DE102018218961A1

DE102018218961A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102018218961A1
Application number: DE102018218961.7A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (H, H) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet sind, mit einer positiven Anschlussplatte (120), die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken (110) mit der positiven Anschlussplatte (120) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, und mit einer ein Volumen (V) begrenzenden strukturellen Begrenzung (150) aus elektrisch leitfähigem Material, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150) begrenzte Volumen (V) ein zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) vorhandenes Volumen (V) zumindest teilweise umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit mehreren Halbbrücken sowie eine Recheneinheit mit einer solchen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
Zur Ansteuerung von Elektromotoren können geeignete Schaltungsanordnungen mit Halbbrücken oder Recheneinheiten bzw. Steuergeräte mit solchen Schaltungsanordnungen verwendet werden. Solche Schaltungsanordnungen dienen dann insbesondere als Strom- bzw. Wechselrichter. Mit steigender Anzahl an Elektromotoren beispielsweise für Anwendungen im Personenverkehr steigt auch der Bedarf an entsprechenden Schaltungsanordnungen bzw. Ansteuerschaltungen. Hierzu können in der Leistungselektronik verschiedene Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden, z.B. Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs.
Eine solche Schaltungsanordnung weist in der Regel mehreren sog. Halbbrücken bzw. Halbbrückenzweige auf, die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter, wie sie beispielsweise oben erwähnt wurden, aufweisen. Dabei weisen die Halbbrücken jeweils einen Mittelabgriff zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf, sowie einen positiven Anschluss (sog. High-Side) und einen negativen Anschluss (sog. Low-Side) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke. Typischerweise sind die Halbbrücken und insbesondere die Halbleiterschalter dabei auf einer Trägerplatte angeordnet.
Im Betrieb werden die positiven Anschlüsse dabei in aller Regel an den positiven Anschluss einer Spannungsquelle (In einem Fahrzeug z.B. der Fahrzeugbatterie) angeschlossen, die negativen Anschlüsse an den negativen Anschluss einer Spannungsquelle bzw. Masse.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung ist dann jeweils genau einer dieser Schalter einer Halbrücke leitend, während der andere sperrt. Der Mittelabgriff stellt den Wechselstromanschluss (im Motorbetrieb den Ausgang, im Gleichrichterbetrieb den Eingang) des Halbbrückenzweigs dar. Dieser kann durch die Halbleiterschalter wahlweise mit dem positiven oder dem negativen Anschluss verbunden werden.
Im Betrieb wird zudem in der Regel hochfrequent taktend zwischen diesen beiden Zuständen gewechselt. Am Mittelabgriff ist eine Phase (Statorwicklung) der zu versorgenden elektrischen Maschine angeschlossen. Diese weist einen induktiven Charakter auf. Der Ausgangsstrom einer Phase wird also immer stetig verlaufen, lediglich der Gradient des Stroms ändert sich, und zwar abhängig vom Schaltzustand. Ist der Halbleiterschalter auf High-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom positiven Anschluss zum Ausgang, von dort zur elektrischen Maschine und von dort über weitere Halbbrücken, die die weiteren Phasen der elektrischen Maschine ansteuern, zurück zum positiven Anschluss.
Ist hingegen der Halbleiterschalter auf Low-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom negativen Anschluss zum Ausgang, während auf der positiven Leitung kein Strom fließt. Bei einem Schaltvorgang von High-Side nach Low-Side wechselt der Strom der Phase also extrem schnell von der Leitung am positiven Anschluss zur Leitung am negativen Anschluss und umgekehrt. Dabei wird jedes Mal in einer Zwischenkreisinduktivität, die die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig, der Leitung am negativen Anschluss und der Versorgungsspannungsquelle unvermeidlich bildet, eine Spannung induziert.
Ein zeitliches Integral über diese Spannung ist dabei gleich dem Produkt aus Zwischenkreisinduktivität und Phasenstrom. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass das Magnetfeld in dieser Leiterschleife, das beim Betrieb aufgrund der Stromänderungen auftrifft, jeweils sein Vorzeichen wechselt, wenn der Strom der Phase von der Leitung am positiven Anschluss zu der Leitung am negativen Anschluss oder umgekehrt kommutiert.
Wie hoch die maximal induzierte Spannung ist, hängt dabei von der Dauer des Schaltvorgangs ab. Je kürzer die Dauer ist, desto höher ist die induzierte Kommutierungsspannung. Da während der Schaltvorgänge aber eine hohe Verlustleistung in den Halbleiterschaltern auf High-Side bzw. Low-Side anfällt, sollte der Schaltvorgang möglichst schnell ablaufen, was zu einer relativ hohen Kommutierungsspannung führt.
Nachteilig dabei ist, dass die Kommutierungsspannung zusätzlich zur Versorgungsspannung Teil der Spannungsbelastung für den jeweils gerade abschaltenden Halbleiterschalter ist. Gerade bei Systemen mit geringer Versorgungsspannung (wie beispielsweise 12 V oder 48 V) aber hohen Ausgangsströmen, die durchaus mehrere 100 A betragen können, erhöht sich die Spannungsbelastung der Halbleiterschalter durch diese Kommutierungsspannung gegenüber der Versorgungsspannung erheblich. Dies kann dazu führen, dass teurere Halbleiterschalter mit einer höheren Spannungsfestigkeit eingesetzt werden müssen.
Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die erwähnte Leiterschleife umschließt. Aus der US 2009/0085219 A1 ist es beispielsweise bekannt, diese Fläche möglichst zu minimieren. Jedoch sind der Minimierung einer solchen Fläche Grenzen gesetzt, beispielsweise durch weitere Anforderungen an die leistungselektronische Baugruppe. Solche weiteren Anforderungen sind z.B. eine gute Kühlbarkeit der Bauelemente (insbesondere der Halbleiterschalter), eine gute Fixierung der Bauelemente und Robustheit gegen Schüttelbeanspruchungen, eine Verarbeitbarkeit in der Fertigung und Herstellung von Verbindungen wie Schrauben, Löten und Schweißen, sowie das Vorsehen von Strukturen, um Längenausdehnungen bei Temperaturwechseln zu ermöglichen. Daher müssen oft Kompromisse geschlossen werden, die zu einer Erhöhung der Zwischenkreisinduktivität führen. Die Größe dieser Zwischenkreisinduktivität bewegt sich oft im zweistelligen nH-Bereich.
Grundsätzlich bekannt ist, dass eine für die Stromänderung in einer Leiterschleife maßgebliche Induktivität gesenkt werden kann, indem ein Verbraucher oder ein Kurzschlusspfad transformatorisch (d.h. induktiv) an das vom Strom in dieser Leiterschleife verursachte Magnetfeld angekoppelt wird. Damit ist bei einer Stromänderung in der Leiterschleife nur noch eine Streuinduktivität zwischen der Leiterschleife und der transformatorisch angebundenen Last wirksam, nicht mehr jedoch die deutlich größere Hauptinduktivität der Leiterschleife.
In der DE 197 32 723 A1 wird eine Technik vorgeschlagen, mit deren Hilfe ein Induktivitätsanteil von Bereichen parallel zueinander verlaufender Leitungen bzw. Zuleitungen unter Nutzung dieses physikalischen Prinzips gesenkt werden kann. Dort ist hinter zwei parallel zueinander und in vertikaler Richtung verlaufende positiven und negativen Stromschienen eine elektrisch leitende Platte angeordnet. Diese Platte wird nahezu senkrecht zu ihrer Oberfläche von dem Magnetfeld durchsetzt, das durch die in den Zuleitungsschienen fließenden Ströme hervorgerufen wird. Wegen eines geringen ohmschen Widerstands der Platte wird diese das Auftreten hoher induzierter Kreisspannungen während eines Kommutierungsvorgangs unterbinden. Vielmehr werden während eines Kommutierungsvorgangs in dieser Platte Wirbelströme generiert, die der Magnetfeldänderung durch die Kommutierung in der Leistungselektronik entgegen wirken und den magnetischen Fluss, der die Platte durchsetzt, im ersten Moment konstant halten. Dadurch wird aber auch der magnetische Fluss, der in diesem Teilabschnitt die zwischen den beiden Zuleitungsschienen aufgespannte Fläche durchsetzt, konstant gehalten. In diesem Teilabschnitt wirkt nun nicht mehr die sogenannte Hauptinduktivität, sondern nur noch die Streuinduktivität zwischen der von den Zuleitungsschienen aufgespannten Leiterschleife und dem Wirbelstrompfad in der zusätzlichen Platte.
In der DE 101 03 472 A1 wird vorgeschlagen, bei einer Aufbau- und Verbindungstechnik mit sog. DBC (Direct Bonded Copper) eine leitfähige Zwischenschicht einzuführen, um eine Schirmungswirkung zu erzielen. Diese Maßnahme bewirkt vor allem die bessere Ableitung kapazitiver Störströme auf der Ausgangsseite der leistungselektronischen Schaltung und sorgt dafür, dass sich solche kapazitiven Störströme über den Zwischenkreiskondensator und nicht über Erdungsschleifen schließen. Im Wesentlichen wird hier das auch in der US 2009/0085219 A1 genutzte Prinzip der geometrischen Verkleinerung von Leiterschleifen genutzt, hier allerdings nicht, um eine Kommutierungs- bzw. Zwischenkreisinduktivität zu minimieren, sondern um die Störabstrahlung, die durch kapazitiv bedingte Störströme verursacht ist, zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors bzw. einer motorisch betreibbaren elektrischen Maschine und weist mehrere Halbbrücken auf, die jeweils zwei miteinander (elektrisch leitend) verbundene Halbleiterschalter aufweisen. Bei solchen Halbleiterschaltern kann es sich, wie eingangs bereits erwähnt, beispielsweise um Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs handeln. Die Halbbrücken weisen dabei jeweils einen Mittelabgriff zwischen den beiden Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf. An den Phasenanschluss kann eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Ebenso weisen die Halbbrücken jeweils einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss auf jeweils einer Seite der Halbbrücke auf. Der positive bzw. negative Anschluss ist dabei von dem Mittelabgriff aus gesehen auf der jeweils anderen Seite des entsprechenden Halbleiterschalters vorgesehen. Die genaue Anzahl der Halbrücken richtet sich dabei nach der Anzahl der Phasen der anzusteuernden elektrischen Maschine. Die Halbbrücken sind dabei auf einer Trägerplatte angeordnet, wodurch sie in Position gehalten werden können und auf welcher auch nötige Verbindungsleitungen vorgesehen sein können.
Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine positive Anschlussplatte auf, die von der Trägerplatte mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend - vorzugsweise parallel dazu - angeordnet ist. Die positiven Anschlüsse der Halbbrücken sind dabei mit der positiven Anschlussplatte (und damit auch miteinander) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken sind zumindest miteinander verbunden. Zweckmäßig und üblich ist, dass ein Kühlkörper vorgesehen ist, auf dem die Trägerplatte mit den Halbbrücken angeordnet ist, um die Halbleiterschalter zu kühlen. Denkbar ist auch, dass ein solcher Kühlköper die Trägerplatte oder auch nur einen Teil davon bildet. Der Kühlkörper ist vorzugsweise zudem mit den negativen Anschlüssen der Halbbrücken verbunden und dient damit als negativer Anschluss für die Schaltungsanordnung, während die positive Anschlussplatte als positiver Anschluss für die Schaltungsanordnung dient.
Zweckmäßig ist es auch, wenn ein Kondensator, insbesondere ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen ist, der dann zwischen die positive Anschlussplatte und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken bzw. ggf. den Kühlkörper geschaltet bzw. entsprechend angebunden ist.
Mit einem solchen Zwischenkreiskondensator, insbesondere möglichst nahe beim entsprechenden Halbbrückenzweig, kann die Zwischenkreisinduktivität bereits reduziert werden. Dieser puffert die Versorgungsspannung nahe bei der leistungselektronischen Schaltung ab und übernimmt bei Schaltvorgängen zumindest im ersten Moment die Änderungen des Versorgungsstroms. Die Größe des Zwischenkreiskondensators richtet sich nach dessen Strombelastung und Schaltfrequenz, dessen Kapazität bewegt sich beispielsweise zwischen drei- und fünf-stelligen µF-Werten.
Für die Zwischenkreisinduktivität ist dann nur noch die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig und der Leitung am negativen Anschluss relevant, die Versorgungsspannungsquelle hingegen nicht mehr. Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die diese Leiterschleife umschließt. Aus diesem Grund ist es an sich wünschenswert, diese Fläche so gering wie möglich zu halten.
Durch die von der Trägerplatte und damit den Halbbrücken mit den Halbleiterschaltern beabstandete positive Anschlussplatte liegt der positive Anschluss der Schaltungsanordnung nicht auf Höhe der Trägerplatte mit den leistungselektronischen Bauelemente (oder der Kühlkörperebene), sondern mit einem Höhenabstand zur leistungselektronischen Schaltung. Die Versorgung der Halbbrücken bzw. die erwähnte Anbindung der positiven Anschlüsse der Halbbrücken an die positive Anschlussplatte erfolgt dabei vorzugsweise über vertikal von der positiven Anschlussplatte zu den leistungselektronischen Schaltungen, d.h. insbesondere den Halbleiterschaltern bzw. den Halbbrücken, verlaufende Stützen, die die Stromführung entlang dieser dritten Dimension gewährleisten. Zugleich kann über solche Stützen eine mechanische Fixierung der positiven Anschlussplatte an der Trägerplatte bzw. den Halbbrücken erfolgen. Zweckmäßig sind dabei mehrere solcher Stützen, vorzugsweise je eine von der positiven Anschlussplatte zu je einer Halbbrücke, insbesondere zu dessen Halbleiterschalter auf High-Side bzw. auf Seiten des positiven Anschlusses.
Durch diesen dreidimensionalen Aufbau wird eine Platzersparnis gegenüber einer Anordnung nur in der Ebene ermöglicht. Um eine damit einhergehende, etwaige Erhöhung der Zwischenkreisinduktivität - und insbesondere der Zwischenkreisinduktivität an sich - auszugleichen bzw. die Zwischenkreisinduktivität zu reduzieren, ist nun eine ein Volumen begrenzende strukturelle Begrenzung aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung begrenzte Volumen ein zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandenes Volumen zumindest teilweise umfasst.
Bei dieser strukturellen Begrenzung handelt es sich damit um eine, insbesondere in sich geschlossene, Anordnung elektrisch leitfähigen Materials, in der sich Wirbelströme ausbilden könnten. In diesem Sinne kann diese strukturelle Begrenzung auch als Wirbelstrommantel bezeichnet werden. Bei dieser strukturellen Begrenzung kann es sich um eine vollständig geschlossene Hülle im Sinne einer Oberfläche eines dreidimensionalen Körpers wie insbesondere eines Quaders handeln. Mit anderen Worten kann die strukturelle Begrenzung also aus mehreren, beispielsweise sechs (dünnen) miteinander verbundenen Platten bestehen. Eine solche strukturelle Begrenzung kann aber auch einstückig hergestellt sein.
Anstatt geschlossener Flächen kann diese strukturelle Begrenzung aber Gitter bzw. einer Gitterstrukturen aufweisen, das bzw. die sich entsprechend entlang solcher Flächen wie beispielsweise der Seitenflächen eines Quaders erstrecken. Im Extremfall kann die strukturelle Begrenzung auch nur aus den Kanten eines Quaders oder eines anderen dreidimensionalen Körpers bzw. entsprechend verlaufenden Drähten oder dergleichen bestehen. Der Zweck dieser strukturellen Begrenzung besteht dabei darin, dem entstehenden Strom zwischen der positiven Anschlussplatte und dem negativen Anschluss der Schaltung eine Art Spiegel zu bieten, in dem ein gegensinniger Strom zu dem Schaltstrom fließen kann.
Ebenso zweckmäßig ist es, wenn die strukturelle Begrenzung zum Teil geschlossene Flächen bzw. Platten und zum Teil eine Gitterstruktur aufweist. Denkbar sind beispielsweise zwei solcher Platten (z.B. als Ober- und Unterseite), die voneinander beabstandet und mittels Stäben oder anderer Gitterstruktur miteinander verbunden sind.
Im Falle einer (ggf. auch nur teilweisen) Gitterstruktur kann diese insbesondere selbsttragend ausgeführt sein und/oder aber auch auf einen elektrisch nicht leitfähigen Träger (z.B. Kunststoff) aufgebracht sein.
Allgemein ist die strukturelle Begrenzung somit vorzugsweise zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet bzw. weist Platten aus elektrisch leitfähigem Material auf, die das Volumen entsprechend begrenzen, und/oder die strukturelle Begrenzung weist zumindest teilweise eine Gitterstruktur aus elektrisch leitfähigem Material, die das Volumen entsprechend begrenzt, auf bzw. die strukturelle Begrenzung ist zumindest teilweise in Art eines Gitters ausgebildet.
In dieser strukturellen Begrenzung bzw. diesem Wirbelstrommantel entstehen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Materials und der Anordnung (zumindest teilweise) zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte bei einem Schaltvorgang in einer der Halbbrücken durch induktive bzw. transformatorische Ankopplung an die erwähnte induktive Leiterschleife automatisch Wirbelströme, die die Wirkung der Stromänderung in der positiven Anschlussplatte und ggf. auch im Kühlkörper auf das Magnetfeld im Volumen zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte bzw. dem Kühlkörper zumindest teilweise kompensieren.
Dadurch findet während des Kommutierungsvorgangs in der Kommutierungsschleife zwischen Versorgungsspannungsquelle bzw. Zwischenkreiskondensator und der schaltenden Halbbrücke nahezu keine Änderung des magnetischen Flusses statt und es wird nahezu keine Kommutierungsspannung induziert. Die Flussänderung vollzieht sich nun wesentlich langsamer mit der Geschwindigkeit, mit der die durch den Schaltvorgang ausgelösten Wirbelströme auf Grund des von Null verschiedenen ohmschen Widerstands der strukturellen Begrenzung wieder abklingen. Die Wirkung der Zwischenkreisströme auf das Magnetfeld im Kommutierungskreis wird also erheblich verzögert und verlangsamt. Dadurch sinkt die Spannungsbelastung der sperrenden Leistungshalbleiter erheblich.
Um die Wirkung zu optimieren, ist es bevorzugt, wenn das von der strukturellen Begrenzung begrenzte Volumen das zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandene Volumen zumindest zu 25%, bevorzugt zumindest zu 50%, besonders bevorzugt zumindest zu 75% umfasst. Generell ist es wünschenswert, möglichst viel des zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandenen Volumens zu ummanteln, jedoch müssen ggf. noch bauliche Einschränkungen oder beispielsweise eine nötige Isolation der strukturellen Begrenzung gegen andere Teile der Schaltungsanordnung berücksichtigt werden. Je größer das von der strukturellen Begrenzung eingeschlossene Volumen ist, desto größer ist der oben beschriebene Effekt der Reduzierung der auftretenden Spannungsspitzen im Kommutierungskreis.
In diesem Sinne ist es auch besonders bevorzugt, wenn ein Bereich der strukturellen Begrenzung, der eine Seitenfläche des Volumens begrenzt, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte angeordnet ist und dabei zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, der dem Bereich zugewandten Fläche der positiven Anschlussplatte überdeckt. Damit können insbesondere die in der positiven Anschlussplatte auftretenden Ströme und die damit hervorgerufene induzierte Spannung reduziert werden. Wenngleich ein solcher Bereich der strukturellen Begrenzung auch als Gitterstruktur ausgebildet sein kann, wird im Falle einer Platte bzw. einer vollen Fläche eine größtmögliche Wirkung erreicht.
Vorzugsweise ist dieser Bereich der strukturellen Begrenzung über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte verbunden, d.h. die positive Anschlussplatte, die Isolationsschicht und der Bereich der strukturellen Begrenzung - bevorzugt eine Platte - können gemeinsam bzw. als eine bauliche Einheit ausgebildet werden.
Unabhängig von der Ausführung der strukturellen Begrenzung als plattenförmig und/oder Gitterstruktur ist es vorteilhaft, die strukturelle Begrenzung (bzw. den Wirbelstrommantel) zwei- oder mehrteilig auszuführen. Beispielsweise kann der erwähnte Bereich der strukturellen Begrenzung, der über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte verbunden ist, einen Teil dieser zwei- oder mehrteiligen Ausbildung darstellen. Übrige Teile der strukturellen Begrenzung können dann elektrisch und zweckmäßigerweise auch mechanisch mit diesem Bereich verbunden werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn auch der dem Kühlkörper zugewandte Bereich der strukturellen Begrenzung separat plattenförmig bzw. als Platte ausgeführt ist, die mit geringem Abstand zum Kühlkörper angeordnet ist. Denkbar ist beispielsweise eine Metallschicht, die zu Wärmeabfuhrzwecken in den leistungselektronischen Aufbau integriert ist, als diese untere Grundfläche des Wirbelstrommantels zu nutzen.
Es ist auch von Vorteil, wenn das elektrisch leitfähige Material eine relative magnetische Permeabilität µ_r von wenigstens 1 und/oder höchstes 1,5, und insbesondere in etwa 1, aufweist, d.h. dass das elektrisch leitfähige Material nicht ferromagnetisch, sondern vielmehr paramagnetisch ist. Damit kann die nachteilige Eigenschaft vermieden werden, dass die Zwischenkreisinduktivität durch Einbringen einer Permeabilität ungewünscht erhöht wird.
Zweckmäßig ist es generell, wenn die strukturelle Begrenzung gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Materialien der Schaltungsanordnung, insbesondere der positiven Anschlussplatte sowie dem Kühlkörper, elektrisch isoliert ist.
Ebenso ist es aber bevorzugt, wenn die strukturelle Begrenzung mit den negativen Anschlüsse der Halbbrücken - und damit ggf. auch mit dem Kühlkörper - verbunden ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlkörper (oder zumindest ein Teil davon) selbst einen Teil bzw. einen Bereich der strukturellen Begrenzung bildet.
Wird der Kühlkörper als Teil der strukturellen Begrenzung genutzt, so vereinigt er die Funktionen der Unterseite der strukturellen Begrenzung und der elektrischen Verbindung zwischen den Halbleiterschaltern auf Low-Side und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators in sich. Folglich überlagern sich dann im Kühlkörper die Wirbelströme in der Unterseite der strukturellen Begrenzung und die Ströme von den Halbleiterschaltern auf Low-Side zum Zwischenkreiskondensator. In Summe wird nach einem Schaltvorgang von High-Side nach Low-Side einer Halbbrücke der zusätzliche Strom von den Halbleiterschaltern auf Low-Side zum negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators zunächst über die Wirbelstromfläche (Oberseite der strukturellen Begrenzung) fließen, die an der positiven Anschlussplatte angeordnet ist und von dort erst langsam in den Kühlkörper, der üblicherweise einen geringeren ohmschen Widerstand als die Wirbelstromfläche aufweist, kommutieren.
Auch ist es denkbar, die strukturelle Begrenzung mit einer Platte und mit dem Kühlkörper (oder einem Teil davon) auszubilden, wobei die Platte über geeignete Stützen aus elektrisch leitfähigem Material mit dem Kühlkörper verbunden ist. Es ist auch möglich, Zwischenräume zwischen benachbarten Stützen ganz oder teilweise durch elektrisch leitende Flächenstücke auszufüllen oder Stützen in solche zu integrieren.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn solche Stützen in Form von geschlossenen Rohren oder seitlich (entlang der Mantelfläche) offenen Rohren ausgebildet sind, die die eingangs erwähnten Stützen bzw. Verbindungen zwischen der positiven Anschlussplatte und den Halbbrücken umgeben. Damit ist eine besonders gute Ausnutzung bzw. Abdeckung des Volumens zwischen positiver Anschlussplatte und Trägerplatte bzw. Kühlkörper möglich.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und vorzugsweise eine Logikeinheit (z.B. integrierte Schaltung) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter auf. Die Recheneinheit kann insbesondere als sog. Inverter ausgebildet sein, d.h. Gleichstrom in Wechselstrom wandeln.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung aus 1 als Schaltbild.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. In 2 ist ein zugehöriges Schaltbild von Teilen der Schaltungsanordnung 100 gezeigt, wobei die Darstellung in der Anordnung der einzelnen Elemente vergleichbar zu derjenigen in 1 gewählt ist. Die 1 und 2 sollen nachfolgend insofern auch übergreifend beschrieben werden.
Die Schaltungsanordnung 100 weist mehrere, beispielhaft vier, Halbbrücken 110 auf, wovon in 2 jedoch nur eine dargestellt ist.. Jede dieser Halbbrücken 110 weist zwei Halbeiterschalter auf, nämlich einen Halbeiterschalter H_HS für High-Side und einen Halbeiterschalter H_LS für Low-Side. Diese beiden Halbeiterschalter sind elektrisch leitend miteinander verbunden und weisen einen Mittelabgriff M für eine Phase bzw. einen Phasenanschluss einer elektrischen Maschine auf.
Denkbar, beispielsweise in einer anderen Schaltungsvariante, ist auch, jeweils die vier Halbleiterschalter H_HS für High-Side und die vier Halbleiterschalter H_LS für Low-Side parallel zu schalten und an einem Phasenanschluss zusammenzuführen.
Die Halbbrücken 110 und insbesondere die Halbleiterschalter sind auf einer Trägerplatte 140 angeordnet. Die Trägerplatte wiederum ist nahe oder ggf. auf einem Kühlkörper 130 angeordnet. Denkbar ist beispielsweise auch eine Isolationsschicht zwischen Trägerplatte 140 und Kühlkörper 130, falls nötig. Von der Trägerplatte 140 und damit den Halbbrücken 110 beabstandet und auch zumindest im Wesentlichen parallel zu der Trägerplatte 140 ist eine positive Anschlussplatte 120 vorgesehen, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Die positiven Anschlüsse A+ bzw. die positiven Seiten der Halbbrücken 110, d.h. die Anschlüsse auf Seiten des Halbeiterschalter H_HS für High-Side sind miteinander und über einen Leiterabschnitt 121, der insbesondere in Form einer mechanischen Stütze ausgebildet ist, mit der positiven Anschlussplatte 120 verbunden.
Wie eingangs bereits erwähnt, können auch mehrere solcher Leiterabschnitte 121 bzw. Stützen vorgesehen sein, um einerseits eine bessere elektrische Anbindung und andererseits eine höhere mechanische Stabilität zu erreichen.
Die negativen Anschlüsse A- bzw. die negativen Seiten der Halbbrücken 110, d.h. die Anschlüsse auf Seiten des Halbeiterschalter H_LS für Low-Side sind miteinander und mit dem Kühlkörper 130 verbunden. Dies kann auf der dem Kühlkörper 130 zugewandten Seite der Trägerplatte 140 vorgenommen sein.
Zwischen der positiven Anschlussplatte 120 und dem Kühlkörper 130, der mit Masse verbunden ist, ist zudem ein Kondensator C, ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen. Die positive Anschlussplatte 120 ist dabei mit einem positiven Anschluss B+ der Schaltungsanordnung 100 verbunden bzw. bildet diesen und der Kühlkörper 130 ist mit einem negativen Anschluss B- der Schaltungsanordnung 100 verbunden bzw. bildet diesen. Dabei entspricht der negativen Anschluss B- dem Masseanschluss.
Der positive Anschluss B+ und der negative Anschluss B- können dabei zudem auch entsprechende Anschlüsse einer Recheneinheit 101 bzw. eines Steuergeräts darstellen, die die Schaltungsanordnung 100 aufweist, wie in 2 schematisch angedeutet.
Die Leitungen bzw. Leitungsabschnitte der Halbleiterbrücken 110, die Leitungsabschnitte 121 und insbesondere die positive Anschlussplatte 120 bilden dabei zusammen eine Leiterschleife, die eine Induktivität bzw. eine Zwischenkreisinduktivität bildet, wie sie in 2 mit L dargestellt ist.
Weiterhin ist eine strukturelle Begrenzung 150 vorgesehen, die ein Volumen V₁ begrenzt bzw. umgibt. Insbesondere ist diese strukturelle Begrenzung im gezeigten Bespiel zwischen bzw. innerhalb der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, d.h. in dem Zwischenraum zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, vorgesehen. In diesem Sinne kann die strukturelle Begrenzung auch als Innenmantel bezeichnet werden. Im gezeigten Beispiel ist diese strukturelle Begrenzung nur mit Kanten eines etwas abgerundeten Quaders dargestellt, wobei diese Kanten entsprechend durch elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise in Form von Drähten, gebildet werden.
Wie oben bereits ausführlich erläutert, kann diese strukturelle Begrenzung 150 auch anderweitig ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer feinmaschigeren Gitterstruktur oder Platten bzw. plattenförming und dergleichen. Es versteht sich auch, dass die konkrete Formgebung der strukturellen Begrenzung auch durch konstruktive Gegebenheiten der übrigen Elemente der Schaltungsanordnung beeinflusst sein kann. Insbesondere muss sie keine ebenen Oberflächen aufweisen, sondern kann Krümmungen, Einbuchtungen usw. aufweisen.
Unabhängig davon umfasst dieses, von der strukturellen Begrenzung 150 begrenzte Volumen V₁ zumindest teilweise - vorliegend sogar zu einem relativ großen Anteil - das Volumen zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, das mit V₂ bezeichnet ist.
Insbesondere liegt damit ein Bereich der strukturellen Begrenzung 150, der eine Seitenfläche des Volumens V₁ begrenzt, und zwar vorliegend die obere Seitenfläche bzw. Oberseite, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte 120 und überdeckt deren dem Bereich zugewandte Fläche der positiven Anschlussplatte fast vollständig.
Damit wird die Zwischenkreisinduktivität L, die zu einem großen Teil durch die positive Anschlussplatte 120 hervorgerufen wird, besonders gut kompensiert, d.h. auftretende Induktionsspannungen werden besonders stark reduziert.
In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das in 2 gezeigte Schaltbild gilt auch für die Schaltungsanordnung 200, zumal in 2 die strukturelle Begrenzung nicht gezeigt ist.
Die Schaltungsanordnung 200 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 100 gemäß 1 - von einem geringfügig anders angeordneten Leiterabschnitt 121 abgesehen - im Grunde nur durch eine andere Ausgestaltung der strukturellen Begrenzung, die hier mit 250 bezeichnet ist. Hinsichtlich der übrigen Elemente bzw. Komponenten sei auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen, die hier entsprechend gilt.
Die strukturelle Begrenzung 250 weist eine Platte 251 auf, die einen Bereich der strukturelle Begrenzung 250 bildet, der eine Seitenfläche des Volumens V₁ begrenzt, und zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte 120 ist und deren dem Bereich zugewandte Fläche der positiven Anschlussplatte fast vollständig überdeckt.
Außerdem bildet der Kühlkörper 130 - oder zumindest ein Teil davon - auch einen Teil der strukturellen Begrenzung 250. Die Platte 251 und der Kühlkörper 130 sind mittels Stützen 252 miteinander elektrisch leitend verbunden, womit diese Stützen auch Teil der strukturellen Begrenzung 250 sind. Denkbar ist, dass diese Stützen 252 zudem zur mechanischen Stabilisierung beitragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0085219 A1 [0011, 0014]
DE 19732723 A1 [0013]
DE 10103472 A1 [0014]

Claims

Schaltungsanordnung (100, 200) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (H_HS, H_LS) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss (A+) und einen negativen Anschluss (A-) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine positive Anschlussplatte (120), die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken (110) mit der positiven Anschlussplatte (120) verbunden sind und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, und mit einer ein Volumen (V₁) begrenzenden strukturellen Begrenzung (150, 250) aus elektrisch leitfähigem Material, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150, 250) begrenzte Volumen (V₁) ein zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) vorhandenes Volumen (V₂) zumindest teilweise umfasst.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die strukturelle Begrenzung (250) zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strukturelle Begrenzung (150) zumindest teilweise eine Gitterstruktur aus elektrisch leitfähigem Material, die das Volumen (V₁) entsprechend begrenzt, aufweist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Bereich der strukturellen Begrenzung (150, 250), der eine Seitenfläche des Volumens (V₁) begrenzt, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte (120) angeordnet ist und dabei zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, der dem Bereich zugewandten Fläche der positiven Anschlussplatte (120) überdeckt.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 4, wobei der Bereich der strukturellen Begrenzung (150, 250), der zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte (120) angeordnet ist, über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte (120) mechanisch verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150, 250) begrenzte Volumen (V₁) das zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandene Volumen (V₂) zumindest zu 25%, bevorzugt zumindest zu 50%, besonders bevorzugt zumindest zu 75%, umfasst.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Material eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 1 und/oder höchstens 1,5 aufweist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturelle Begrenzung gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Materialien der Schaltungsanordnung elektrisch isoliert ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die strukturelle Begrenzung mit den negativen Anschlüsse der Halbbrücken verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Kühlkörper (130), mit dem die negativen Anschlüsse der Halbbrücken (110) verbunden sind, wobei die Trägerplatte (140) zwischen der positiven Anschlussplatte (110) und dem Kühlkörper (130) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Teil des Kühlkörpers (130) einen Teil der strukturellen Begrenzung (250) bildet.
Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kondensator (C) zwischen die positive Anschlussplatte (120) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken (110) geschaltet ist.
Recheneinheit (101) mit einer Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche.