreisspannung U_ZK anhebt. Es ist anzustreben, den Zwischenkreiskondensator 6 sowie Ladedrosseln innerhalb des Gleichspannungswandlers 50 möglichst klein zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wechselrichter 2 mit einer erhöhten Schaltfrequenz betrieben wird, was jedoch ein schnelleres Schalten und folglich einen größeren Stromgradienten in den Leistungsschaltern und Freilaufdioden zur Folge hat. Dadurch steigt aber der Betrag der durch die parasitären Induktivitäten bewirkten
Überspannungen, so dass bei einer derartigen Anordnung der Einsatz eines
erfindungsgemäßen Kommutierungszweiges besonders vorteilhaft ist. Dabei kann ein Kommutierungszweig selbstverständlich nicht nur an den Halbbrücken des Wechselrichters 2, sondern auch an Halbbrücken des Gleichspannungswandlers 50 vorgesehen sein. Generell ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße
Überspannungsschutzschaltung unabhängig von der konkreten Anwendung für jede Schaltungseinheit einsetzbar ist, welche einen Halbbrückenzweig mit einer
Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterschaltelements und einer Freilaufdiode aufweist, da parasitäre Induktivitäten trotz fortschreitender Technologie nicht beliebig verkleinert werden können.
Figur 6 zeigt den Gleichspannungswandler 50 gemäß Fig. 3 in etwas detaillierterer Darstellung. Der Gleichspannungswandler 50 ist dabei als mehrphasiger, in diesem Fall drei-phasiger Gleichspannungswandler ausgeführt. Dabei sind drei identische Gleichspannungswandler 50-1 , 50-2 und 50-3 parallel geschaltet, welche jeweils eine Halbbrücke 60-1 , 60-2 bzw. 60-3 sowie eine vorgeschaltete Ladedrossel L_L1 , L_L2 bzw. LJL3 umfassen. Die Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 umfassen dbei weiderum jeweils zwei parallel geschaltete Halbbrückenzweige, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete
Freilaufdiode umfasst. Eingangsseitig ist der Gleichspannungswandler 50 mit der Batterie 7 verbunden, welchem zur Spannungsstabilisierung ein Kondensator C_Bat parallel geschaltet ist. Ausgangsseitig ist der Gleichspannungswandler 50 an den Zwischenkreiskondensator 6 angeschlossen. Die Begriffe "eingangsseitig" und
"ausgangsseitig" beziehen sich dabei auf den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1. Die Ausführungsform als mehrphasiger Gleichspannungswandler hat dabei den Vorteil, dass jeder der Wandler 50-1 , 50-2 und 50-3 nur einen Bruchteil des Gesamtstromes zu tragen hat, so dass die Ladedrosseln L_L1 , L_L2 und L_L3 sowie die übrigen passiven Bauelemente des Gleichspannungswandlers dementsprechend kleiner ausgelegt werden können, dazu werden die einzelnen Gleichspannungswandler 50-1 , 50-2 und 50-3 zeitversetzt nacheinander getaktet, das heißt für ein von einem Regler vorgegebenes Tastverhältnis wird die Einschaltzeit T_E in drei gleiche Abschnitte aufgeteilt und dann jede der drei Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 nacheinander jeweils für eine Zeitspanne von T_E/3 eingeschaltet. Aufgrund der in Figur 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten parasitären Induktivitäten, treten auch in den Zweigen der Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 des
Gleichspannungswandlers die oben erwähnten Überspannungen auf. Daher ist parallel zu jeder der Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 jeweils ein Kommutierungszweig 61-1 , 61-2 bzw. 61-3 geschaltet, welcher beispielhaft jeweils einen
Kommutierungskondensator C_Kom1 , C_Kom2 bzw. C_Kom3 umfasst, wobei die Kommutierungskondensatoren C_Kom1 , C_Kom2 bzw. C_Kom3 auf den
Schaltungsträgem der jeweils zugeörigen Halbbrücken 60-1 , 60-2 bzw. 60-3 angeordnet sind.

Claims

Ansprüche 1. Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig (10a_1 ; 10a_2) einer Halbbrücke (10a; 10b; 10c; 60-1 , 60-2; 60-3), welcher ein steuerbares
Halbleiterschaltelement (3a-3f) und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode (4a- 4f) umfasst, welche auf einem gemeinsamen Schaltungsträger (20) angeordnet sind, wobei parallel zum dem Halbbrückenzweig (10a_1 ; 10a_2) ein Kommutierungszweig (30; 61-1; 61-2; 61-3) geschaltet ist, der mindestens einen Kommutierungskondensator (C_Kom) umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.
2. Überspannungsschutzschaltung gemäß. Anspruch 1 , wobei der
Kommutierungszweig (30; 61-1 ; 61-2; 61-3) mindestens einen in Reihe zu dem
Kommutierungskondensator (C_Kom) geschalteten Kommutierungswiderstand
(R_Kom) umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.
3. Überspannungsschutzschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der
Kommutierungszweig (30; 61-1; 61-2; 61-3) mindestens eine parallel zu dem
Kommutierungswiderstand (R_Kom) geschaltete Kommutierungsdiode (D_Kom) umfasst, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.
4. Überspannungsschutzschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der
Kommutierungszweig (30; 61-1 ; 61-2; 61-3) mindestens eine in Reihe zu dem
Kommutierungskondensator (C_Kom) und dem Kommutierungswiderstand geschaltete Kommutierungsspule (L_kom) umfasst, welche ebenfalls auf dem
Schaltungsträger (20) angeordnet ist.
5. Wechselrichter (2), welcher Halbleiterschaltelemente (3a-3f, 4a-4f) in Form mindestens einer Halbbrücke (10a; 10b; 10c) mit jeweils zwei parallel geschalteten
Halbbrückenzweigen (10a_1 , 10a_2) aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig (10a_1 , 10a_2) ein steuerbares Halbleiterschaltelement (3a; 3d) und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode (4a; 4d) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (10a; 10b; 10c) jeweils eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
6. Gleichspannungswandler (50), welcher Halbleiterschaltelemente in Form
mindestens einer Halbbrücke (60-1 , 60-2; 60-3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares
Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (60-1, 60-2; 60-3) jeweils eine
Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine (1), welche über einen Wechselrichter (2), insbesondere einen Pulswechselrichter, angesteuert wird, wobei jeweils eine Halbbrücke (10a; 10b; 10c) des Wechselrichters (2) elektrisch mit einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (10a; 10b; 10c) des Wechselrichters (2) jeweils eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 , wobei parallel zu dem Wechselrichter (2) ein Zwischenkreiskondensator (6) und parallel dazu ein Gleichspannungswandler (50) geschaltet sind, wobei der Gleichspannungswandler (50) Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke (60_1; 60_2; 60_3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und für die Halbbrücke (60_1 ; 60_2; 60_3) des Gleichspannungswandlers (50) eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
9. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8 , wobei der Gleichspannungswandler (50) als mehrphasiger Gleichspannungswandler ausgebildet ist, wobei mehrere
Gleichspannungswandler (50_1 , 50_2, 50_3) parallel geschaltet sind, welche jeweils Halbleiterschaltelemente in Form einer Halbbrücke (60_1 , 60_2, 60_3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und wobei für jede Halbbrücke (60_1 , 60_2, 60_3) des mehrphasigen Gleichspannungswandlers eine
Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
PCT/EP2011/057760 2010-07-28 2011-05-13 Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen zweig einer halbbrücke, wechselrichter, gleichspannungswandler und schaltungsanordnung zum betrieb einer elektrischen maschine WO2012013375A1 (de)

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