WO2015082190A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

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Stefan Aldinger
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement, in particular for driving an electrical machine, comprising at least one high-voltage semiconductor bridge circuit having a low-side semiconductor switch and a high-side semiconductor switch, the low-side semiconductor switch, a low-side gate driver and the high-side semiconductor switch, a high-side gate driver assigned.
  • Circuit arrangements of the aforementioned type are known from the prior art.
  • Semiconductor bridge circuits are often used in inverters to switch the phases of an electrical machine in operation.
  • gate drivers are generally provided which are suitable for a fast and optimum switching of the phases.
  • modern vehicles which also has one or more electric
  • a subnetwork with a higher voltage level is used to operate an electric drive machine, which has a much higher energy requirement than components of the electrical system. Usually, therefore, are the
  • the driving of the gate driver itself is usually done by the low-voltage electrical system of the vehicle using flow or flyback converters, which must overcome a necessary isolation barrier between low-voltage and high-voltage network.
  • the flyback converters also called boosters or step-down converters, form a galvanic isolation between the two networks, so that in particular a voltage overload of the low-voltage network is avoided.
  • the circuit arrangement according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the flyback converter does not have to overcome the isolation barrier and therefore require less space in particular with comparable performance.
  • the flyback converters of the circuit arrangement according to the invention are preferably designed to provide a functional insulation instead of a
  • a high-side flyback converter and the low-side gate driver are preceded by a low-side flyback converter, at least one of the flyback converters, ie the high-side flyback converter or the low-side flyback converter being designed as a high-voltage flyback converter or by a traction voltage network or high voltage network is fed.
  • the two gate drivers is thus each associated with a flyback converter, of which at least one is also designed as a high-voltage flyback converter and insofar is also arranged high-voltage side.
  • flyback converter as a high-voltage flyback converter, the space requirement is reduced and at least this flyback converter does not have the isolation barrier of the
  • High-voltage network / traction network are assigned.
  • the space requirement is further optimized and maximizes the advantage in terms of isolation barrier.
  • the high-voltage semiconductor bridge circuit has a logic unit which is connected to its Voltage supply is connected to at least one of the flyback converter.
  • the power supply of the high-voltage logic unit is thus ensured by the flyback converter of the high-voltage half-bridge circuit.
  • the logic unit is designed as a microcontroller or microprocessor or has this.
  • Flyback converters of at least one half-bridge circuit is connected. Due to this redundant power supply, a separate emergency supply of the gate driver, which is only used in the event of a failure of the regular supply, is no longer required.
  • At least one, in particular both flyback converters has an auxiliary winding for supplying power to the logic unit. Due to the corresponding design of the auxiliary winding, an optimum operating voltage for the logic unit can be provided in a simple manner.
  • flyback converters are connected in parallel to one another by the logic unit by means of an intermediate diode in each case.
  • this ensures that further operation or a safe state, in particular an active short circuit of a connected electrical machine, can still be set with the aid of the remaining flyback converter.
  • the circuit arrangement is designed as an inverter which has at least one further half-bridge circuit
  • the half-bridge circuits are formed as described above.
  • the further half-bridge circuits are connected to the two flyback converters of the at least one first half-bridge circuit to their voltage supply.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement 1 for operating an electrical machine, which consists of a traction voltage network or
  • the circuit arrangement 1 is designed as an inverter, which has three semiconductor bridge circuits, of which only one semiconductor bridge circuit 2 is shown here for reasons of clarity.
  • the semiconductor bridge circuit 2 has two series connected
  • Semiconductor switches 3 and 4 of which one semiconductor switch 3 is designed as a high-side semiconductor switch and the other as a low-side semiconductor switch 4. This means that the semiconductor switch 3 is a positive
  • Traction network voltage T + turns, while the semiconductor switch 4 a negative traction voltage T- switches.
  • the two semiconductor switches 3, 4 are each assigned a gate driver 5 or 6, wherein the gate drivers 5, 6 can be referred to as high-side gate drivers 5 and 5 as low-side gate drivers.
  • the two gate drivers 5, 6 can be referred to as high-side gate drivers 5 and 5 as low-side gate drivers.
  • Gate drivers 5, 6 are by a logic unit 7, in particular a
  • Microcontroller has driven. According to the specifications of
  • Semiconductor bridge circuit is assigned to a phase of the electrical machine.
  • flyback converters 8, 9 are provided in the present case, which are each preceded by one of the gate drivers 5, 6.
  • the flyback converters 8, 9 are in this respect also designed as highside or low side flyback converters 8 and 9, respectively.
  • the flyback converters 8, 9 preferably each have a flyback converter transformer for the galvanic decoupling of the semiconductor bridge circuit 2.
  • the circuit arrangement 1 is essentially a part of a high voltage network, which is for
  • the logic unit 7 is preferably controlled by a device on a low-voltage side of the overall system or the circuit arrangement 1 and optionally monitored.
  • Both flyback converters 8, 9 furthermore have an auxiliary coil, which is not shown here, and which serves to supply power to the logic unit 7. Through the auxiliary coil is through another output 10, 11 of the respective
  • Flywheel converter 8, 9 provided an optimal operating voltage for the logic unit 7.
  • these outputs 10, 11 of the flyback converter 8, 9 and the blocking transformers are connected by a respective diode 12, 13 to the logic unit 7.
  • the flyback converters 8, 9 are thus connected in parallel with each other connected to the logic unit 7. If one of the
  • the two separate, ideally identical flyback converters 8, 9 are expediently used.
  • the supply of the logic unit 7 and possibly provided microcontroller is then redundant via the auxiliary windings of the flyback transformers of the flyback converters 8, 9, which are connected in parallel via the diodes 12, 13.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1), insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbleiterbrückenschaltung (2), die einen Lowside-Halbleiterschalter (4) und einen Highside-Halbleiterschalter (3) aufweist, wobei dem Highside-Halbleiterschalter (3) ein Highside-Gatetreiber (5) und dem Lowside-Halbleiterschalter (4) ein Lowside-Gatetreiber (6) zugeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass dem Highside-Gatetreiber ein Highside-Sperrwandler (8) und dem Lowside-Gatetreiber (6) ein Lowside-Sperrwandler (9) vorgeschaltet ist, wobei wenigstens einer der Sperrwandler (7, 8, 9) als Hochvoltsperrwandler ausgebildet ist.

Description

Beschreibung Titel
Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt- Halbleiterbrückenschaltung, die einen Lowside-Halbleiterschalter und einen Higside-Halbleiterschalter aufweist, wobei dem Lowside-Halbleiterschalter ein Lowside-Gatetreiber und dem Highside-Halbleiterschalter ein Highside- Gatetreiber zugeordnet ist.
Stand der Technik
Schaltungsanordnungen der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Halbleiterbrückenschaltungen werden häufig in Invertern verwendet, um die Phasen einer elektrischen Maschine im Betrieb zu schalten. Zum Schalten der einzelnen Halbleiterschalter sind in der Regel Gatetreiber vorgesehen, die für ein schnelles und optimales Schalten der Phasen geeignet sind. Bei modernen Fahrzeugen, die auch ein oder mehrere elektrische
Maschinen als Antriebsmaschinen aufweisen, ist es bekannt, Spannungsnetzte mit unterschiedlichen Spannungsniveaus vorzusehen. Üblicherweise wird ein Bordnetz mit einem niedrigen Spannungsniveau bereitgestellt, das
beispielsweise für den Betrieb eines Radios, Innenleuchten oder dergleichen genutzt wird. Ein Teilnetz mit einem höheren Spannungsniveau, das sogenannte Hochvoltnetz, wird dagegen zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine genutzt, die einen sehr viel höheren Energiebedarf als Komponenten des Bordnetzes aufweist. Üblicherweise sind daher auch die
Halbleiterbrückenschaltungen eines Inverters für eine elektrische
Antriebsmaschine dem Hochvoltnetz zugeordnet, da sie die hohen Spannungen schalten müssen. Das Ansteuern der Gatetreiber selbst erfolgt jedoch üblicherweise durch das Niedervolt-Bordnetz des Fahrzeugs unter Verwendung von Durchfluss- oder Sperrwandlern, die eine notwendige Isolationsbarriere zwischen Niedervolt- und Hochvoltnetz überwinden müssen. Die Sperrwandler, auch Hoch- oder Tiefsetzsteller genannt, bilden eine galvanische Trennung zwischen den beiden Netzen, so dass insbesondere eine Spannungsüberlastung des Niedervoltnetzes vermieden wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Sperrwandler nicht die Isolationsbarriere überwinden müssen und daher bei vergleichbarer Leistung insbesondere weniger Bauraum benötigen. Die Sperrwandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind bevorzugt dazu ausgebildet, eine Funktionsisolierung anstelle einer
Basisisolierung zu gewährleisten. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass dem Highside-Gatetreiber ein Highside-Sperrwandler und dem Lowside- Gatetreiber ein Lowside-Sperrwandler vorgeschaltet ist, wobei wenigstens einer der Sperrwandler, also der Highside-Sperrwandler oder der Lowside- Sperrwandler als Hochvoltsperrwandler ausgebildet ist beziehungsweise von einem Traktionsspannungsnetz oder Hochvoltnetz gespeist wird. Den beiden Gatetreibern ist somit jeweils ein Sperrwandler zugeordnet, von denen zumindest einer auch als Hochvoltsperrwandler ausgebildet ist und insofern ebenfalls hochvoltseitig angeordnet ist. Bereits durch die Ausbildung eines der
Sperrwandlers als Hochvoltsperrwandler wird der Bauraumbedarf verringert und zumindest dieser Sperrwandler muss nicht die Isolationsbarriere von dem
Niedervoltnetz zu dem Hochvoltnetz überwinden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass beide Sperrwandler als
Hochvoltsperrwandler ausgebildet beziehungsweise dem
Hochvoltnetz/Traktionsnetz zugeordnet sind. Hierdurch wird der Bauraumbedarf weiter optimiert und der Vorteil bezüglich der Isolationsbarriere maximiert.
Insgesamt gestaltet sich dadurch die Schaltungsanordnung besonders kostengünstig und bauraumsparend.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hochvolt-Halbleiterbrückenschaltung eine Logikeinheit aufweist, die zu ihrer Spannungsversorgung mit wenigstens einem der Sperrwandler verbunden ist. Die Spannungsversorgung der Hochvolt-Logikeinheit wird somit durch die Sperrwandler der Hochvolt-Halbbrückenschaltung gewährleistet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Logikeinheit als Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgebildet ist oder diesen aufweist.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Logikeinheit mit beiden
Sperrwandlern der wenigstens einen Halbbrückenschaltung verbunden ist. Durch diese redundante Spannungsversorgung ist eine separate Notversorgung der Gatetreiber, welche nur bei Ausfall der regulären Versorgung genutzt wird, nicht mehr erforderlich.
Vorzugsweise weist dazu wenigstens einer, insbesondere beide Sperrwandler, eine Hilfswicklung zur Spannungsversorgung der Logikeinheit auf. Durch die entsprechende Ausbildung der Hilfswicklung lässt sich eine für die Logikeinheit optimale Betriebsspannung auf einfache Art und Weise bereitstellen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sperrwandler durch jeweils eine zwischengeschaltete Diode parallel zueinander mit der Logikeinheit verbunden sind. Im Fehlerfall, wenn also einer der beiden Sperrwandler ausfällt, wird dadurch gewährleistet, dass dennoch ein Weiterbetrieb beziehungsweise ein sicherer Zustand, insbesondere ein aktiver Kurzschluss einer angeschlossenen elektrischen Maschine, mit Hilfe des verbleibenden Sperrwandlers eingestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung als Inverter ausgebildet ist, der wenigstens eine weitere Halbbrückenschaltung,
insbesondere zwei weitere Halbbrückenschaltungen aufweist. Vorzugsweise sind die Halbbrückenschaltungen wie zuvor beschrieben ausgebildet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die weiteren Halbbrückenschaltungen mit den beiden Sperrwandlern der wenigstens einen ersten Halbbrückenschaltung zu ihrer Spannungsversorgung verbunden sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert werden. Dazu zeigt die einzige Figur eine Schaltungsanordnung in ihrer vereinfachten Darstellung.
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 zum Betreiben einer elektrischen Maschine, welche aus einem Traktionsspannungsnetz beziehungsweise
Hochvoltnetz versorgt wird. Die Schaltungsanordnung 1 ist als Inverter ausgebildet, der drei Halbleiterbrückenschaltungen aufweist, von denen hier aus Übersichtlichkeitsgründen nur eine Halbleiterbrückenschaltung 2 dargestellt ist. Die Halbleiterbrückenschaltung 2 weist zwei in Reihe geschaltete
Halbleiterschalter 3 und 4 auf, von denen der eine Halbleiterschalter 3 als Highside-Halbleiterschalter und der andere als Lowside-Halbleiterschalter 4 ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Halbleiterschalter 3 eine positive
Traktionsnetzspannung T+ schaltet, während der Halbleiterschalter 4 eine negative Traktionsspannung T- schaltet.
Den beiden Halbleiterschaltern 3, 4 ist jeweils ein Gatetreiber 5 beziehungsweise 6 zugeordnet, wobei die Gatetreiber 5, 6 entsprechend als Highside-Gatetreiber 5 und als Lowside-Gatetreiber 6 bezeichnet werden können. Die beiden
Gatetreiber 5, 6 werden durch eine Logikeinheit 7, die insbesondere einen
Mikrocontroller aufweist, angesteuert. Entsprechend der Vorgaben der
Logikeinheit 7 steuern die Gatetreiber 5, 6 die Halbleiterschalter 4 an, um eine Phase P, beispielsweise U, V oder W, der elektrischen Maschine mit Spannung zu versorgen. Entsprechend werden auch die weiteren Halbbrückenschaltungen, die nicht dargestellt sind, durch die Logikeinheit 7 angesteuert. Jede
Halbleiterbrückenschaltung ist dabei einer Phase der elektrischen Maschine zugeordnet.
Zum Betreiben der Gatetreiber 5, 6 werden diese auch mit einer
Versorgungsspannung versorgt. Dazu sind vorliegend zwei Sperrwandler 8, 9 vorgesehen, die jeweils einem der Gatetreiber 5, 6 vorgeschaltet sind. Die Sperrwandler 8, 9 sind insofern ebenfalls als Highside- beziehungsweise Lowside-Sperrwandler 8 beziehungsweise 9 ausgebildet. Die Sperrwandler 8, 9 weisen bevorzugt jeweils einen Sperrwandlertransformator zur galvanischen Entkopplung der Halbleiterbrückenschaltung 2 auf. Die Schaltungsanordnung 1 stellt im Wesentlichen einen Teil eines Hochvoltnetzes dar, welches zum
Betreiben der elektrischen Maschine dient.
Die Logikeinheit 7 wird bevorzugt durch eine Einrichtung auf einer Niedervoltseite des Gesamtsystems beziehungsweise der Schaltungsanordnung 1 angesteuert und optional überwacht.
Beide Sperrwandler 8, 9 weisen weiterhin eine hier nicht näher dargestellte Hilfsspule auf, die zur Spannungsversorgung der Logikeinheit 7 dient. Durch die Hilfsspule wird durch einen weiteren Ausgang 10, 11 des jeweiligen
Sperrwandlers 8, 9 eine optimale Betriebsspannung für die Logikeinheit 7 zur Verfügung gestellt. Dabei sind diese Ausgänge 10, 11 der Sperrwandler 8, 9 beziehungsweise der Sperrtransformatoren durch jeweils eine Diode 12, 13 mit der Logikeinheit 7 verbunden. Die Sperrwandler 8, 9 sind somit parallel zueinander geschaltet mit der Logikeinheit 7 verbunden. Fällt einer der
Sperrwandler 8, 9 aus, so kann der Betrieb der Gatetreiber 5, 6 im Wesentlichen durch den verbleibenden Sperrwandler 9 oder 8 aufrechterhalten werden.
Hierdurch ist eine redundante Energieversorgung der Logikeinheit 7
gewährleistet.
Zur Versorgung der Highside- Gatetreiber 5 und der Lowside- Gatetreiber 6, insbesondere aller Halbleiterbrückenschaltungen der Schaltungsanordnung 1, werden zweckmäßigerweise die beiden getrennten, im Idealfall identisch aufgebauten Sperrwandler 8, 9 eingesetzt. Die Versorgung der Logikeinheit 7 sowie des eventuell vorgesehenen Mikrocontrollers erfolgt dann redundant über die Hilfswicklungen der Sperrwandlertransformatoren der Sperrwandler 8, 9, welche über die Dioden 12, 13 parallel geschaltet sind.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung (1), insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbleiterbrückenschaltung (2), die einen Lowside-Halbleiterschalter (4) und einen Highside-Halbleiterschalter (3) aufweist, wobei dem Highside-Halbleiterschalter (3) ein Highside- Gatetreiber (5) und dem Lowside-Halbleiterschalter (4) ein Lowside- Gatetreiber (6) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Highside- Gatetreiber ein Highside-Sperrwandler (8) und dem Lowside-Gatetreiber (6) ein Lowside- Sperrwandler (9) vorgeschaltet ist, wobei wenigstens einer der Sperrwandler (7,8,9) als Hochvoltsperrwandler ausgebildet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sperrwandler (8,9) als Hochvoltsperrwandler ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvolt-Halbleiterbrückenschaltung (2) eine Logikeinheit (7) aufweist, die zu ihrer Spannungsversorgung mit wenigstens einem der Sperrwandler (8,9) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (7) zu ihrer Spannungsversorgung mit den beiden Sperrwandlern (8,9) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer, insbesondere beide Sperrwandler (8,9) eine Hilfswicklung zur Spannungsversorgung der Logikeinheit (7) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrwandler (8,9) durch jeweils eine
zwischengeschaltete Diode (12,13) parallel zueinander mit der Logikeinheit (7) verbunden sind. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Inverter, mit wenigstens weiteren Halbleiterbrückenschaltung.
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