DE102021102950A1

DE102021102950A1 - Aktiver Filter im Halbleitermodul

Info

Publication number: DE102021102950A1
Application number: DE102021102950.3A
Authority: DE
Inventors: Bastian Arndt; Peter OLBRICH
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Leistungsstufe (1) zum Ansteuern eines Elektromotors, vorzugsweise Leistungsstufe (1) eines Spannungswandlers oder eines Umrichters oder eines Inverters oder eines Fahrtreglers zum Ansteuern eines Elektromotors oder Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs, umfassend einen steuerbaren oder schaltbaren Leistungshalbleiter (10), der über eine Versorgungsleitung (20) mit elektrischer Energie versorgt wird, und einen mit dem Leistungshalbleiter (10) thermisch verbundenen Kühlkörper (11), und ein Gehäuse (12) zum Haltern und/oder Aufnehmen des Leistungshalbleiters (10) und des Kühlkörpers (11), und einem ersten Kondensator (31) zum Unterdrücken hochfrequenter Störungen, wobei der erste Kondensator (31) zwischen der Versorgungsleitung (20) und dem Gehäuse (12) geschaltet ist. Wesentlich dabei ist, dass ein aktiver Filter (35) zwischen der Versorgungsleitung (20) des Leistungshalbleiters (10) und dem Kühlkörper (11) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors, insbesondere eines Traktionsmotors in einem Fahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zum Entstören von bekannten Leistungsstufen werden Y-Kondensatoren verwendet, welche zwischen einer Versorgungsleitung und einem Gehäuse angeordnet sind. Ein Nachteil bekannter Schaltungen mit Y-Kondensatoren zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ist, dass die Y-Kondensatoren für eine hinreichende Störunterdrückung hohe Kapazitätswerte aufweisen müssen. Speziell in Hochvoltsystemen darf der Y-Kondensator aber innerhalb eines Systems nur einen bestimmten maximalen Kapazitäts-Wert annehmen, um aus Sicherheitsgründen die in dem Kondensator gespeicherte elektrische Energie unterhalb eines vorgeschriebenen Grenzwertes zu halten. Der daraus resultierende maximal mögliche Wert des Y-Kondensators hat zur Folge, dass eine hinreichende Entstörung nur in einem begrenzten Frequenzbereich möglich ist. Dadurch sind weitere kosten- und bauraumaufwendige Filtermaßnahmen notwendig.
Weiter sind bereits aktive Filter bekannt, welche zwischen einer Versorgungsleitung und einem Gehäuse angeordnet sind, wobei zum Entstören der Leistungsstufe große simulierte Ströme notwendig sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors mit verbesserten Entstöreigenschaften zur Verfügung zu stellen, die vorzugsweise bei einem geringen Bauvolumen eine gute Unterdrückung für einen breiten Frequenzbereich, d.h. auch für hochfrequente Störsignale besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leistungsstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine Leistungsstufe zum Ansteuern eines Elektromotors vorgesehen, vorzugsweise eine Leistungsstufe eines Spannungswandlers oder eines Umrichters oder eines Inverters oder eines Fahrtreglers zum Ansteuern eines Elektromotors oder Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs. Die Leistungsstufe umfasst einen steuerbaren oder schaltbaren Leistungshalbleiter, der über eine Versorgungsleitung mit elektrischer Energie versorgt wird, und einen mit dem Leistungshalbleiter thermisch verbundenen Kühlkörper, und ein Gehäuse zum Haltern und/oder Aufnehmen des Leistungshalbleiters und des Kühlkörpers, und einem ersten Kondensator zum Unterdrücken hochfrequenter Störungen, wobei der erste Kondensator zwischen der Versorgungsleitung und dem Gehäuse geschaltet ist. Wesentlich dabei ist, dass ein aktiver Filter zwischen der Versorgungsleitung des Leistungshalbleiters und dem Kühlkörper geschaltet ist.
Vorteilhaft ist, dass neben dem ersten Kondensator ein aktiver Filter nahe dem Leistungshalbleiter ausgebildet ist. So werden Störsignale durch den ersten Kondensator zwischen der Versorgungsleitung und dem Gehäuse zur Störquelle zurückgeleitet oder unterdrückt. Entsprechend der Kapazität des ersten Kondensators kann dieser bei größerer Kapazität eher niedrigere Störfrequenzen dämpfen, und bei kleinerer Kapazität eher Störsignale mit höherer Frequenz dämpfen. Störsignale mit höheren Frequenzen und/oder in einem breiteren Frequenzband, beispielsweise in einem Bereich von 10 KHz bis 100 MHz, vorzugsweise in einem Bereich von 20KHz bis 50 MHz, werden durch den aktiven Filter zwischen der Versorgungsleitung und dem Kühlkörper abgeleitet bzw. unterdrückt. Dadurch können Störungen in einem breiten Frequenzband effektiv unterdrückt werden. Die Frequenz, ab der Störsignale eher von dem ersten Kondensator oder dem aktiven Filter abgeleitet oder unterdrückt werden, hängt von den Kapazitätswerten und dem Verhältnis der beiden Bauteile zueinander ab. Insbesondere kann der erste Kondensator als ein Y-Kondensator ausgebildet sein.
Es kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der aktive Filter in unmittelbarer Nähe zum Leistungshalbleiter angeordnet ist. Vorzugsweise ist außer der Versorgungsleitung kein weiteres Bauteil zwischen aktivem Filter und dem Leistungshalbleiter ausgebildet. Vorzugsweise ist außer dem Kühlkörper und/oder einem Isolator kein weiteres Bauteil zwischen aktivem Filter und dem Leistungshalbleiter ausgebildet. Durch die Nähe des aktiven Filters zum Leistungshalbleiter können im Vergleich zu bereits bekannten Schaltungen mit aktivem Filter die notwendigen Ströme zum Unterdrücken der Störsignale kleiner gehalten werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die kurzen Leitungen zwischen Leistungshalbleiter, also der Störquelle, und dem aktiven Filter eine Abstrahlung der Störungen minimiert wird. Dadurch wird eine bessere Entstörung, insbesondere im höheren Frequenzbereich, vorzugsweise im Frequenzbereich größer 1 MHz, erhalten. Unter kurzen Leitungen werden insbesondere Leitungen kürzer als 1 0cm, vorzugsweise 5cm verstanden, oder Leitungen kürzer als 1/10 oder 1/30 oder 1/50 der Wellenlänge einer Störstrahlung, entsprechend der Grundschwingung der Schaltfrequenz, vorzugsweise der maximalen Schaltfrequenz, des Leistungshalbleiters verstanden, also insbesondere ohne Betrachtung von Oberwellen.
Vorzugsweise umfasst der aktive Filter einen Verstärker und kann als ein einstufiger oder mehrstufiger aktiver Filter ausgebildet sein. Insbesondere bewirkt der aktive Filter, dass ein an einer Versorgungsleitung abgegriffenes Störsignal in einer Verstärkerschaltung verstärkt und mit entgegengesetzter Polarität als Korrektursignal wieder in die Versorgungsleitung eingespeist wird. Dadurch wird das Störsignal gedämpft bzw. unterdrückt. Auch eine Kombination aus einer passiven Filterschaltung mit einem aktiven Filter ist denkbar.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter auf derselben Leiterplatte bzw. derselben Platine wie der Leistungshalbleiter angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter elektrisch gut leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist, und dass der aktive Filter zugleich gut thermisch isolierend mit dem Kühlkörper verbunden ist. Also dass der aktive Filter elektrisch leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist und thermisch gegen den Kühlkörper isoliert ist. Elektrisch gut leitende Verbindungen sind beispielsweise Verbindungen mit einem elektrischen Widerstand von weniger als 1 Ohm, vorzugsweise weniger als 0,5 Ohm, höchst vorzugsweise weniger als 0,1 Ohm. Thermisch gut isolierende Verbindungen sind beispielsweise Anordnungen oder Verbindungen mit einem Wärmewiderstand von 1 KAN, vorzugsweise 0,5 K/W, höchst vorzugsweise 0,1 K/W. Vorteilhafterweise wird durch die schlechte thermische Leitung ein Aufheizen des aktiven Filters vermieden. Insbesondere ist der aktive Filter derart angeordnet und/oder mit dem Kühlkörper verbunden, dass die Temperatur des aktiven Filters kleiner ist als die Temperatur des Kühlkörpers. Beispielsweise kann der aktive Filter mit einem eigenen Kühlkörper verbunden sein, insbesondere um die Temperatur des aktiven Filters gering zu halten.
Es kann vorgesehen sein das der Leistungshalbleiter elektronisch isoliert an dem Kühlkörper befestigt ist, beispielsweise verschraubt ist, oder verklebt ist, oder verklemmt ist.
Die Versorgungsleitung kann eine Hochspannungsleitung sein. Insbesondere kann die Versorgungsleitung eine Spannung ≥ 50 V, vorzugsweise eine Spannung ≥ 200 V, höchst vorzugsweise eine Spannung ≥ 400 V aufweisen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zwischen Kühlkörper und dem Gehäuse ein Isolator ausgebildet ist, um den Kühlkörper und das Gehäuse galvanisch derart zu trennen, dass der Kühlkörper und das Gehäuse mit dem Isolator einen zweiten Kondensator ausbilden. Alternativ oder ergänzend kann zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse ein zweiter Kondensator angeordnet sein. Der zweite Kondensator schafft für Wechselspannungen oder hochfrequente Störungen einen geringen Übergangswiderstand bzw. eine Überbrückung zwischen Isolator und Gehäuse.
Als Isolator kann vorzugweise Aluminiumoxid, thermisches Silizium, PPL (Polypropylen), PE (Polyethylen), Kunststoffe, Teflon (Polytetrafluorethylen), Luft und/oder Luftschaum verwendet werden. Vorzugweise gilt bei Ausgestaltungen, bei welchen der Kühlkörper und das Gehäuse mit dazwischenliegendem Isolator einen Kondensator ausbilden, als Obergrenze des Abstands zwischen Kühlkörper und Gehäuse eine Größe von maximal 2 cm. Höchst vorzugweise darf der Abstand maximal 10 % der Kantenlänge des Kühlkörpers sein. Beispielsweise kann der Abstand zwischen Kühlkörper und Gehäuse im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste Kondensator und/oder der aktive Filter und/oder der zweite Kondensator jeweils ein Entstörmodul bildet.
Insbesondere kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein Entstörmodul oder eine Entstöranordnung aus einer Reihenschaltung des aktiven Filters und zweiten Kondensators, und einer Parallelschaltung des ersten Kondensators mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter mit dem zweiten Kondensator gebildet ist. Dabei kann der erste Kondensator zur Unterdrückung höherer Frequenzen ausgebildet sein. Die Kapazität des Kondensators kann insbesondere geringer sein als die Kapazität eines vergleichbaren herkömmlichen Y-Kondensators. Der erste Kondensator kann so beispielsweise Störsignale mit höherer Frequenz unterdrücken. Über das aktive Filter können niedrige Frequenzen gedämpft werden. Dadurch kann ein breites Band an Störfrequenzen, insbesondere von niedrigen Störfrequenzen, beispielsweise im KHz Bereich, bis hin zu hohen Störfrequenzen, beispielsweise im Bereich von 100 MHz oder 1 GHz, gedämpft werden. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die in dem ersten Kondensator gespeicherte elektrische Energie auch bei hohen Spannungen auf der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt. Dadurch kann auch bei hohen Versorgungsspannungen und guter Störsignaldämpfung eine hohe Sicherheit gewährleistet werden. Der aktive Filter kann zur effektiven Unterdrückung eines breiten Frequenz-Bandes eingesetzt werden. Durch die Reihenschaltung des aktiven Filters mit dem kapazitätsmäßig relativ kleinen zweiten Kondensator bleibt die aus dieser Reihenschaltung für die Versorgungsleitung resultierende Kapazität gering, so dass die insgesamt gespeicherte Energie auch bei hohen Spannungen der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt.
Durch den Isolator, also der galvanischen Trennung zwischen Kühlkörper und Gehäuse werden Störungen, insbesondere niederfrequente Störungen nicht ungehindert von dem Kühlkörper in die Grundplatte oder das Gehäuse geleitet und können demzufolge von dort nicht in weitere Bauteile eingestrahlt werden. Störungen hoher Frequenz können zwar den zweiten Kondensator passieren, werden jedoch durch den ersten Kondensator und/oder den aktiven Filter wirkungsvoll unterdrückt. Dadurch wird die Entstörung auch für hohe Frequenzen weiter verbessert.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Kondensator eine Kapazität im Bereich von 100 nF bis 5 nF aufweist, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich von 80 nF bis 10 nF aufweist, höchst vorzugweise eine Kapazität im Bereich von 50 nF bis 20 nF aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Kondensator eine Kapazität im Bereich zwischen 10 pF und 100 nF, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich zwischen 20 pF und 20 nF aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des zweiten Kondensators derart bemessen ist, dass die in den Entstörmodulen maximal gespeicherte Energie ≤ 300 mJ ist, vorzugsweise ≤ 200 mJ ist, höchst vorzugsweise ≤ 150 mJ ist. Die in den Entstörmodulen maximal gespeicherte Energie kann einem vorgegebenen Grenzwert entsprechen oder unterhalb desselben liegen.
Üblicherweise wird der erste Kondensator oder der aktive Filter über Anschlussleitungen kontaktiert, die ihrerseits eine bestimmte Induktivität aufweisen. Durch diese Induktivität kann es bei bestimmten Frequenzen, insbesondere höheren Frequenzen, zu unerwünschten Resonanzeffekten kommen. Daher ist man bemüht die Anschlussinduktivität möglichst gering zu halten, beispielsweise durch entsprechende, insbesondere geradlinige Leitungsführung und/oder der Verwendung entsprechend großer Leitungsquerschnitte. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anschlussinduktivität des aktiven Filters zum Kühlkörper jeweils im Bereich von 1 nH bis 100 nH liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 nH und 50 nH liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitung mehrpolig ist und dass zwischen dem Gehäuse und den mehreren Polen der Versorgungsleitung, vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung, jeweils ein erster Kondensator geschaltet ist, und dass zwischen dem Kühlkörper und mehreren Polen der Versorgungsleitung, vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung, jeweils ein aktiver Filter geschaltet ist. Durch diese Anordnung können sowohl einpolige Versorgungsleitungen wie auch mehrpolige Versorgungsleitungen entstört werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der aktive Filter eine Verstärkerschaltung mit einer Vorstufe umfasst, deren Eingang mittels eines galvanisch getrennten Abgriffs symmetrisch mit der Versorgungsleitung verbunden ist, um ein Störsignal abzugreifen, und mit einer von der Vorstufe angesteuerten Endstufe, deren Ausgang über jeweils einen Ausgangskondensator mit dem Kühlkörper symmetrisch verbunden ist, um ein Korrektursignal einzuspeisen, wobei der Abgriff des Störsignals und die Einspeisung des Korrektursignals jeweils an derselben Stelle einer Versorgungsleitung erfolgt. Der Abgriff und die Einspeisung erfolgen galvanisch getrennt. Die galvanische Trennung zwischen dem Verstärker und der Versorgungsleitung im Abgriff des Störsignales sowie bei der Einkopplung des Korrektursignales ermöglicht, dass der Verstärker auf einem niedrigeren Spannungslevel betrieben wird als die zu filternde Versorgungsleitung. Dadurch ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei hohen Spannungen möglich.
Unter Abgriff des Störsignales und der Einspeisung des Korrektursignals an derselben Stelle einer Versorgungsleitung oder des Kühlkörpers versteht man, dass der Abgriff des Störsignals sowie die Einspeisung des Korrektursignals am selben Potential erfolgt, vorzugweise am selben räumlichen Punkt, vorzugsweise über denselben Anschlusspunkt erfolgt. Unter derselben Stelle ist somit das gleiche Wechselstrompotential, das gleiche Gleichstrompotential und die gleiche mechanische Stelle zu verstehen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkerschaltung einen aktiven Filter mit diskreten Halbleitern, vorzugsweise Transistoren, aufweist. Dadurch fallen die Komponenten des aktiven Filters deutlich kleiner und auch billiger aus und können in bevorzugten Ausführungen auf der Platine des Leistungshalbleiters angeordnet werden.
Um bei dem Abgriff des Sensorsignales und der Einspeisung des Korrektursignales an derselben Stelle eine hohe Störsignalunterdrückung zu erzielen ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verstärker eine kleine Signallaufzeit aufweist. Dadurch werden Phasenverschiebungen zwischen dem Störsignal und dem Korrektursignal minimiert. Auf diese Weise können insbesondere auch transiente oder stochastische Störungen sehr gut unterdrückt werden. Übliche aktive Filter weisen eine entsprechend lange Einschwingzeit auf und sind zur Unterdrückung von transienten oder stochastischen Störungen nicht geeignet. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verstärkerschaltung eine Signallaufzeit zwischen Eingang und Ausgang aufweist, die kleiner gleich 20 ns, vorzugsweise kleiner gleich 10 ns, höchst vorzugsweise kleiner gleich 6 ns, ist. Dadurch ist eine gute Unterdrückung von Störsignalen bis in einen hohen Frequenzbereich, vorzugsweise bis 4 MHz und darüber möglich. Der Frequenzbereich mit der besten Störsignalunterdrückung kann vorzugsweise zwischen 1 Hz und 10 MHz liegen, höchst vorzugsweise zwischen 100 kHz und 4 MHz liegen.
Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Vorstufe als einstufiger oder zweistufiger Verstärker aufgebaut ist. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Vorstufe einen Tiefpass oder Bandpass bildet. Der Verstärker kann als aktiver Filter mit diskreten Halbleitern, vorzugsweise Transistoren und/oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sein. Der Bandpass, vorzugsweise durch RC-Glieder oder LC-Glieder im Übertragungsweg, beschränkt nach unten (niedrige Frequenzen) die Nutzfrequenz der Vorrichtung und verhindert nach oben (höhere Frequenzen) die Schwingungsneigungen des Verstärkers, indem die Verstärkung im hohen Frequenzbereich abgesenkt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Endstufe als Gegentaktendstufe und/oder als Stromspiegel ausgebildet ist.
Zur Erhöhung des Ausgangsstromes kann vorgesehen sein, dass die Endstufe kaskadierbar ist bzw. dass die Vorstufe mehrere kaskadierbare Endstufen ansteuert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorstufe zwei kaskadierte Endstufen oder bis zu acht kaskadierte Endstufen ansteuert.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Traktionsnetz eines Fahrzeugs, umfassend eine Batterie oder einen aufladbaren Akku, einen Traktionsmotor und einen mit dem Traktionsmotor verbundenen Inverter zum Steuern des Traktionsmotors sowie eine zwischen Batterie und Inverter verlaufende Versorgungsleitung, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Inverter eine Leistungsstufe nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispielen aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Versorgungsleitung zwischen Batterie und Inverter eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist und/oder dass in einer Versorgungsleitung zwischen Inverter und Traktionsmotor eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist.
Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitung und der Kühlkörper jeweils zwischen der Stelle des Abgriffs des Störsignals und der Spannungsquelle entweder eine Drossel aufweist, und/oder eine höhere Impedanz als zwischen der Stelle des Abgriffs des Störsignals und einer Störquelle aufweist.
Die Drossel stellt eine erhöhte Induktivität dar und verhindert, dass das eingespeiste Korrektursignal von einer kleinen Impedanz der Stromquelle belastet wird. Über die Drossel wird somit eine erhöhte Störsignalunterdrückung erzielt. Durch den Abgriff und die Einspeisung an derselben Stelle wird bei einer hohen Störsignalunterdrückung zugleich eine besonders einfache Implementierung der Vorrichtung in bestehende Systeme erreicht. Eine Anpassung oder eine Änderung von bestehenden Versorgungsleitungen ist nicht notwendig. Die Versorgungsleitung, auf der eine hohe Leistung transportiert wird, muss zudem nicht über den Verstärker geführt werden. Dies vermindert EMV-Probleme und eine Nachrüstung bestehender Systeme wird stark vereinfacht.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachstehend beschrieben. Dabei zeigen:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit einer Versorgungsleitung;
2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit mehreren Versorgungsleitungen;
3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit einer Versorgungsleitung und galvanisch isoliertem Kühlkörper;
4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe mit mehreren Versorgungsleitungen und galvanisch isoliertem Kühlkörper;
5: Darstellung einer Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels aus 3;
6a: Simulation der Störunterdrückung ohne aktiven Filter;
6b: Simulation der Störunterdrückung durch das dritte Ausführungsbeispiel aus 3;
7: Simulation des Zeitverlaufs in dem dritten Ausführungsbeispiel aus 3.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe 1. Ein Leistungshalbleiter 10 ist thermisch verbunden auf einem Kühlkörper 11 angeordnet und der Kühlkörper 11 auf einem Gehäuse 12. Zwischen dem Leistungshalbleiter 10 und dem Kühlkörper 11 kann vorzugsweise ein erster Isolator 13 angeordnet sein, wobei die Wärmeübertragung zwischen Leistungshalbleiter 10 und Kühlkörper 11 trotz Isolator 13 möglichst gut erhalten bleibt, um die Wärme des Leistungshalbleiters 10 über den Kühlkörper 11 abzuleiten.
Der Leistungshalbleiter 10 in 1 wird über eine Versorgungsleitung 20 mit elektrischer Energie versorgt, beispielsweise durch eine Batterie. Zwischen der Versorgungsleitung 20 und dem Gehäuse 12 ist ein Entstörmodul 30 angeordnet.
Das Endstörmodul 30 setzt sich in 1 aus einem ersten Kondensator 31 und einem aktiven Filter 35 zusammen, welche parallel zueinander geschaltet sind.
Der erste Kondensator 31 ist zwischen der Versorgungsleitung 20 und dem Gehäuse 12 angeordnet. Der aktive Filter 35 ist zwischen der Versorgungsleitung 20 und dem Kühlkörper 11 angeordnet. Dabei kann der erste Kondensator 31 zur Unterdrückung höherer Frequenzen ausgebildet sein. Die Kapazität des ersten Kondensators 31 kann insbesondere geringer sein als die Kapazität eines vergleichbaren herkömmlichen Y-Kondensators. Der erste Kondensator 31 kann so beispielsweise Störsignale mit höherer Frequenz unterdrücken. Über den aktive Filter 35 können niedrige Frequenzen gedämpft werden. Dadurch kann ein breites Band an Störfrequenzen, insbesondere von niedrigen Störfrequenzen, beispielsweise im KHz Bereich, bis hin zu hohen Störfrequenzen, beispielsweise im Bereich von 100 MHz oder 1 GHz, gedämpft werden. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die in dem ersten Kondensator gespeicherte elektrische Energie auch bei hohen Spannungen auf der Versorgungsleitung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes bleibt. Dadurch kann auch bei hohen Versorgungsspannungen und guter Störsignaldämpfung eine hohe Sicherheit gewährleistet werden. Der aktive Filter 35 kann zur effektiven Unterdrückung eines breiten Frequenz-Bandes eingesetzt werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe 1. Die Leistungsstufe 1 in 2 unterscheidet sich von der Leistungsstufe 1 in 1 nur darin, dass der Leistungshalbleiter 10 über zwei Versorgungsleitungen 20 mit elektrischer Energie versorgt wird und weiter zwei erste Kondensatoren 31 und zwei aktive Filter 35 ausgebildet sind.
Die ersten Kondensatoren 31 in 2 sind jeweils zwischen der ersten Versorgungsleitung 20 und dem Gehäuse 12 angeordnet. Die aktiven Filter 35 in 2 sind jeweils zwischen der ersten Versorgungsleitung 20 und dem Kühlkörper 11 angeordnet. Wesentlich dabei ist, dass jede Versorgungsleitung 20 über jeweils einen ersten Kondensatoren 31 und einen aktiven Filter 35 einmal mit dem Gehäuse 12 und einmal mit dem Kühlkörper 11 verbunden ist. Vorzugsweise können auch mehr als zwei Versorgungsleitungen 20 mit dem Leistungshalbleiter 10 verbunden sein, wobei jede Versorgungsleitung 20 über einen ersten Kondensator 31 und einen aktiven Filter 35 mit dem Kühlkörper 11 und dem Gehäuse 12 verbunden ist.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe 1. Die Leistungsstufe 1 in 3 unterscheidet sich von der Leistungsstufe 1 in 1 nur darin, dass der Kühlkörper 11 vom Gehäuse 12 galvanisch isoliert ausgebildet ist. Zwischen dem Kühlkörper 11 und dem Gehäuse 12 ist ein zweiter Isolator 14 angeordnet.
In 3 ist ein zweiter Kondensator 32 zwischen dem Kühlkörper 11 und dem Gehäuse 12 ausgebildet. Dieser zweite Kondensator 32 kann durch die Anordnung des Kühlkörpers 11 und des Gehäuses 12 und den dazwischenliegenden zweiten Isolator 14 ausgebildet sein. Es sind auch Ausführungen möglich, in denen zwischen dem Kühlkörper 11 und dem Gehäuse 12 der zweite Kondensator 32 angeordnet ist.
In 3 wird das Entstörmodul 30 aus einer Parallelschaltung des ersten Kondensators 31 mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter 35 und zweiten Kondensatoren 32 gebildet. Die Kapazität des zweiten Kondensators 32 ist dabei so bemessen, dass die im Entstörmodul 30 maximal gespeicherte Energie ≤ 300 mJ ist, vorzugsweise ≤ 200 mJ ist, höchst vorzugsweise ≤ 150 mJ ist.
4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsstufe 1. Die Leistungsstufe 1 in 4 unterscheidet sich von der Leistungsstufe 1 in 3 nur darin, dass der Leistungshalbleiter 10 über zwei Versorgungsleitungen 20 mit elektrischer Energie versorgt wird und weiter zwei erste Kondensatoren 31 und zwei aktive Filter 35 ausgebildet sind.
Die ersten Kondensatoren 31 in 4 sind jeweils zwischen der ersten Versorgungsleitung 20 und dem Gehäuse 12 angeordnet. Die aktiven Filter 35 in 4 sind jeweils zwischen der ersten Versorgungsleitung 20 und dem Kühlkörper 11 angeordnet. Wesentlich dabei ist, dass jede Versorgungsleitung 20 über jeweils einen Kondensatoren 31 einmal mit dem Gehäuse 12 und über den aktiven Filter 35 einmal mit dem Kühlkörper 11 verbunden ist. Vorzugsweise können auch mehr als zwei Versorgungsleitungen 20 mit dem Leistungshalbleiter 10 verbunden sein, wobei jede Versorgungsleitung 20 über einen ersten Kondensator 31 und einen aktiven Filter 35 mit dem Kühlkörper 11 und dem Gehäuse 12 verbunden ist.
Das Entstörmodul 30 der ersten Versorgungsleitung 20 in 4 wird gebildet aus einer Parallelschaltung des ersten Kondensators 31 der ersten Versorgungsleitung 20 mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter 35 der ersten Versorgungsleitung 20 und dem zweiten Kondensator 32. Das Entstörmodul 30 der zweiten Versorgungsleitung 20 in 4 wird gebildet aus einer Parallelschaltung des ersten Kondensators 31 der zweiten Versorgungsleitung 20 mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter 35 der zweiten Versorgungsleitung 20 und dem zweiten Kondensator 32.
5 ist eine Darstellung einer Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels aus 3. Die Leistungsstufe 1 ist zwischen einer Batterie 40 und einem Motor 41 angeordnet und mit diesen über die Versorgungsleitung 20 verbunden. In 5 bilden die Spulen die parasitären Induktivitäten der Leitungen, Anschlüsse und Stromschienen ab.
Der vorzugsweise ausgebildete erste Isolator 13 zwischen dem Leistungshalbleiter 10 und dem Kühlkörper 11 in den 1 bis 5 trennt den Kühlkörper und das Gehäuse galvanisch voneinander. Es sind Ausführungen möglich, bei denen durch die Anordnung des Leistungshalbleiters 10, des Kühlkörpers 11 und des ersten Isolators 13 ein dritter Kondensator 33 ausgebildet wird.
6b zeigt Simulationsergebnisse des dritten Ausführungsbeispiels aus 3 mit einer Schaltung gemäß 5, d.h. mit aktivem Filter 35, wobei dagegen die 6a Simulationsergebnisse ohne aktiven Filter 35 zeigt.
7 zeigt die zeitliche Entwicklung eines Signals mit der hellgrauen Linie für eine Schaltung gemäß 5 mit aktivem Filter 35 und mit schwarzer Linie für eine Schaltung ohne aktiven Filter 35.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsstufe
10: Leistungshalbleiter
11: Kühlkörper
12: Gehäuse
13: erster Isolator
14: zweiter Isolator
20: Versorgungsleitung
30: Entstörmodul
31: erster Kondensator
32: zweiter Kondensator
33: dritter Kondensator
35: aktiver Filter
40: Batterie
41: Motor

Claims

Leistungsstufe (1) zum Ansteuern eines Elektromotors, vorzugsweise Leistungsstufe (1) eines Spannungswandlers oder eines Umrichters oder eines Inverters oder eines Fahrtreglers zum Ansteuern eines Elektromotors oder Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs, umfassend einen steuerbaren oder schaltbaren Leistungshalbleiter (10), der über eine Versorgungsleitung (20) mit elektrischer Energie versorgt wird, und einen mit dem Leistungshalbleiter (10) thermisch verbundenen Kühlkörper (11), und ein Gehäuse (12) zum Haltern und/oder Aufnehmen des Leistungshalbleiters (10) und des Kühlkörpers (11), und einem ersten Kondensator (31) zum Unterdrücken hochfrequenter Störungen, wobei der erste Kondensator (31) zwischen der Versorgungsleitung (20) und dem Gehäuse (12) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktiver Filter (35) zwischen der Versorgungsleitung (20) des Leistungshalbleiters (10) und dem Kühlkörper (11) geschaltet ist.
Leistungsstufe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Filter (35) in unmittelbarer Nähe zum Leistungshalbleiter (10) angeordnet ist, vorzugsweise ist außer der Versorgungsleitung (20) kein weiteres Bauteil zwischen aktiven Filter (35) und dem Leistungshalbleiter (10) ausgebildet, höchst vorzugsweise ist außer dem Kühlkörper (11) und/oder einem Isolator (12) kein weiteres Bauteil zwischen aktiven Filter (35) und dem Leistungshalbleiter (10) ausgebildet.
Leistungsstufe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Filter (35) einen Verstärker umfasst und als ein einstufiger oder mehrstufiger aktiver Filter (35) ausgebildet ist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Filter (35) auf derselben Leiterplatte oder derselben Platine wie der Leistungshalbleiter (10) angeordnet ist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Filter (35) elektrisch gut leitend mit den Kühlkörper (11) verbunden ist, und dass der aktive Filter (35) gut thermisch isolierend mit dem Kühlkörper (11) verbunden ist, vorzugsweise dass der aktive Filter (35) thermisch gegen dem Kühlkörper (11) isoliert ist, und/oder dass der Leistungshalbleiter (10) elektronisch isoliert an dem Kühlkörper (11) befestigt, beispielsweise verschraubt, oder verklebt, oder verklemmt ist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (20) eine Hochspannungsleitung ist, vorzugsweise dass die Versorgungsleitung (20) eine Spannung ≥ 50 V, vorzugsweise eine Spannung ≥ 200 V, höchst vorzugsweise eine Spannung ≥ 400 V aufweist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kühlkörper (11) und dem Gehäuse (12) ein Isolator (12) ausgebildet ist, um den Kühlkörper (11) und das Gehäuse (12) galvanisch derart zu trennen, dass der Kühlkörper (11) und das Gehäuse (12) mit dem Isolator (12) einen zweiten Kondensator (32) ausbilden, vorzugsweise dass zwischen dem Kühlkörper (11) und dem Gehäuse (12) ein zweiter Kondensator (32) angeordnet sein kann.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (31) und/oder der aktive Filter (35) und/oder der zweite Kondensator (32) jeweils ein Entstörmodul (30) bildet, vorzugsweise dass das Entstörmodul (30) oder eine Entstöranordnung aus einer Reihenschaltung des aktiven Filters (35) und des zweiten Kondensators (32), und einer Parallelschaltung des ersten Kondensators (31) mit dem in Reihe geschalteten aktiven Filter (35) mit dem zweiten Kondensator (32) gebildet ist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (31) eine Kapazität im Bereich von 100 nF bis 5 nF aufweist, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich von 80 nF bis 10 nF aufweist, höchst vorzugweise eine Kapazität im Bereich von 50 nF bis 20 nF aufweist, und/oder dass der zweite Kondensator (32) eine Kapazität im Bereich zwischen 10 pF und 100 nF, vorzugsweise eine Kapazität im Bereich zwischen 20 pF und 20 nF aufweist, und/oder dass die Kapazität des zweiten Kondensators (32) derart bemessen ist, dass die in den Entstörmodulen (20) maximal gespeicherte Energie ≤ 300 mJ ist, vorzugsweise ≤ 200 mJ ist, höchst vorzugsweise ≤ 150 mJ ist, und/oder dass die Anschlussinduktivität des aktiven Filters (35) zum Kühlkörper (11) jeweils im Bereich von 1 nH bis 100 nH liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 nH und 50 nH liegt.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (20) mehrpolig ist und dass zwischen dem Gehäuse (12) und den mehreren Polen der Versorgungsleitung (20), vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung (20), jeweils ein erster Kondensator (31) geschaltet ist, und dass zwischen dem Kühlkörper (11) und mehreren Polen der Versorgungsleitung (20), vorzugsweise allen Polen der Versorgungsleitung (20), jeweils ein aktiver Filter (35) geschaltet ist.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Filter (35) eine Verstärkerschaltung mit einer Vorstufe umfasst, deren Eingang mittels eines galvanisch getrennten Abgriffs symmetrisch mit der Versorgungsleitung (20) verbunden ist, um ein Störsignal abzugreifen, und mit einer von der Vorstufe angesteuerten Endstufe, deren Ausgang über jeweils einen Ausgangskondensator mit dem Kühlkörper (11) symmetrisch verbunden ist, um ein Korrektursignal einzuspeisen, wobei der Abgriff des Störsignals und die Einspeisung des Korrektursignals jeweils an derselben Stelle einer Versorgungsleitung (20) erfolgt.
Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung einen aktiven Filter (35) mit diskreten Halbleitern, vorzugsweise Transistoren, aufweist.
Traktionsnetz eines Fahrzeugs, umfassend eine Batterie (40) oder einen aufladbaren Akku, einen Traktionsmotor (41) und einen mit dem Traktionsmotor (41) verbundenen Inverter zum Steuern des Traktionsmotors (41) sowie eine zwischen Batterie (40) und Inverter verlaufende Versorgungsleitung (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter eine Leistungsstufe (1) nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispielen aufweist.
Traktionsnetz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung (20) zwischen Batterie (40) und Inverter eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist und/oder dass in einer Versorgungsleitung (20) zwischen Inverter und Traktionsmotor (41) eine Drossel zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen angeordnet ist.