CN113572345A - 用于整流器的电路总成、整流器、电的机器和用于运行电的机器的方法 - Google Patents

用于整流器的电路总成、整流器、电的机器和用于运行电的机器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电的机器的整流器的电路总成(300)，该电路总成具有：功率半桥，该功率半桥带有高压侧功率开关(161)和低压侧功率开关(162)；驱动单元(210)，该驱动单元被设计用于使得至少一个第一功率开关—选自高压侧功率开关(161)和低压侧功率开关(162)—导通和截止；切断线路(220)和供电线路(240)，这些线路经过设计，从而当激活所述切断线路(220)时，供电电压(V2)经由所述供电线路(240)施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上，使得该第一功率开关导通；冗余的供电线路(250)，该供电线路经过设计，从而当激活所述切断线路(220)时，还可将供电电压(V3)施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上，使得该功率开关导通。

Description

用于整流器的电路总成、整流器、电的机器和用于运行电的机 器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电的机器的整流器的电路总成、一种整流器、一种电的机器以及一种用于运行电的机器的方法。
背景技术
比如在车辆或汽车中使用的电的机器，可以借助整流器(也称为逆变器)工作，确切的说，通常既发电机式地又电动机式地工作。这种整流器为此往往对于电的机器的每个相都具有功率半桥，该功率半桥带有高压侧功率开关和低压侧功率开关(二者例如为MOSFET或IGBT)，以便能够相应地给相绕组通电。他励的机器还具有给转子绕组或励磁绕组通电的可行性。
此外，这种整流器通常具有所谓的切断线路，该切断线路能实现使得全部的相相对于地或者相对于供电电压短路。这种做法也称为主动的相短路。由此，因而当例如在故障情况下将切断线路激活时，通过电的机器不再产生扭矩，也不再有电能输出到车载电网上。将处于安全的状态下。
另一处于安全状态下的可行方案是，对于他励的电的机器的情况，减小励磁电流。但是，这种做法需要—为了消除励磁磁场—明显更多的时间，这在很多情况下出于安全的原因无法接受。
发明内容
根据本发明，提出具有独立权利要求的特征的一种用于整流器的电路总成、一种整流器、一种电的机器以及一种用于运行电的机器的方法。有利的设计是从属权利要求以及后续说明的主题。
本发明基于一种用于整流器的电路总成，该电路总成具有功率半桥以及驱动单元，该功率半桥带有高压侧功率开关和低压侧功率开关，该驱动单元被设计用于使得至少一个第一功率开关—选自高压侧功率开关和低压侧功率开关—(即高压侧功率开关或低压侧功率开关或二者)导通和截止，即接通和切断。功率开关例如可以是MOSFET或IGBT，驱动单元相应地是栅极驱动器。
此外，如开篇也已提到，这种电路总成具有切断线路和供电线路，这些线路经过设计，从而当激活切断线路时，把供电电压经由供电线路施加到第一功率开关(即高压侧或低压侧功率开关，这要看通过驱动单元来控制哪一个功率开关而定；如果控制两个功率开关，就是这些功率开关之一)的控制接头(例如栅极接头)上，使得该第一功率开关导通。
在此有益的是，驱动单元与第一功率开关的控制接头连接，其中，切断线路经过设计，从而在其激活时，使得驱动单元与第一功率开关的控制接头分开。切断线路在此可以经过设计，从而该切断线路通过改变施加于其上的电压水平而被激活。也常见的是，在这种情况下，即在驱动单元断开或切断时，在相关的功率开关导通之前，首先使得另一功率开关截止或断开。为此可以设置单独的合适的电路。
在此要提及，切断线路也可以是电路组分部分，这些电路组分部分—在切断电路的一个点施加一定的电压水平时—导致第一功率开关导通。就此而言，有时也可以把供电线路归属于切断线路，但这对于工作方式来说不重要。
借助这种切断线路，因而在需要时或者在故障情况下，可以使得相关的功率开关导通。不言而喻，对于电的机器，在电路总成或整流器中给每个相都分别设置功率半桥，在三相电的机器情况下也就是设置三个功率半桥。在此于是可以给每个功率半桥都分别设置驱动单元，也分别设置切断线路和供电线路。
但也有益的是，例如借助驱动单元来控制多个或全部功率开关(于是分别带有单独的控制线)，从而切断线路和供电线路也可以分支到这些功率开关上，因此，最终所有高压侧功率开关或所有低压侧功率开关都可以同时导通，以便引起开篇提到的主动的相短路。
尽管通过这种方式在需要时或有故障时现在基本上可以引起主动的相短路，但仍会出现故障，例如在供电线路上可能发生中断或对地短路，或者供电电压会有故障。这会导致，尽管激活了切断线路，但相关的功率开关仍不能导通(不再导通)。
在这种背景下，在本发明的范畴内现在提出，电路总成还具有冗余的供电线路，该供电线路经过设计，从而当激活切断线路时，还可将供电电压施加到第一功率开关的控制接头上，使得该功率开关导通。
因而如果在(主要)供电线路上例如出现中断或接地短路，则尽管如此，通过冗余的供电线路在第一功率开关的控制接头上施加所需要的供电电压，以便最终引起所希望的主动的相短路。
对于(主要)供电线路和冗余的供电线路，例如可以采用不同的供电电压，这些供电电压于是还分别施加到第一功率开关的控制接头上。不同的供电电压于是例如是在电路总成内的比如也具有不同的电压大小的不同的分接点，或者也是在整流器上的不同的连接引脚。
但原则上也可行的是，针对(主要)供电线路和冗余的供电线路，采用同一个供电电压，即例如采用电路总成内的同一个分接点。所需的冗余通过分开地伸展的供电线路来实现。
此外有利的是，冗余的供电线路经过设计，从而供电电压还主动地特别是借助在冗余的供电线路上的开关(例如MOSFET或其它晶体管)可施加到第一功率开关的控制接头上。在此于是例如可以设置微控制器，其被设计用于主动地特别是借助开关把供电电压施加到第一功率开关的控制接头上。由此可行的是，仅在需要时才接通冗余的供电线路。
替代地也优选的是，冗余的供电线路经过设计，从而供电电压还持久地与第一功率开关的控制接头连接。在此于是可以采用二极管或所谓的反激式逆变器(或反激转换器)，以便避免并非所愿的补偿电流。
根据一些方案，冗余的供电线路和(主要)供电线路相同地设计，替代于这些方案，也特别优选的是，电路总成具有布置在冗余的供电线路上的电的蓄能器比如电容器。
对蓄能器的充电例如可以由供电线路进行。这引起在电路总成的常规工作中电的蓄能器通过施加在供电线路上的供电电压予以充电。只要在供电线路上没有中断，就可以按开篇所述的方式，通过激活切断线路来把供电电压施加到第一功率开关的控制接头上，由此使得该功率开关导通。但如果在供电线路上出现了中断，或者供电电压有故障，(此后被充电的)电的蓄能器就承担起供电电压的功能，并且在激活切断线路时引起将供电电压(即来自于电的蓄能器)施加到第一功率开关的控制接头上，使得该功率开关导通。
采用该方案因而也可以在供电线路中断情况下或者在(真正的)供电电压有故障情况下引起主动的相短路。不言而喻，由于电的蓄能器的容量有限，第一功率开关只能导通有限的时间。但通过合适的尺寸设计，可以实现使得主动的相短路至少保持一段时间，直至—在他励的电的机器情况下—励磁电流已(充分地)消除。但相比于前述方案，在电路总成中需要更少的附加组件。
本发明的主题还是一种整流器，其带有根据本发明的电路总成，确切地说，特别是对于待控制的电的机器的每个相都分别带有功率半桥，如前所述。
本发明的主题同样是一种电的机器，其带有转子和定子以及根据本发明的整流器。相应地，定子于是具有相绕组。也优选的是，电的机器设计成他励的电的机器。
本发明还涉及一种用于运行根据本发明的电的机器的方法，其中，在故障情况下通过激活切断线路来主动地引起相短路。
关于整流器、电的机器以及所述方法的其它优点和优选设计，参见在此相应地适用的上述说明，以避免重复。
本发明的其它优点和设计可由说明书和附图得到。
附图说明
本发明借助实施例在附图中被示意性地示出，并且将在下面参照附图予以介绍。
图1示意性地示出在一种优选的实施方式中根据本发明的电的机器；
图2示意性地示出在一种优选的实施方式中的整流器；
图3示意性地示出一种非根据本发明的电路总成；
图4示出在一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成；
图5示出在另一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成；
图6示出在另一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成。
具体实施方式
在图1中粗略地示意性地示出在一种优选的实施方式中根据本发明的电的机器100，其在一种优选的实施方式中也具有根据本发明的整流器150。
电的机器100，其特别是可以应用在电动机式的和发电机式的运行中，特别优选地也应用在所谓的助推回收***(即用于能量回收和驱动辅助)中，该电的机器具有工作轮或转子110，该转子例如具有用于产生磁场的转子绕组或励磁绕组111或者永磁铁。相应地也示出了定片或定子120，其具有在此仅示意性地示出的定子绕组或相绕组121。
图2中示意性地示出在一种优选的实施方式中的根据本发明的整流器150，其比如也可以应用于根据图1的电的机器100。
整流器150例如具有三个功率半桥160，这些功率半桥被设置用于电的机器的三个相U、V、W并且可相应地连接。三个功率半桥中的每一个都具有高压侧功率开关161和低压侧功率开关162，这些功率开关在此设计成MOSFET，并且对于这些功率开关，分别用G表示栅极接头或控制接头，用D表示漏极接头，用S表示源极接头。
此外粗略地示意性地示出设计成栅极驱动器的控制单元210以及示出了切断线路220，其中，借助控制单元210可控制至少一个功率半桥160的高压侧功率开关161和低压侧功率开关162的栅极接头或控制接头G，从而这些接头可以有针对性地导通和截止。借助切断线路，可以将控制单元去激活，并且例如可以将低压侧功率开关162导通，以便主动地引起相短路。
控制单元210和切断线路220在此示范性地与功率半桥160之一一起形成电路总成300的一部分，该电路总成在一种优选的实施方式中可以是根据本发明的电路总成。对于更详细的示出和描述，特别是也在图2中未明确示出的冗余的供电线路方面，为此参见后续附图以及相关的说明。
图3中示意性地示出一种非根据本发明的电路总成200，但要借助该电路总成来介绍比如对于本发明也至关重要的电路总成的主要结构和主要工作方式。
如图2中，这里也示出了高压侧功率开关161和低压侧功率开关162以及控制单元210，其中，在此示范性地仅控制低压侧功率开关162，也就是说，将其切换为导通和截止，为此，其栅极接头或控制接头G通过控制线路211和开关222与控制单元210连接。通过改变G处的电势进行切换，其中，当栅极-源极电压UGS大于阈值电压时，开关162在当前是导通的。只要开关222导通，开关162就执行控制单元210的规定。
切断线路220现在具有开关221，例如MOSFET，其在当前通常截止地设计，并且只有在施加负的栅极-源极电压时才导通。由此，在正常情况下存在供电电压V2，其可以借助DC-DC或直流电压变换器由例如48V的车载电网电压V1得到，并且例如为15V，在开关222的栅极接头或驱动器接头上，从而该开关导通。
如果现在通过在开关221上施加负的栅极-源极电压把切断线路激活，开关221就被切换为导通或者闭合，由此使得在开关222的栅极接头或控制接头上施加的供电电压接地。由此把开关222截止或者断开，从而无法再实现借助控制单元210来控制低压侧功率开关161。
确切地说，供电电压V2现在通过供电线路240施加在低压侧功率开关162的栅极接头或控制接头上，由此将该开关切换为导通。由此可以—在相应地控制余下的低压侧功率开关时(为此参见图2)—通过激活切断线路220来引起主动的相短路。
(电的)阻抗R1、R2和R3例如可以具有5k欧姆、50k欧姆和200欧姆的值，从而实现电路总成200的所希望的功能。但不言而喻的是，这仅仅是纯示范性的，并且也可以采用其它合适的值。相同的情况适用于这里的电压大小V1和V2。
但对于所示的电路总成200，在供电电压V2有故障时，或者在供电线路240中断或短路时，低压侧功率开关162就不再导通。
图4中现在示出在一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成300。基本结构在此相应于根据图3的电路总成200，因而就此参见那里的说明。相同的组件在此标有相同的标号。
除了供电线路240上的二极管241外，还设置了冗余的供电线路250，该供电线路带有设置于其上的二极管251，利用该供电线路可以将例如12V的供电电压V3施加到低压侧功率开关162的栅极接头或控制接头上，以便在激活切断线路220时使得低压侧功率开关162导通。冗余的供电线路250由此与(主要)供电线路240相同地设计。
在供电电压V2有故障时，或者在供电线路240中断或短路时，低压侧功率开关162可以继续导通。二极管241、251防止并非所愿的补偿电流。
在图5中示出了在另一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成400。基本结构在此相应于根据图4的电路总成300，因而就此参见那里的说明。相同的组件在此标有相同的标号。
但这里还示出了PMIC(“Power Management Integrated Circuit(电源管理集成电路)”)215和用于控制驱动单元210的微控制器216。此外，由此例如可以不仅控制低压侧功率开关162，而且可以控制高压侧功率开关161。切断线路220和(主要)供电线路240在此被共同地示出，从而仅示出了功能，但未示出具体的布线。优选地，在故障情况下，在时间上在断开高压侧功率开关161之后，低压侧功率开关162进行闭合。
补充地，在冗余的供电线路250上，现在设置了开关252例如MOSFET，在需要时，例如当在(主要)供电线路240上识别出故障时，该开关可以借助微控制器216闭合，从而于是可以把供电电压V3施加到低压侧功率开关162的栅极接头或控制接头上。
对冗余的供电线路250的接通也可以替代地采用二极管或所谓的反激式逆变器进行，也可考虑持久的连接。
在图6中示出了在另一种优选的实施方式中的根据本发明的电路总成500。基本结构在此相应于根据图4的电路总成300，因而就此参见那里的说明。相同的组件在此标有相同的标号。
但在这里，冗余的供电线路250'未与(主要)供电线路240相同地设计，而是设置了设计成电容器的电的蓄能器C，该蓄能器布置在冗余的供电线路250'上的一个区域内，在该区域中，冗余的供电线路250'与供电线路240分开地伸展。电容器C于是通过冗余的供电线路250'的一部分与供电线路240连接，并且还与施加于其上的供电电压V2连接。换句话说，电容器C与供电线路240连接，并且与施加于其上的供电电压V2连接，且与低压侧功率开关162的栅极-源极-线路(这里还与阻抗R3)并行地布线或布置。
电容器C在常规工作中首先借助供电电压V2被充电。但在供电电压V2有故障时，或者在供电线路240中断或短路时，电容器于是提供电压或供电电压，由此使得低压侧功率开关162仍然导通，无论如何都导通一段时间。二极管241防止电容器C放电到供电线路240中。
不言而喻，在根据图4的实施方式中，可以存在带有电容器C的冗余的供电线路250'，还可以存在附加的冗余的切断线路。

Claims (13)

1.一种用于电的机器(100)的整流器(150)的电路总成(300、400、500)，该电路总成具有：
-功率半桥(160)，该功率半桥带有高压侧功率开关(161)和低压侧功率开关(162)；
-驱动单元(210)，该驱动单元被设计用于使得至少一个第一功率开关—选自高压侧功率开关(161)和低压侧功率开关(162)—导通和截止；
-切断线路(220)和供电线路(240)，这些线路经过设计，从而当激活所述切断线路(220)时，供电电压(V2)经由所述供电线路(240)施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上，使得该第一功率开关导通；
-冗余的供电线路(250、250')，该供电线路经过设计，从而当激活所述切断线路(220)时，还可将供电电压(V2、V3)施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上，使得该功率开关导通。
2.如权利要求1所述的电路总成(300、400)，其中，所述冗余的供电线路(250)经过设计，从而所述供电电压(V3)还主动地特别是借助在所述冗余的供电线路(250)上的开关(252)可施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上。
3.如权利要求2所述的电路总成(400)，还带有微控制器(216)，该微控制器被设计用于主动地特别是借助所述开关(252)把所述供电电压(V3)施加到所述第一功率开关(162)的控制接头上。
4.如权利要求1或2所述的电路总成，其中，所述冗余的供电线路经过设计，从而所述供电电压还持久地与所述第一功率开关(162)的控制接头连接。
5.如前述权利要求中任一项所述的电路总成(500)，还具有在所述冗余的供电线路(250')上的电的蓄能器(C)。
6.如权利要求5所述的电路总成(500)，其中，在所述冗余的供电线路(250')上的电的蓄能器(C)可利用所述供电线路(240)充电，并且还与施加于该供电线路上的供电电压(V2)连接。
7.如权利要求5或6所述的电路总成(500)，其中，所述电的蓄能器(C)设计成电容器。
8.如前述权利要求中任一项所述的电路总成(300、400、500)，其中，所述驱动单元(210)与所述第一功率开关(162)的控制接头连接，其中，所述切断线路(220)经过设计，从而在其激活时，使得所述驱动单元(210)与所述第一功率开关(162)的控制接头分开。
9.如前述权利要求中任一项所述的电路总成(300、400、500)，其中，所述切断线路(220)经过设计，从而该切断线路通过改变施加于其上的电压水平而被激活。
10.一种用于电的机器(100)的整流器(150)，带有根据前述权利要求中任一项所述的电路总成(300、400、500)。
11.一种电的机器(100)，带有转子(110)、定子(120)和根据权利要求10的整流器(150)。
12.如权利要求11所述的电的机器(100)，其设计成他励的电的机器。
13.一种用于运行根据权利要求11或12的电的机器(100)的方法，其中，在故障情况下通过激活切断线路(220)来主动地引起相短路。
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