DE102020208096A1 - Device and method for discharging an intermediate circuit capacitor and voltage converter arrangement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft das Entladen eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, welche durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente abwechselnd zwei in Serie geschaltete Kondensatoren einer Kondensatoreinrichtung auf- und entladen.The present invention relates to the discharging of an intermediate circuit capacitor by means of a half-bridge with two switching elements, which alternately charge and discharge two series-connected capacitors of a capacitor device by suitably controlling the switching elements.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungswandleranordnung mit einer Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators.The present invention relates to a device and a method for discharging an intermediate circuit capacitor. The present invention also relates to a voltage converter arrangement with a device for discharging an intermediate circuit capacitor.
Stand der TechnikState of the art
Spannungsnetze mit Zwischenkreiskondensatoren zur Stabilisierung einer Gleichspannung sind beispielsweise aus elektrischen Antriebssystemen bekannt. Da beispielsweise bei Hochvoltnetzen von Elektrofahrzeugen an derartigen Zwischenkreiskondensatoren auch elektrische Spannungen von mehreren hundert Volt anliegen können, muss im Falle einer Abschaltung, insbesondere bei einer Notabschaltung, sichergestellt werden, dass die Zwischenkreiskondensatoren gezielt entladen werden können.Voltage networks with intermediate circuit capacitors for stabilizing a direct voltage are known, for example, from electrical drive systems. Since electrical voltages of several hundred volts can also be present on such intermediate circuit capacitors in high-voltage networks of electric vehicles, for example, in the event of a shutdown, especially in the event of an emergency shutdown, it must be ensured that the intermediate circuit capacitors can be discharged in a targeted manner.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators sowie eine Spannungswandleranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention creates a device and a method for discharging an intermediate circuit capacitor and a voltage converter arrangement having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators mit einem Kondensatorelement und einer Halbbrücke. Das Kondensatorelement umfasst einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator. Der erste Kondensator ist an einem ersten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators elektrisch verbunden. An einem zweiten Anschluss ist der erste Kondensator mit einem ersten Knotenpunkt elektrisch verbunden. Der zweite Kondensator ist an einem ersten Anschluss mit dem ersten Knotenpunkt elektrisch verbunden und an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators elektrisch verbunden. Die erste Halbbrücke umfasst ein erstes Halbleiterschaltelement und ein zweites Halbleiterschaltelement. Das erste Halbleiterschaltelement ist an einem ersten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators elektrisch verbunden. An einem zweiten Anschluss ist das erste Halbleiterschaltelement mit einem zweiten Knotenpunkt elektrisch verbunden. Das zweite Halbleiterschaltelement ist an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch verbunden und an einem zweiten Anschluss mit dem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators elektrisch verbunden. Ferner ist der erste Knotenpunkt des Kondensatorelements mit dem zweiten Knotenpunkt der Halbbrücke elektrisch gekoppelt.
- A device for discharging an intermediate circuit capacitor with a capacitor element and a half bridge. The capacitor element includes a first capacitor and a second capacitor. The first capacitor is electrically connected at a first connection to a first connection of the intermediate circuit capacitor. The first capacitor is electrically connected to a first node at a second connection. The second capacitor is electrically connected to the first node at a first connection and is electrically connected to a second connection of the intermediate circuit capacitor at a second connection. The first half bridge comprises a first semiconductor switching element and a second semiconductor switching element. The first semiconductor switching element is electrically connected at a first connection to a first connection of the intermediate circuit capacitor. The first semiconductor switching element is electrically connected to a second node at a second connection. The second semiconductor switching element is electrically connected to the second node at a first connection and is electrically connected to the second connection of the intermediate circuit capacitor at a second connection. Furthermore, the first node of the capacitor element is electrically coupled to the second node of the half bridge.
Weiterhin ist vorgesehen:
- Eine Spannungswandleranordnung mit einem Zwischenkreiskondensator, einer Spannungswandlerschaltung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators. Die Spannungswandlerschaltung kann mindestens eine Halbbrücke, vorzugsweise jedoch mehrere Halbbrücken umfassen.
- A voltage converter arrangement with an intermediate circuit capacitor, a voltage converter circuit and a device according to the invention for discharging the intermediate circuit capacitor. The voltage converter circuit can comprise at least one half bridge, but preferably several half bridges.
Schließlich ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators. Das Verfahren umfasst zwei Schritte, welche abwechselnd ausgeführt werden. In einem ersten Schritt wird das erste Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geöffnet und das zweite Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geschlossen. In einem zweiten Schritt wird das erste Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geschlossen und das zweite Halbleiterschaltelement der Halbbrücke geöffnet.
- A method for discharging an intermediate circuit capacitor by means of a device according to the invention for discharging the intermediate circuit capacitor. The method comprises two steps which are carried out alternately. In a first step, the first semiconductor switching element of the half bridge is opened and the second semiconductor switching element of the half bridge is closed. In a second step, the first semiconductor switching element of the half bridge is closed and the second semiconductor switching element of the half bridge is opened.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei dem Auf- und Entladen eines Kondensators elektrische Verluste entstehen. Hierbei wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Es ist nun eine Idee der vorliegenden Erfindung, diese elektrischen Verluste dazu zu nutzen, die in einem Zwischenkreiskondensator gespeicherte elektrische Energie mittels mehrerer Lade- und Entladevorgängen von weiteren Kondensatoren abzubauen. Werden dabei parallel zu dem Zwischenkreiskondensator mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren abwechselnd auf- und entladen, so kann durch die dabei entstehenden elektrischen Verluste die Energie des Zwischenkreiskondensators abgebaut werden, ohne dass dabei ein Kurzschluss über den beiden Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators entsteht.The present invention is based on the knowledge that electrical losses occur when a capacitor is charged and discharged. Here electrical energy is converted into thermal energy. It is now an idea of the present invention to use these electrical losses to reduce the electrical energy stored in an intermediate circuit capacitor by means of several charging and discharging processes of further capacitors. If at least two capacitors connected in series are alternately charged and discharged parallel to the intermediate circuit capacitor, the resulting electrical losses can dissipate the energy of the intermediate circuit capacitor without causing a short circuit across the two connections of the intermediate circuit capacitor.
Da die aus der Serienschaltung der zusätzlichen Kondensatoren herrührende Gesamtkapazität im operativen Betrieb parallel zu dem Zwischenkreiskondensator angeordnet ist, treten während des operativen Betriebs keine negativen Effekte auf. Vielmehr vergrößert die aus der Serienschaltung der beiden zusätzlichen Kondensatoren herrührende Gesamtkapazität zusammen mit der Kapazität des Zwischenkreiskondensators die Gesamtkapazität geringfügig. Die Kapazitäten der Kondensatoren in dem zusätzlichen Kondensatorelement kann dabei in geeigneter Weise derart dimensioniert werden, dass die während der einzelnen Umladevorgängen fließenden elektrischen Ströme sicher beherrschbar sind und dabei gleichzeitig ein möglichst effizientes Entladen der Zwischenkreiskapazität erzielt werden kann.Since the total capacitance resulting from the series connection of the additional capacitors is arranged in parallel to the intermediate circuit capacitor in operational operation, no negative effects occur during operational operation. Rather, the total capacitance resulting from the series connection of the two additional capacitors together with the capacitance of the intermediate circuit capacitor increases the total capacitance slightly. The capacities of the capacitors in the additional capacitor element can be dimensioned in a suitable manner such that the electrical currents flowing during the individual recharging processes can be safely controlled and at the same time the most efficient possible discharging of the intermediate circuit capacitance can be achieved.
Für das Auf- und Entladen der einzelnen Kondensatoren in dem Kondensatorelement parallel zu dem Zwischenkreiskondensator ist parallel zu jedem Kondensator ein Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement, wie zum Beispiel ein MOSFET oder ein bipolarer Transistor mit einem isolierten Gateanschluss oder ähnliches vorgesehen. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, können die Schaltelemente zum Umladen der einzelnen Kondensatoren direkt parallel zu den jeweiligen Kondensatoren angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, die Kondensatoren von den Schaltelementen mittels eines zusätzlichen Schalters zu entkoppeln.For charging and discharging the individual capacitors in the capacitor element parallel to the intermediate circuit capacitor, a switching element, in particular a semiconductor switching element, such as a MOSFET or a bipolar transistor with an insulated gate connection or the like, is provided parallel to each capacitor. As will be explained in more detail below, the switching elements for recharging the individual capacitors can be arranged directly parallel to the respective capacitors. Alternatively, it is also possible to decouple the capacitors from the switching elements by means of an additional switch.
Das Umladen der Kondensatoren in dem Kondensatorelement kann grundsätzlich mit einer beliebigen Schaltfrequenz bzw. Taktrate erfolgen. Mit steigender Schaltfrequenz kann dabei pro Zeiteinheit eine größere Energiemenge umgesetzt werden, wobei auch pro Zeiteinheit die elektrischen Verluste steigen und somit ein schnelleres Entladen der Zwischenkreiskapazität erreicht werden kann. Insbesondere kann die Schaltfrequenz für das Entladen des Zwischenkreiskondensators höher gewählt werden, als eine Schaltfrequenz, die für den operativen Betrieb einer Baugruppe verwendet wird, an welche der Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist.The reloading of the capacitors in the capacitor element can in principle take place with any switching frequency or clock rate. As the switching frequency increases, a larger amount of energy can be converted per unit of time, with the electrical losses also increasing per unit of time and thus a faster discharge of the intermediate circuit capacitance can be achieved. In particular, the switching frequency for discharging the intermediate circuit capacitor can be selected to be higher than a switching frequency that is used for the operational operation of an assembly to which the intermediate circuit capacitor is connected.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, in der Halbbrücke abwechselnd einen ersten Schaltzustand oder einen zweiten Schaltzustand einzustellen. In dem ersten Schaltzustand ist das erste Halbleiterschaltelement geöffnet und das zweite Halbleiterschaltelement geschlossen. In dem zweiten Schaltzustand ist das erste Halbleiterschaltelement geschlossen und das zweite Halbleiterschaltelement geöffnet. Bei dem Wechsel zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand können dabei insbesondere auch die Totzeiten der Halbleiterschaltelemente berücksichtigt werden. Hierzu wird zunächst ein geschlossenes Halbleiterschaltelement geöffnet und nach einer Totzeit das jeweils andere Schaltelement geschlossen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass es bei dem Wechsel zwischen den beiden Schaltzuständen über die Halbbrücke zu keinem Kurzschluss über dem Zwischenkreiskondensator kommt.According to one embodiment, the device for discharging the intermediate circuit capacitor comprises a control device. The control device is designed to alternately set a first switching state or a second switching state in the half bridge. In the first switching state, the first semiconductor switching element is open and the second semiconductor switching element is closed. In the second switching state, the first semiconductor switching element is closed and the second semiconductor switching element is open. When changing between the first switching state and the second switching state, in particular the dead times of the semiconductor switching elements can also be taken into account. For this purpose, a closed semiconductor switching element is first opened and, after a dead time, the respective other switching element is closed. In this way it can be ensured that when changing between the two switching states via the half bridge, there is no short circuit across the intermediate circuit capacitor.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Knotenpunkt des Kondensatorelements direkt mit dem zweiten Knotenpunkt der Halbbrücke elektrisch verbunden. Somit sind zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt keine weiteren Bauelemente, insbesondere kein Schaltelement oder ähnliches vorgesehen. Hierdurch kann eine besonders einfache Konfiguration realisiert werden.According to one embodiment, the first node point of the capacitor element is electrically connected directly to the second node point of the half bridge. Thus, no further components, in particular no switching element or the like, are provided between the first node and the second node. A particularly simple configuration can be implemented in this way.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators eine Schalteinrichtung. Die Schalteinrichtung ist dazu ausgelegt, den ersten Knotenpunkt des Kondensatorelements mit dem zweiten Knotenpunkt der Halbbrücke elektrisch zu verbinden oder zu trennen. Insbesondere kann für das Entladen des Zwischenkreiskondensators der erste Knotenpunkt mit dem zweiten Knotenpunkt mittels der Schalteinrichtung elektrisch verbunden werden. Während eines operativen Betriebs einer an den Zwischenkreiskondensator angeschlossenen Baugruppe kann die Schalteinrichtung die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt trennen. Auf diese Weise ist die Kondensatoreinrichtung von der Halbbrücke während des operativen Betriebs getrennt, so dass die Kondensatoren der Kondensatoreinrichtung keine negativen Einflüsse auf den operativen Betrieb nehmen und insbesondere auch keine zusätzlichen elektrischen Verluste während des operativen Betriebs bewirken.According to an alternative embodiment, the device for discharging the intermediate circuit capacitor comprises a switching device. The switching device is designed to electrically connect or disconnect the first node of the capacitor element to the second node of the half-bridge. In particular, the first node can be electrically connected to the second node by means of the switching device for discharging the intermediate circuit capacitor. During operational operation of an assembly connected to the intermediate circuit capacitor, the switching device can disconnect the electrical connection between the first node and the second node. In this way, the capacitor device is separated from the half-bridge during operational operation, so that the capacitors of the capacitor device do not have any negative effects on operational operation and, in particular, also do not cause any additional electrical losses during operational operation.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kondensatorelement mindestens einen Ohmschen Widerstand. Der Ohmsche Widerstand ist hierbei in Serie mit dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator angeordnet. Insbesondere kann für jeden Kondensator des Kondensatorelements ein Ohmscher Widerstand vorgesehen sein. So kann beispielsweise in dem Kondensatorelement zwischen dem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators und dem ersten Knotenpunkt eine Serienschaltung aus dem ersten Kondensator und einem ersten Ohmschen Widerstand vorgesehen sein und zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators kann eine Serienschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Ohmschen Widerstand vorgesehen sein. Das Kondensatorelement entspricht in diesem Fall einem R-C-Glied, wie es beispielsweise auch für sogenannte Snubber-Schaltungen verwendet wird. According to one embodiment, the capacitor element comprises at least one ohmic resistor. The ohmic resistor is arranged in series with the first capacitor and the second capacitor. In particular, an ohmic resistor can be provided for each capacitor of the capacitor element. For example, a series connection of the first capacitor and a first ohmic resistor can be provided in the capacitor element between the first connection of the intermediate circuit capacitor and the first node, and a series connection of a second capacitor and a second can be provided between the second node and the second connection of the intermediate circuit capacitor Ohmic resistance can be provided. In this case, the capacitor element corresponds to an RC element, as it is for example is also used for so-called snubber circuits.
Gemäß einer Ausführungsform der Spannungswandleranordnung ist die Halbbrücke der Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators zusätzlich zu der Spannungswandlerschaltung vorgesehen. Somit ist für die Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators neben den Halbbrücken der Spannungswandlerschaltung eine weitere Halbbrücke zum Entladen des Zwischenkreiskondensators vorgesehen.According to one embodiment of the voltage converter arrangement, the half-bridge of the device for discharging the intermediate circuit capacitor is provided in addition to the voltage converter circuit. Thus, in addition to the half-bridges of the voltage converter circuit, a further half-bridge for discharging the intermediate circuit capacitor is provided for the device for discharging the intermediate circuit capacitor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Halbbrücke der Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators mindestens einer Halbbrücke der Spannungswandlerschaltung entsprechen. Auf diese Weise kann die entsprechende Halbbrücke der Spannungswandlerschaltung das Umladen der Kondensatoren in dem Kondensatorelement zum Entladen des Zwischenkreiskondensators ausführen.According to a further embodiment, the half-bridge of the device for discharging the intermediate circuit capacitor can correspond to at least one half-bridge of the voltage converter circuit. In this way, the corresponding half-bridge of the voltage converter circuit can carry out the charge reversal of the capacitors in the capacitor element in order to discharge the intermediate circuit capacitor.
Gemäß einer Ausführungsform ist parallel zu jeder Halbbrücke der Spannungswandlerschaltung ein Kondensatorelement angeordnet. Entsprechend kann jede Halbbrücke zusammen mit dem korrespondierenden Kondensatorelement eine Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators bilden. Durch die Verwendung mehrerer Halbbrücken mit parallel angeordneten Kondensatorelementen kann somit ein besonders schnelles Entladen des Zwischenkreiskondensators erfolgen.According to one embodiment, a capacitor element is arranged in parallel with each half bridge of the voltage converter circuit. Accordingly, each half bridge, together with the corresponding capacitor element, can form a device for discharging the intermediate circuit capacitor. By using several half bridges with capacitor elements arranged in parallel, the intermediate circuit capacitor can thus be discharged particularly quickly.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, as far as this makes sense. Further refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
FigurenlisteFigure list
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Spannungswandleranordnung mit einer Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform; -
2 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform; -
3 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
4 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Spannungswandleranordnung mit einer Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform; und -
5 : eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
-
1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a voltage converter arrangement with a device for discharging an intermediate circuit capacitor according to one embodiment; -
2 : a schematic representation of a basic circuit diagram for a device for discharging an intermediate circuit capacitor according to an embodiment; -
3 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a device for discharging an intermediate circuit capacitor according to a further embodiment; -
4th : a schematic representation of a basic circuit diagram of a voltage converter arrangement with a device for discharging an intermediate circuit capacitor according to a further embodiment; and -
5 : a schematic representation of a flow chart as a method for discharging an intermediate circuit capacitor according to an embodiment is based.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Spannungswandleranordnung umfasst einen Zwischenkreiskondensator
Neben dem operativen Betrieb kann beispielsweise ein Betriebszustand vorgesehen sein, in welchem der Eingangsanschluss der Spannungswandleranordnung und somit insbesondere der Zwischenkreiskondensator
Die Vorrichtung
Die Schaltelemente
Die Steuereinrichtung
Für das Entladen des Zwischenkreiskondensators
Die Vorrichtung
In dem in
In dem Verfahren werden zum Entladen des Zwischenkreiskondensators
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Entladen eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, welche durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente abwechselnd zwei in Serie geschaltete Kondensatoren einer Kondensatoreinrichtung auf- und entladen.In summary, the present invention relates to the discharging of an intermediate circuit capacitor by means of a half bridge with two switching elements, which alternately charge and discharge two series-connected capacitors of a capacitor device by suitably controlling the switching elements.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |