CN102612800A - 带电压限制元件的逆变器 - Google Patents

Abstract

逆变器，该逆变器尤其用于机动车交流马达（3）的能量供给，其中，所述逆变器具有半桥（1a、1b、1c），用于与所述交流马达（3）电连接，其特征在于，半桥（1a、1b、1c）具有与所述半桥（1a、1b、1c）的功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）和输出端（6c）导电连接的电压限制元件（8），所述电压限制元件依赖于所述功率半导体开关（5a；5b）的所述输入端（6b）与所述输出端（6c）之间存在的电压的电压值限定地在功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）与输出端（6c）之间建立高电阻的或低电阻的连接。

Description

带电压限制元件的逆变器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的逆变器。

背景技术

特别是使用变流器来操控马达，其中，例如借助直流电源（例如电池）为马达供电，然而为了运行需要一个或者多个交流电相。尤其在机动车驱动技术领域中，这类机器是例如交流马达，例如永磁激励的或他励的同步马达。

变流器例如具有马达侧的逆变器或者说驱动逆变器，该逆变器将来自例如变流器的中间回路的尤其是来自具有中间回路电容器的中间回路的直流电压转换为期望频率的交流电压以便控制要驱动的交流马达的转动方向和转速。这些驱动逆变器尤其使用在机动车中，例如电驱动的机动车或者具有混合动力驱动装置的车辆，其中，交流马达例如被构造为车辆驱动马达。

这类车辆驱动马达（尤其是永磁激励的同步马达）通常表现出结构方式引发的特性，即，在运行中，感生出随着转速增加而升高的反向电压或者说内电压（磁极转子电压（Polradspannung）），该反向电压或者说内电压在很高转速时尤其借助于（驱动）逆变器的续流二极管馈入或者反馈进入中间回路，并且可能在变流器或者说逆变器中、电池中以及其他组件中导致损害（电压反向作用）。为了避免这种情况，但是还能在高转速时运行马达，因而在现有技术中在高于额定转速时进行磁场减弱，以便避免这种有害的电压反向作用。然而尤其是当马达高于额定转速地（弱磁运行），并且例如弱磁电流不能较长久地维持时，即使在应用了磁场减弱的情况下，也可能是对变流器或者其他组件的损害。在此原因可能是例如控制电子装置的失效。

为了防止变流器遭受在交流电侧的（即来自马达的）意外电压升高的情况下有害的电压反向作用，在现有技术中建议了各种保护电路。在此，通常使例如变流器的、或者说变流器的马达侧的逆变器的功率半导体开关在故障情况下短路，进而由此使与其连接的相应马达端子在故障情况下短路。经由桥式电路的短路可以阻止例如中间回路电容器的、电池的、功率开关等的损害，进而由此阻止由于转子转动感生的电压对变流器的损害。然而公知系统的弱点至少在于，短路必须有源地通过逆变器的操控电子装置来执行。在操控电子装置故障时，没有保护机制来防止在同步电机中或者马达中感生的电压产生的损害。

DE 102 51 977 A1公开了一种具有逆变器的同步马达，其中，防止电压反向作用的复杂的保护装置与绕组相连接，其中，该保护装置与逆变器的控制逻辑配合作用以便确定故障或者防止电压反向作用。DE 298 13 080 U1示出防止电压反向作用的、与马达绕组连接的另一保护装置，其中，该保护装置又具有与控制逻辑连接的电子设备用于建立保护功能。该系统的制造同样是复杂和昂贵的。DE 198 35 576 A1中公开了一种永磁激励的电动马达的操控系统，该操控系统包含运行状态检测单元，以便按照要求借助逆变器的操控系统产生功率半导体开关的短路。该系统与前面的同样复杂和成本密集，并且不能不使用控制逻辑地实现。

发明内容

从此出发本发明的任务在于解决上述问题并且建议一种逆变器，所述逆变器以简单且廉价的方式提供相应保护防止交流马达的电压反向作用，而无需逆变器的控制逻辑。

根据本发明该任务通过权利要求1的特征得到解决。

根据本发明建议一种逆变器，所述逆变器尤其用于机动车交流马达的能量供给，其中，所述逆变器具有半桥，用于与所述交流马达电连接，其中，所述半桥具有与所述半桥的功率半导体开关输入端和输出端导电连接的电压限制元件，所述电压限制元件依赖于所述功率半导体开关输入端与输出端之间存在的电压的电压值（量和极性）限定地在所述功率半导体开关输入端与输出端之间建立高电阻的或低电阻的连接。

此外还建议一种根据本发明的逆变器，在该逆变器中，所述逆变器的各半桥设置有与所述半桥的功率半导体开关输入端和输出端导电连接的电压限制元件，所述电压限制元件依赖于所述功率半导体开关输入端与输出端之间存在的电压的电压值（量和极性）限定地在功率半导体开关输入端与输出端之间建立高电阻的或低电阻的连接。

在根据本发明的一个实施方式中，逆变器如下方式地构造，即，所述低电阻连接在从相应功率半导体开关的输入端到输出端的方向上分别建立电流流过相应电压限制元件的可能性。在一个实施方式中，所述低电阻连接尤其是分别反向平行于或者说反向于如下方向地建立电流流过相应电压限制元件的可能性，即，电流流过与相应功率半导体开关的输入端和输出端连接的续流二极管的方向。

根据依据本发明逆变器的另一实施方式，电压限制元件以截止方向布置在输入端与输出端之间，其中，所述电压限制元件从达到所述输入端与所述输出端之间的限定的电压值开始在截止方向上变为导通的。

在所述逆变器的另一实施方式中，所述电压限制元件具有有源的和/或无源的元件。所述电压限制元件可以具有比较器和/或受控的功率开关，尤其是半导体开关或者机械开关。所述电压限制元件可以具有齐纳二极管和/或抑制二极管和/或可变电阻。尤其是所述电压限制元件可以由恰好一个器件构造或者说具有恰好一个器件。

还建议了一种尤其是机动车的驱动系统，该驱动系统具有交流马达，其中，所述交流马达的绕组支路与根据本发明的逆变器的半桥导电连接用于电能的供给。

在驱动系统的另一根据本发明的实施方式中，所述交流马达的每个绕组支路与所述逆变器的各一个半桥导电连接。在此，所述交流马达可以是同步马达，尤其是永磁激励的或他励的同步马达。

附图说明

结合附图根据对本发明实施例的下述说明以及根据权利要求得到本发明的其他特征和优点，附图中示出本发明的重要细节。在本发明的变形方式中，各个特征不仅可以独立地实现，也可以以多种任意组合的形式实现。

下面结合附图进一步说明本发明的优选实施方式。图中：

图1根据本发明一个可行实施方式示范性示出逆变器桥式电路。

具体实施方式

在以下说明和附图中，相同附图标记对应功能相同或者类似的元件。

图1示出根据本发明的驱动逆变器的或者说逆变器的桥式电路1，该桥式电路具有电压限制系统2，尤其用于防止马达的、（例如交流马达3的、尤其是他励的或永磁激励的同步马达的电压反向作用。（驱动）逆变器例如是现有技术中公知的变流器的部件。

变流器例如以公知方式具有整流器单元（未示出），该整流器单元向在其中例如布置有中间回路电容器的中间回路供电。中间回路例如将中间回路电压U_ZK，尤其作为直流电压输送到逆变器2的输入端1'处，例如用于逆变器的桥式电路1，以便产生驱动马达的交流电压。逆变器例如产生交流电压作为具有可变电压和频率的输出电压，以便控制例如可与其连接的或者已与其连接的交流马达3的转动方向和转速。

逆变器的桥式电路1（在其输入端子1'上例如存在中间回路电压UZK）例如具有半桥1a或1b、1c，所述半桥1a或1b、1c各与交流马达3的各一个绕组支路3a或3b、3c例如经由各一个中间抽头（Mittelabgriff）4a或4b、4c以公知方式可以电连接或者已电连接。在此，交流马达3例如构造为三相马达，其三个绕组支路3a、3b、3c各由其中一个半桥1a、1b、1c供电。在此，通过相应半桥1a、1b、1c向交流马达3的相应支路3a、3b、3c以确定的时长输送极性预定的电压或者电势。为此，例如借助于控制逻辑以公知方式相应地分别操控半桥1a、1b、1c的相应功率半导体开关5a、5b。

半桥1a、1b、1c例如具有第一功率半导体开关5a以及第二功率半导体开关5b，所述功率半导体开关例如构造为具有绝缘栅极的双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）或者构造为场效应晶体管（FET），例如构造为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。在此，功率半导体开关5a、5b尤其例如针对变流器或驱动逆变器中出现的电压而设计或者说相应地确定尺寸。除此之外其他功率半导体开关类型也是可以设想的。

功率半导体开关5a、5b分别具有例如呈栅极形式的控制输入端6a、呈例如集电极（IGBT）或漏极（MOSFET）形式的输入端6b和呈例如发射极（IGBT）或源极（MOSFET）形式的输出端6c。在输入端6b与输出端6c之间例如以传统方式相应并联有续流二极管7，尤其是以截止方向并联。

如前述，功率半导体开关5a（下排）、5b（上排）例如由控制电子装置（未示出）例如经由其相应控制输入端6a或者说控制接头以公知方式控制，其中，由于该控制可以在输入端6b与输出端6c之间例如产生短路，即，接通功率半导体开关5a或5b。

根据本发明的逆变器具有电压限制系统2，该电压限制系统由例如电压限制元件8构成，尤其例如由各半桥1a或1b、1c的各一个电压限制元件8构成。在此，电压限制元件8分别在所属半桥1a、1b、1c中与功率半导体开关5a的输入端6b以及与该功率半导体开关的输出端6c电连接，就预期电流方向上的低电阻而言适当地将所述输入端与输出端桥接。此外，输入端6b例如与所属半桥1a或1b、1c的中间抽头4a或4b、4c电连接。就此而言，电压限制元件8分别并联地在相应功率半导体开关5a的输入端6b与输出端6c之间布置或者说联接，并且就此而言，与功率半导体开关5a的相应续流二极管7并联地布置，其中，续流二极管同样相应与功率半导体开关5a或5b的输入端6b和输出端6c连接。

根据本发明尤其针对各个半桥1a、1b、1c还如下地设置，即，电压限制元件8与续流二极管7并联地布置或者说与上排功率半导体开关5b的输入端6b和输出端6c并联地布置。在这种布置方式中可以取消在下排功率半导体开关5a上的布置。

根据本发明为如下目的设置电压限制系统2的电压限制元件8，即，将交流马达3的感生端子电压或者说电压在例如马达电压反向作用情况下确定为或者说限制为限定（阈）值。在此，例如如此选择限定值或者说预定阈值电压，使得所述限定值或者说预定阈值电压对于逆变器和其他要保护的组件而言是安全的，或者说例如不会带来危险。从限制阈值电压开始的电压限制可以仅通过呈一个或者多个适当选择的器件形式的电压限制元件8达到，并且尤其是没有例如相互干扰地，例如利用逆变器的控制逻辑，就此而言自主地达到。

所选择的器件（其特性使得相应阈值设定成为可能）预定如下电压，从该电压开始进行限制。例如借助于一个或者多个电压限制元件8削掉或者抑制感生电压的潜在损害性的感生电压的峰值。在此，交流马达例如如此持久地制动，直到电压下降到安全的电压值。为此，所述电压限制元件8例如分别如此长久地为高电阻的（尤其在其设置的截止方向上），直到在该电压限制元件上或者在输入端6b与输出端6c之间相应存在的电压达到预定的阈值电压。从阈值电压开始或者说从超过阈值电压开始（例如由于来自马达3的电压反向作用）所述电压限制元件8例如分别变为低电阻的，尤其在例如从输入端6b至输出端6c的预期电流方向上变为低电阻的。电压限制元件8在其截止方向上导通。就此而言，电压限制元件8依赖于输入端6b与输出端6c之间存在的电压的电压值限定地高电阻或者低电阻地（即，基本不导通或者导通地）连接相应的功率半导体开关5a或5b的输入端6b和输出端6c。

就此而言，逆变器如下方式地设计，即，从达到阈值开始，通过电压限制元件8的低电阻连接，在相应功率半导体开关5a或5b的输入端6b至输出端6c的方向上分别建立电流流过该相应电压限制元件8的可能性。换句话说，电压限制元件8在达到阈值电压情况下，也就是在低电阻连接的情况下在其截止方向上是导通的。在此，在输入端6b与输出端6c之间布置的电压限制元件8的截止方向尤其相当于例如续流二极管7的截止方向。

低电阻连接尤其是例如分别反向于或者说反向平行于如下方向地建立电流流过相应电压限制元件8的可能性，即，电流流过续流二极管7（其与相应功率半导体开关的输入端6b和输出端6c连接）的预期的或者说设置的方向。因而电流9例如可以从马达3的绕组支路3a经由低电阻的电压限制元件8并且经由例如续流二极管7例如朝向马达3的另一绕组支路3b流动。

为了保证这种功能性，各种不同器件可以用作电压限制元件8，例如可从外部插接的元件或者整合在逆变器中的元件。电压限制元件8可以具有例如允许控制的有源（器件）元件或者无源（器件）元件或者说分别构造为这样的有源（器件）元件或者无源（器件）元件。

电压限制元件8例如可以具有多个组件的系统，例如包括具有例如比较器的装置，该比较器探测由于例如电压反向作用导致的过压或者说超过阈值电压，然后操纵功率开关，该功率开关的导通性（通/断）可以依赖于探测到的电压值控制。在此，功率开关可以是半导体开关，例如晶体管开关，或者例如机械开关（例如继电器）。也可以设想，例如将功率齐纳二极管用作电压限制元件8（主要由具有晶体管（例如互补的达林顿级）的齐纳二极管组成的电路）或者所谓公知的晶闸管撬棍（Thyristor-Crowbar）。

电压限制元件8可以是无源器件，例如齐纳二极管（该齐纳二极管从达到其选择作为例如阈值电压的击穿电压开始在截止方向上变为导通的或者低电阻的）、抑制二极管或者例如可变电阻（即，依赖于电压的电阻器）。可以设想，在逆变器之内设置例如不同类型的各半桥1a、1b、1c的例如不同类型的电压限制元件8，以便构成电压限制系统2。在此，根据本发明的全部电压限制元件8或者说电压限制系统2自主地或者说独立地，也就是说，仅依赖于电压限制元件8上（例如由于电压反向作用）存在的电压地限制电压。就此而言，根据本发明的电压限制元件8或者说电压限制系统2不依赖于一个或多个逆变器的、一个或多个变流器的或一个或多个马达等的、或者通过其进行的控制。除此以外，不为根据本发明的电压限制的产生设置其他组件，尤其是与例如如下变流器的或逆变器的控制逻辑的外部信号源的联接，所述变流器的或逆变器例如控制功率半导体。

按照本发明的电压限制（在该电压限制中，至少从潜在有害的电压反向作用开始或者说从超过阈值开始，通过电压限制元件8尤其是与各一个续流二极管7连接，建立了在马达3的各两个端子之间的各一个导通连接）例如引发制动力矩，该制动力矩可以在马达与驱动系断开的情况下引起马达制动（即转速降低）直到电压降到安全值。在马达与驱动系连接的情况下，例如整个驱动系被制动，但是其中，由此造成的制动力矩明显小于短路制动力矩。

由此，由于电压反向作用在交流马达3和逆变器中流动的电流9在例如激活的、通过电压限制元件8的电压限制情况下（一旦由于例如存在于中间抽头4a与4b之间的端子电压过高导致电压限制元件8是低电阻的或者说导通的或者说导电的），例如从交流马达3的、与中间抽头4a连接的第一端子通过电压限制系统2的电压限制元件8经由续流二极管7返回到马达3的、与中间抽头4b连接的另一端子。

附图标记

1桥式电路

1'输入端子

1a、1b、1c半桥

2电压限制系统

3马达

3a、3b、3c绕组支路

4a、4b、4c中间抽头

5a功率半导体开关（下排）

5b功率半导体开关（上排）

6a功率半导体开关的控制输入端

6b功率半导体开关的输入端

6c功率半导体开关的输出端

7续流二极管

8电压限制元件

9电流

Claims (12)

1.逆变器，尤其用于对机动车的交流马达（3）的能量供给，其中，所述逆变器具有半桥（1a、1b、1c），用于与所述交流马达（3）的电连接，其特征在于，所述半桥（1a、1b、1c）具有与所述半桥（1a、1b、1c）的功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）和输出端（6c）导电连接的电压限制元件（8），所述电压限制元件依赖于所述功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）与输出端（6c）之间存在的电压的电压值限定地在所述功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）与输出端（6c）之间建立高电阻的或低电阻的连接。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器的每个半桥（1a、1b、1c）设置有与所述半桥（1a、1b、1c）的功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）和输出端（6c）导电连接的电压限制元件（8），所述电压限制元件依赖于所述功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）与输出端（6c）之间存在的电压的电压值限定地在相应半桥（1a、1b、1c）的功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）与输出端（6c）之间建立高电阻的或低电阻的连接。

3.根据权利要求1或2所述的逆变器，其特征在于，所述低电阻的连接在从相应功率半导体开关（5a；5b）的输入端（6b）到输出端（6c）的方向上分别建立电流流过相应电压限制元件（8）的可能性。

4.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述低电阻的连接分别反向于电流流过与相应功率半导体开关（5a；5b）的所述输入端（6b）和所述输出端（6c）连接的续流二极管（7）的方向地建立电流流过所述相应电压限制元件（8）的可能性。

5.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述电压限制元件以截止方向布置在所述输入端与所述输出端之间，其中，所述电压限制元件从达到存在于输入端与输出端之间的限定的电压值开始在截止方向上变为导通的。

6.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述电压限制元件（8）具有有源的和/或无源的元件。

7.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述电压限制元件（8）具有比较器和/或功率开关，尤其是半导体开关或者机械开关。

8.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述电压限制元件（8）具有齐纳二极管和/或抑制二极管和/或可变电阻。

9.根据前述权利要求之一所述的逆变器，其特征在于，所述电压限制元件（8）具有恰好一个器件。

10.尤其是机动车的驱动系统，该驱动系统包含交流马达（3），其特征在于，所述交流马达（3）的绕组支路（3a、3b、3c）为了电能的供给与根据前述权利要求1至9之一所述的逆变器的所述半桥（1a、1b、1c）能导电地连接。

11.根据权利要求10所述的驱动系统，其特征在于，所述交流马达（3）的每一个绕组支路（3a、3b、3c）与所述逆变器的各一个半桥（1a、1b、1c）能导电地连接。

12.根据权利要求10或11所述的驱动系统，其特征在于，所述交流马达（3）是同步马达，尤其是永磁激励的或他励的同步马达。

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