DE102021200781A1

DE102021200781A1 - Elektronikeinheit für ein Elektrogerät

Info

Publication number: DE102021200781A1
Application number: DE102021200781.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp ZIPF; Soenke Schuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-07-28
Also published as: CN116888876A; EP4285478A1; US20240088783A1; WO2022161732A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikeinheit (10) für ein Elektrogerät, insbesondere für ein motorbetriebenes Elektrogerät, mit einer insbesondere einseitig bestückten Leiterplatte (40), die eine Mehrzahl von Leistungstransistoren (16) zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last (12), insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors (14), des Elektrogeräts aufweist, wobei jeder Phase (U, V, W) der Last (12) zumindest ein Leistungstransistor (16) zugeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest einem der Leistungstransistoren (16) einer ersten Phase (W) mit der höchsten Streu-Induktivität ein erstes elektrisches Dämpfungsglied (30, 32) zur Dämpfung von durch die Schaltvorgänge der Leistungstransistoren (16) hervorgerufenen Transienten parallel geschaltet ist und dass für mindestens eine der übrigen Phasen (U, V), insbesondere für die Phase (U) mit der geringsten Streu-Induktivität, kein derartig wirkendes elektrisches Dämpfungsglied (30, 32) vorgesehen ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Elektrogerät, insbesondere ein motorgetriebenes Elektrogerät, mit einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit (10) zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last (12), insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronikeinheit für ein Elektrogerät nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Elektrogerät mit einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit.
Stand der Technik
Aus der US 2018/0269793 A1 ist eine als Inverter ausgebildete Elektronikeinheit zum Schalten einer elektrischen Last mittels mehrere Leistungstransistoren für jede Phase der Last bekannt. Die Elektronikeinheit weist je Phase einen High-Side- und einen Low-Side-Transistorschalter auf, um die Last per pulsweitenmoduliertem Signal (PWM) anzusteuern. Durch die Schaltvorgänge der Leistungstransistoren kommt es in der Regel jedoch zu Spannungsspitzen bzw. Transienten, die zu elektromagnetischen Störungen für weitere elektrische Komponenten und ggf. zu deren Zerstörung führen können. Auch die Leistungstransistoren selbst können in Mitleidenschaft gezogen werden. Um dies zu vermeiden, ist je Phase ein aus mindestens einem Kondensator und einer Diode bestehendes Dämpfungsglied (ein so genannter Snubber) zur Dämpfung der Spannungsspitzen bzw. Transienten vorgesehen.
In der Regel sind derartige Elektronikeinheiten zum Schalten elektrischer Lasten als eine Leiterplatte mit darauf montierten und über Leiterbahnen verbundenen Bauelementen ausgestaltet. Die Amplituden der Transienten sind dann unter anderem abhängig von der zeitlichen Änderung des Laststroms (dl/dt), die wiederum ein Leiterplatten spezifischer Parameter in Form der Streu-Induktivität der Leiterplatte und der Bandbreite sowie der charakteristischen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente ist.
Neben der Verwendung von Snubbern können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen zur Reduzierung von Schaltspannungsspitzen bzw. zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit einer entsprechenden Elektronikeinheit beitragen. So ist es beispielsweise möglich, Leistungstransistoren mit einer hohen Überspannungsfestigkeit und/oder geringeren Schaltzeiten zu verwenden. Ersteres führt jedoch zu erhöhten Kosten, da entsprechende Leistungstransistoren deutlich teurer sind, während Letzteres höhere Schaltverluste zur Folge hat und zudem den Einsatz für bestimmte Anwendungen mit besonderen Anforderungen an möglichst kurze Ein- und Ausschaltzeiten der Leistungstransistoren verbietet. Die Anwendung von Snubbern für jede Phase der Elektronikeinheit hat dagegen den Nachteil, dass zum einen mehr Bauraum auf der Leiterplatte benötigt wird und zum anderen thermische Verluste in den Snubbern entstehen.
Ist die Leiterplatte der Elektronikeinheit nur einseitig bestückbar, so kann ein Snubber nicht auf der anderen Leiterplattenseite vorgesehen werden, was wiederum zur Folge hat, dass die Abmessungen der Elektronikeinheit vergrößert werden müssen, da ein Snubber zur bestmöglichen Störunterdrückung möglichst nah an dem zu schützenden Halbleiterschalter bzw. Leistungstransistor positioniert werden muss. Jeder zusätzliche Snubber kann dann zudem die Streu-Induktivität der jeweiligen Phase erhöhen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend vom bekannten Stand der Technik eine Elektronikeinheit für ein Elektrogerät bereitzustellen, die bei minimalem Bauraum, insbesondere einer einseitig bestückten Leiterplatte, eine ausreichende Unterdrückung der Transienten von Leistungstransistoren für eine mehrphasige, elektrische Last gewährleistet.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektronikeinheit für ein Elektrogerät, insbesondere für ein motorbetriebenes Elektrogerät, mit einer insbesondere einseitig bestückten Leiterplatte, die eine Mehrzahl von Leistungstransistoren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last, insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors, des Elektrogeräts aufweist, wobei jeder Phase der Last zumindest ein Leistungstransistor zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einem der Leistungstransistoren einer ersten Phase mit der höchsten Streu-Induktivität ein erstes elektrisches Dämpfungsglied zur Dämpfung von durch die Schaltvorgänge der Leistungstransistoren hervorgerufenen Transienten parallelgeschaltet ist und dass für mindestens eine der übrigen Phasen, insbesondere für die Phase mit der geringsten Streu-Induktivität, kein derartig wirkendes elektrisches Dämpfungsglied vorgesehen ist. Mit Vorteil können durch die gezielte Anwendung von Snubbern nur für bestimmte Leistungstransistoren bei kleinstmöglichem Bauraum der Elektronikeinheit wirkungsvoll Transienten in kritischen Bauelementen reduziert bzw. vermieden werden. Die Erfindung ermöglich so überdies ein schnelles Schalten der die elektrische Last ansteuernden Leistungstransistoren in Verbindung mit einer hohen Zuverlässigkeit. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung für so genannte IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) aufgrund ihrer einseitigen Bestückung (Single Layer) anwenden. Zudem wird auf diese Weise die Gesamt-Streu-Induktivität aller Phasen nicht erhöht. Die Erfindung kann jedoch auch in Elektronikeinheiten mit mehrschichtigen Leiterplatten Anwendung finden, indem das Dämpfungsglied-Netzwerk unter Berücksichtigung der Streu-Induktivität und der Laststromänderung dl/dt der jeweiligen Anwendung ausgelegt wird.
Als Elektrogeräte im Kontext der Erfindung sollen alle per Netzstrom oder Energiespeicher, wie z.B. Batterien, Wechselakkupacks oder fest integrierte Akkus, versorgbaren, elektrisch betriebenen Geräte mit einer mehrphasigen Last, insbesondere mit einem mehrphasigen Elektromotor, verstanden werden, bei denen die erfindungsgemäße Elektronikeinheit zur Dämpfung von durch die Schaltvorgänge ihrer Leistungstransistoren hervorgerufenen Störungen zum Einsatz kommen kann. Als elektromotorischer Antrieb kommen dabei insbesondere elektrisch kommutierte Motoren (so genannte EC- bzw. BLDC-Motoren) in Frage, deren einzelne Phasen über die Leistungstransistoren der Elektronikeinheit per Pulsweitenmodulation zur Steuerung bzw. Regelung ihrer Drehzahl und/oder ihres Drehmoments angesteuert werden. So kann die Erfindung beispielweise auf Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektromotorisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs, wie Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen, angewendet werden. Aber auch in Haushaltgeräten, wie Staubsauger, Mixer, Küchenmaschinen, Kochfelder oder dergleichen, Gartengeräten, wie Rasenmäher, Häcksler, Astsägen, etc., Baumaschinen, wie z.B. Betonmischer oder elektromotorisch angetriebenen Fahr- und Flugzeugen, etc. ist eine Anwendung der Erfindung denkbar.
Der Begriff Leiterplatte kann sowohl eine feste als auch eine flexible Platine mit bedruckten bzw. geätzten Leiterbahnen, insbesondre Kupfer-Leiterbahnen, umfassen, wobei die Platine derart ausgestaltet ist, dass sie ein oder mehrere passive oder aktive elektronische Bauelemente in Form von Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Dioden, Transistoren, integrierten Schaltkreise etc. trägt. Mit besonderem Vorteil kommt die Erfindung bei so genannten IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) aufgrund ihrer einseitigen Bestückung (Single Layer) zur Anwendung. Auf die Ausgestaltungsmöglichkeiten derartigen Leiterplatten soll hier nicht näher eingegangen werden, da sie dem Fachmann hinlänglich bekannt sind.
Die Leistungstransistoren der Elektronikeinheit sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es kommen aber auch Leistungstransistoren in Form anderer Feldeffekt-Transistoren, Bipolar-Transistoren, IGBTs oder dergleichen in Frage.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Phase der Last ein mit einem ersten Bezugspotential, insbesondere einem Versorgungspotential, verbundener High-Side-Leistungstransistor und ein mit einem zweiten Bezugspotential, insbesondere einer elektrischen Masse, verbundener Low-Side-Leistungstransistor zugeordnet ist. Im Falle eines dreiphasigen Elektromotors ist die Elektronikeinheit somit als B6-Leistungsbrücke ausgebildet. Das erste elektrische Dämpfungsglied ist dann dem Low-Side-Leistungstransistor oder dem High-Side-Leistungstransistor der ersten Phase parallelgeschaltet. Es sind aber auch andere Schaltungstopologien, wie z.B. eine H-Brücke oder nur ein einzelner Leistungstransistor pro Phase denkbar.
Ergänzend ist zumindest ein zweites elektrisches Dämpfungsglied dem Low-Side-Leistungstransistor oder dem High-Side-Leistungstransistor einer zweiten Phase parallelgeschaltet. Dabei weist die zweite Phase vorzugsweise die zweithöchste Streu-Induktivität auf. Somit sind die Bauelemente, insbesondere die Leistungstransistoren, zum Schalten der ersten Phase mit der höchsten Streu-Induktivität und die Bauelemente, insbesondere die Leistungstransistoren, zum Schalten der zweiten Phase mit der zweithöchsten Streu-Induktivität geschützt. Bei einer dreiphasigen Last hat dies mit besonderem Vorteil zum einen keinen Einfluss auf die Streu-Induktivität der dritten Phase, während zum anderen nur wenig mehr Platz auf der Leiterplatte der Elektronikeinheit benötigt wird.
Durch die Parallelschaltung der elektrischen Dämpfungsglieder zu den Leistungstransistoren der ersten und der zweiten Phase erhöhen sich jeweils auch deren Streu-Induktivitäten und internen Widerstände. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das zumindest eine zweite elektrische Dämpfungsglied zwischen der ersten und der zweiten Phase geschaltet ist. Demzufolge soll ein einem Leistungstranstor einer Phase parallel geschaltetes elektrisches Dämpfungsglied im Weiteren auch als vertikaler Snubber und ein zwischen zwei Leistungstransistoren zweier Phasen geschaltetes elektrisches Dämpfungsglied als horizontaler Snubber bezeichnet werden. Mit besonderem Vorteil kann so neben der Phase mit der höchsten Streu-Induktivität die Phase mit der höchsten elektrischen und thermischen Belastung gegenüber Transienten während der Schaltvorgänge der entsprechenden Leistungstransistoren geschützt werden. Des Weiteren werden durch den horizontalen Snubber die Streu-Induktivitäten der Phasen nicht erhöht und es ist möglich, den Bauraum der Elektronikeinheit durch die Kombination mit dem vertikalen Snubber gegenüber der Lösung mit mehreren horizontalen Snubbern weiter zu reduzieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine zweite als horizontaler Snubber ausgebildete, elektrische Dämpfungsglied derart zwischen die zwei Phasen geschaltet ist, dass es jeweils mit einem Knotenpunkt zwischen dem Low-Side- und dem High-Side-Leistungstransistor der beiden Phase verbunden ist.
Zur Vermeidung eines falsch gerichteten, hohen Stromflusses zwischen den einzelnen Phasen ist zumindest das als horizontaler Snubber ausgebildete zweite elektrische Dämpfungsglied als ein RDC-Glied mit jeweils zumindest einem Widerstand, einer Diode und einem Kondensator aufgebaut.
Insbesondere in Verbindung mit einer dreiphasigen Last ist vorgesehen, dass für die zweite Phase zusätzlich zumindest ein drittes als horizontaler Snubber ausgebildetes Dämpfungsglied vorgesehen ist, das gegenüber einer dritten Phase wirkt. Somit können Transienten der zweiten Phase durch entsprechende Polung der Dioden der horizontalen Snubber in Abhängigkeit von der PWM-Taktung in beide Stromflussrichtungen über die erste und die dritte Phase gedämpft werden.
Die Erfindung betrifft überdies ein Elektrogerät, insbesondere ein motorgetriebenes Elektrogerät, mit einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last, insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors. Dabei kann die mehrphasige Last insbesondere als ein dreiphasiger EC-Motor ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Elektronikeinheit eine B6-Leistungsbrücke zur Ansteuerung des EC-Motors aufweist. Wie bereits erwähnt, können aber je nach Ausgestaltung der mehrphasigen Last auch andere Schaltungstopologien, wie eine H-Brücke oder ein einzelner Leistungstransistor je Phase in Frage kommen.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 7 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors in einer ersten Ausführungsform,
2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer Leiterplatte gemäß 1,
3: ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors in einer zweiten Ausführungsform,
4: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer Leiterplatte gemäß 3,
5: ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors in einer dritten Ausführungsform
6: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer Leiterplatte gemäß 5,
7: Diagramme des Schaltverhaltens sowie der zugehörigen Transienten für das dritte Ausführungsbeispiel gemäß der 5 und 6 bei eingeschaltetem Low-Side-Leistungstransistor der ersten Phase (7a) und bei ausgeschaltetem Low-Side-Leistungstransistor der ersten Phase (7b) und
8: ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors in einer vierten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 10 für ein nicht näher gezeigtes Elektrogerät dargestellt. Wie eingangs bereits erwähnt, kann als Elektrogerät im Kontext der Erfindung jedes per Netzstrom oder Energiespeicher, wie z.B. Batterien, Wechselakkupacks oder fest integrierte Akkus, versorgbare, elektrisch betriebene Gerät mit einer mehrphasigen Last 12, insbesondere mit einem mehrphasigen Elektromotor 14, verstanden werden, bei dem die Elektronikeinheit 10 zur Dämpfung von durch die Schaltvorgänge ihrer Leistungstransistoren 16 hervorgerufenen Störungen zum Einsatz kommen kann. So kann die Elektronikeinheit 10 beispielweise auf Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektromotorisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs, wie Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen, angewendet werden. Aber auch in Haushaltgeräten, wie Staubsauger, Mixer, Küchenmaschinen, Kochfelder oder dergleichen, Gartengeräten, wie Rasenmäher, Häcksler, Astsägen, etc., Baumaschinen, wie z.B. Betonmischer oder elektromotorisch angetriebenen Fahr- und Flugzeugen, etc. ist eine Anwendung der Elektronikeinheit 10 denkbar.
Die Leistungstransistoren 16 der Elektronikeinheit 10 dienen zur Ansteuerung der einzelnen Phasen U, V, W des Elektromotors 14 mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM). Dabei sind mit 18 die den Phasen U, V, W zugehörigen Wicklungen des Elektromotors 14 bezeichnet. Die Wicklungen 18 einer Phase U, V, W können sich auch über mehrere nicht gezeigte Statorzähne eines Stators des als EC-Motor ausgebildeten Elektromotors 14 verteilen, wobei die Statorzähne einer Phase U, V, W jeweils einen Statorpol ausbilden. Die Leistungstransistoren 16 der Elektronikeinheit 10 definieren eine so genannte Leistungsbrücke 20, die mit einem ersten Bezugspotential Vi, insbesondere einem Versorgungspotential V₊, und mit einem zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere einem Massepotential GND, versorgt wird. Mittels zumindest eines zwischen dem ersten Bezugspotential V₁ und dem zweiten Bezugspotential V₂ geschalteten Filterkondensators 22 können hochfrequente Störungen, die über der Elektronikeinheit 10 abfallen, ausgefiltert werden. Ein Shunt-Widerstand 24 dient zur Messung des Laststroms I, der in den Wicklungen 18 des Elektromotors 14 umgesetzt wird.
Die in einer Sternschaltung verschalteten Wicklungen 18 des Elektromotors 14 werden mittels einer als B6-Leistungsbrücke ausgebildeten Leistungsbrücke 20, die je Phase U, V, W einen High-Side-Leistungstransistor 26 und einen Low-Side-Leistungstransistor 28 aufweist, geschaltet. Die bevorzugt als MOSFETs ausgebildeten Leistungstransistoren 16 können jeweils über einen nicht näher gezeigten Steuerkontakt, insbesondere einen Gate-Anschluss, zur Erzeugung des PWM-Signals durch eine ebenfalls nicht näher gezeigte Steuer- oder Regelelektronik angesteuert werden.
Die PWM-Ansteuerung der Wicklungen 18 der Statorpole des Elektromotors 14 mittels der B6-Leistungsbrücke 20 erfolgt in bekannter Weise derart, dass jeweils die High-Side- und Low-Side-Leistungstransistoren 26 bzw. 28 einer Phase U, V, W im Wechsel zueinander ein- und ausgeschaltet werden und dass das Ein- und Ausschalten der Leistungstransistoren 16 von einer zur nächsten Phase mit einem Phasenversatz von 120° el. erfolgt, so dass die Bestromung der Wicklungen 18 zu einer entsprechenden Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors 14 führt. Da die PWM-Ansteuerung eines Elektromotors mittels einer B6-Leistungsbrücke 20 dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, soll hierauf jedoch nicht weiter eingegangen werden. Wesentlich für die Erfindung ist vielmehr, dass es aufgrund der Schaltvorgänge der Leistungstransistoren 16 in der Regel zu Spannungsspitzen bzw. Transienten kommt, die zu elektromagnetischen Störungen für weitere elektrische Komponenten und ggf. zu deren Zerstörung führen können. Neben einer B6-Leistungsbrücke 20 kommen in Abhängigkeit von der anzusteuernden mehrphasigen Last 12 auch andere Schalttopologien, wie eine H-Brücke oder ein einzelner Leistungstransistor je Phase in Frage.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einem der Leistungstransistoren 16 einer ersten Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität ein elektrisches Dämpfungsglied bzw. ein so genannter Snubber 30 zur Dämpfung der durch die Schaltvorgänge der Leistungstransistoren 16 hervorgerufenen Transienten parallelgeschaltet ist und dass mindestens eine der übrigen Phasen U, V, insbesondere die Phase mit der geringsten Streu-Induktivität, kein derartiges elektrisches Dämpfungsglied 30 aufweist. Die Parallelschaltung des Dämpfungsglieds 30 zu zumindest einem der Leistungstransistoren 16 soll nachfolgend auch als vertikaler Snubber 32 bezeichnet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der vertikale Snubber 32 dem Low-Side-Leistungstransistor 28 der ersten Phase W parallelgeschaltet und besteht im Wesentlichen aus zumindest einem Widerstand 34, einer diesem parallel geschalteten Diode 36 und einem zu der aus dem Widerstand 34 und der Diode 36 gebildeten Parallelschaltung in Reihe geschalteten Kondensator 38. Der vertikale Snubber 32 ist demzufolge als ein RDC-Glied aufgebaut. Durch die gezielte Anwendung eines vertikalen Snubbers 32 nur für einen Leistungstransistor 16 der Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität kann eine durchaus wirkungsvolle Dämpfung der Transienten in kritischen Bauelementen bei kleinstmöglichem Bauraum der Elektronikeinheit 10 erzielt werden. Statt als RDC-Glied kann ein derartiger vertikaler Snubber 32 zur weiteren Reduzierung des benötigten Bauraums auch als RC-Glied, d.h. mit einer Reihenschaltung aus Widerstand 34 und Kondensator 38, ausgebildet sein. Die Dimensionierung von Widerstand 34 und Kondensator 38 muss dabei derart an die Schaltzeiten des zugehörigen Leistungstransistors 16 angepasst werden, dass sich der Kondensator 38 bei geschlossenem Leistungstransistor 16 ausreichend entladen kann.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung für so genannte IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) aufgrund ihrer einseitigen Bestückung (Single Layer) anwenden. In 2 ist eine derartige Leiterplatte 40 der Elektronikeinheit 10 gemäß 1 gezeigt. Auf ihr sind neben anderen elektronischen Bauelementen in Form von Kondensatoren, Widerständen, Sicherungen, etc., um nur einige exemplarisch zu nennen, auch die High-Side-Leistungstransistoren 26 und die Low-Side-Leistungstransistoren 28 in SMD-Technik (Surface Mounted Device) zur Ansteuerung der einzelnen Phasen U, V, W der hier nicht dargestellten dreiphasigen Last 14 angeordnet bzw. aufgelötet. Weiterhin sind auf der Leiterplatte 40 diverse Steck- und Schraubverbindungen 42 für die Energieversorgung der Elektronikeinheit 10 und für die Steuersignale der Leistungstransistoren 16 sowie zur Kontaktierung der Wicklungen 18 des Elektromotors 14 vorgesehen.
Entsprechend 1 weist die Leiterplatte 40 einen dem Low-Side-Leistungstransistor 28 der Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität parallel geschalteten vertikalen Snubber 32 auf, der hier jedoch als einfaches RC-Glied mit einem Widerstand 34 und einem Kondensator 38 ausgebildet ist. Somit kann ein sehr geringer Bauraum der Elektronikeinheit 10 bei möglichst effektiver Dämpfung der Schalttransienten erzielt werden, ohne dass sich die Gesamt-Streu-Induktivität aller Phasen U, V, W erhöht.
3 zeigt einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 10, die sich lediglich dadurch vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 unterscheidet, dass nun neben der ersten Phase W mit der höchsten Streuinduktivität auch einer weiteren Phase W, insbesondere die Phase mit der zweithöchsten Streu-Induktivität, ein vertikaler Snubber 32 zugeordnet ist. Dieser ist analog dem vertikalen Snubber 32 der ersten Phase W ebenfalls als ein RDC-Glied mit einem Widerstand 34, einer diesem parallel geschalteten Diode 36 und einem der aus dem Widerstand 34 und der Diode 36 gebildeten Parallelschaltung in Reihe geschaltetem Kondensator 38 ausgebildet. Auf die restlichen Komponenten der 3 soll hier nicht weiter eingegangen werden, da ihre Funktionsweise denen des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Zudem sei angemerkt, dass auch hier der vertikale Snubber 32 als RC-Glied ausgebildet sein kann.
Somit sind die Bauelemente der Elektronikeinheit 10, insbesondere die Leistungstransistoren 16, zum Schalten der ersten Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität und die Bauelemente, insbesondere die Leistungstransistoren 16, zum Schalten der zweiten Phase V mit der zweithöchsten Streu-Induktivität geschützt. Bei einer dreiphasigen Last 14 hat dies mit besonderem Vorteil zum einen keinen Einfluss auf die Streu-Induktivität der dritten Phase U, während zum anderen nur wenig mehr Platz auf der Leiterplatte 40 der Elektronikeinheit 10 benötigt wird, wie 4 verdeutlicht.
Durch die Parallelschaltung der horizontalen Snubber 32 zu den Leistungstransistoren 16 der ersten und der zweiten Phase W, V erhöhen sich jeweils auch deren Streu-Induktivitäten und internen Widerstände. In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der 5 und 6 ist daher vorgesehen, dass zusätzlich zu dem vertikalen Snubber 32 der ersten Phase W zumindest ein zweites elektrisches Dämpfungsglied 30 als ein horizontaler Snubber 44 derart zwischen der ersten und der zweiten Phase W, V geschaltet ist. dass es jeweils mit einem Knotenpunkt 46 zwischen dem Low-Side-Leistungstransistor 28 und dem High-Side-Leistungstransistor 26 der ersten Phase W und der zweiten Phase V verbunden ist. Im Unterschied zu den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen sind die Wicklungen 18 der Statorpole des Elektromotors 14 in einer Dreieckschaltung verschaltet. Dies hat jedoch auf die Wirkungsweise der Elektronikeinheit 10 und der elektrischen Dämpfungsglieder 30 nur einen untergeordneten Einfluss. Mit besonderem Vorteil kann durch den zusätzlichen horizontalen Snubber 44 neben der Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität auch die Phase V mit der höchsten elektrischen und thermischen Belastung gegenüber den durch die Schaltvorgänge der entsprechenden Leistungstransistoren 16 hervorgerufenen Transienten geschützt werden. Des Weiteren werden durch den horizontalen Snubber 44 die Streu-Induktivitäten der Phasen U, V, W nicht erhöht und es ist möglich, den Bauraum der Elektronikeinheit 10 durch die Kombination mit dem vertikalen Snubber 32 gegenüber der Lösung mit mehreren horizontalen Snubbern weiter zu reduzieren. Zur Vermeidung eines falsch gerichteten, hohen Stromflusses zwischen den beiden Phasen V und W muss der horizontale Snubber 44 als ein RDC-Glied mit jeweils zumindest einem Widerstand 34, einer Diode 36 und einem Kondensator 38 aufgebaut sein.
In 7 sind zwei Diagramme des Schaltverhaltens sowie der zugehörigen Transienten für das dritte Ausführungsbeispiel gemäß der 5 und 6 dargestellt. Dabei zeigt 7a das Verhalten bei eingeschaltetem Low-Side-Leistungstransistor 28 der ersten Phase W und 7b bei entsprechend ausgeschaltetem Low-Side-Leistungstransistor 28. Mit 46 und 48 sind die Spannungsverläufe U_v und U_w an den Knotenpunkten 46 der beiden Phasen V und W in Volt [V] gekennzeichnet, während 50 und 52 die zeitlichen Verläufe der Ströme I_v bzw. I_H im vertikalen Snubber 32 bzw. im horizontalen Snubber 44 in Ampere [A] bezeichnen. Die Stromverläufe 50 und 52 wurden mit einer so genannten Rogowski-Spule über den jeweiligen Kondensatoren 38 der Snubber 30 gemessen, woraus ein leichter Offset resultiert, der jedoch für die Erfindung ohne Bedeutung ist. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die dargestellten Verläufe zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Snubber 30 dienen und daher nicht dem typischen PWM-Muster zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors entsprechen.
Gemäß 7a ist zu erkennen, dass das Ein- und Ausschalten des Low-Side-Leistungstransistors 28 der zweiten Phase V (vgl. hierzu den Spannungsverlauf 46) bei eingeschaltetem bzw. geschlossenem Low-Side-Leistungstransistor 28 der ersten Phase W zu Transienten bzw. positiven oder negativen Spannungsspitzen im zugehörigen Spannungsverlauf 48 führt. Diese Spannungsspitzen werden aufgrund des eingeschalteten Low-Side-Leistungstransistors 28 der ersten Phase W nicht durch den dazu parallel geschalteten vertikalen Snubber 32 aufgenommen, wie dem zugehörigen Stromverlauf 50 entnehmbar ist. Vielmehr nimmt sie der horizontale Snubber 44 zwischen den Knotenpunkten 46 der Phasen V und W auf, was zu einer entsprechend wirksamen Dämpfung führt. Wird der Low-Side-Leistungstransistor 28 der ersten Phase W gemäß 7b zeitgleich mit dem Low-Side-Leistungstransistor 28 der zweiten Phase V geöffnet und geschlossen, so nehmen sowohl der vertikale Snubber 32 als auch der horizontale Snubber 44 die resultierenden Transienten auf, wie den zughörigen Verläufen 50 und 52 der Ströme I_V und I_H zu entnehmen ist.
Im dritten Ausführungsbeispiel gemäß der 5 bis 7 wurden als RDC-Glieder ausgebildete Snubber 30 verwendet, bei denen jeweils ein Widerstand 34 mit einem Widerstandswert von 10 Ohm sowie ein Kondensator 38 mit einer Kapazität von 22 nF zum Einsatz kamen. Wie bereits weiter oben erwähnt, hängen diese Werte und die daraus resultierenden Zeitkonstanten unter anderem von den minimalen Einschaltzeiten der Leistungstransistoren 16 ab, um einerseits eine möglichst wirkungsvolle Dämpfung der Transienten und andererseits ein ausreichend schnelles Entladen des Kondensators 38 zu erzielen.
8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 10, das sich insbesondere vom dritten Ausführungsbeispiel gemäß der 5 und 6 durch einen weiteren horizontalen Snubber 44 zwischen der zweiten Phase V und der dritten Phase U unterscheidet. Dabei ist jeweils ein Knotenpunkt 46 zwischen dem Low-Side-Leistungstransistor 28 und dem High-Side-Leistungstransistor 26 der zweiten Phase V und der dritten Phase W mit dem weiteren horizontalen Snubber 44 verbunden. Der weitere horizontale Snubber 40 stellt somit ein drittes Dämpfungsglied 30 dar, das in Verbindung mit dem horizontalen Snubber 44 zwischen der ersten Phase W und der zweiten Phase V die Transienten des Low-Side-Leistungstransistors 28 der zweiten Phase je nach PWM-Taktung der zugehörigen Leistungstransistoren 16 in beide Stromflussrichtungen über die erste Phase W mit der höchsten Streu-Induktivität und die dritte Phase U mit der geringsten Streu-Induktivität dämpft. Zu diesem Zweck ist das dritte Dämpfungsglied 30 bzw. dessen Diode 36 in entgegen gesetzter Richtung gepolt gegenüber dem zweiten Dämpfungsglied 30 bzw. dessen Diode 36.
Wenn also bei einer bestimmten Rotorposition des Elektromotors 14 der Low-Side- oder High-Side-Leistungstransistor 28, 26 in der dritten Phase U permanent durchgeschaltet ist und die Leistungstransistoren 16 in Phase V takten, werden die Transienten von Phase V überwiegend über den horizontalen Snubber 44 zwischen Phase V und Phase U abgeleitet. Wenn dagegen bei einer anderen Rotorposition des Elektromotors 14 der Low-Side- oder High-Side-Leistungstransistor 28, 26 in der ersten Phase W permanent durchgeschaltet ist und die Leistungstransistoren 16 in Phase V takten, werden die Transienten von Phase V überwiegend über den horizontalen Snubber 44 zwischen Phase V und Phase W abgeleitet. Die Transienten bevorzugen daher immer den Weg der kleinsten Impedanz. Zwei horizontalen Snubber 44 an der zweiten Phase V haben somit den Vorteil, dass sich durch die Impedanzen die Verlustleistung auf beide Snubber 44 aufteilt und die entsprechenden Bauteile bei größtmöglicher Dämpfung der Transienten kleiner bzw. leistungsschwächer ausfallen können, was sowohl Kosten als auch Bauraum spart. Zudem werden auch hier durch die horizontalen Snubber 44 die Streu-Induktivitäten der Phasen U, V, W nicht erhöht.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung weder auf die gezeigten Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 7 noch auf die Formen und Größenverhältnisse der elektrischen Bauelemente oder die Anzahl und Ausgestaltung der Steck- und Schraubverbindungen 42 der Elektronikeinheit 10 beschränkt ist. Die Erfindung kann zudem auch für Elektronikeinheiten 10 mit mehrschichtigen Leiterplatten eingesetzt werden, indem das Dämpfungsglied-Netzwerk unter Berücksichtigung der Streu-Induktivität und der Laststromänderung dl/dt der jeweiligen Anwendung ausgelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0269793 A1 [0002]

Claims

Elektronikeinheit (10) für ein Elektrogerät, insbesondere für ein motorbetriebenes Elektrogerät, mit einer insbesondere einseitig bestückten Leiterplatte (40), die eine Mehrzahl von Leistungstransistoren (16) zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last (12), insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors (14), des Elektrogeräts aufweist, wobei jeder Phase (U, V, W) der Last (12) zumindest ein Leistungstransistor (16) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Leistungstransistoren (16) einer ersten Phase (W) mit der höchsten Streu-Induktivität ein erstes elektrisches Dämpfungsglied (30, 32) zur Dämpfung von durch die Schaltvorgänge der Leistungstransistoren (16) hervorgerufenen Transienten parallel geschaltet ist und dass für mindestens eine der übrigen Phasen (U, V), insbesondere für die Phase (U) mit der geringsten Streu-Induktivität, kein derartig wirkendes elektrisches Dämpfungsglied (30, 32) vorgesehen ist.
Elektronikeinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Phase (U, V, W) der Last (12) ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), insbesondere einem Versorgungspotential (V₊), verbundener High-Side-Leistungstransistor (26) und ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), insbesondere einer elektrischen Masse (GND), verbundener Low-Side-Leistungstransistor (28) zugeordnet ist.
Elektronikeinheit (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Dämpfungsglied (30, 32) dem Low-Side-Leistungstransistor (28) oder dem High-Side-Leistungstransistor (26) der ersten Phase (W) parallelgeschaltet ist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites elektrisches Dämpfungsglied (30, 32) dem Low-Side-Leistungstransistor (28) oder dem High-Side-Leistungstransistor (26) zumindest einer zweiten Phase (V) parallelgeschaltet ist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweites elektrisches Dämpfungsglied (30, 34) zwischen der ersten und einer zweiten Phase (W, V) geschaltet ist.
Elektronikeinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite elektrische Dämpfungsglied (30, 34) derart zwischen die zwei Phasen (W, V) geschaltet ist, dass es jeweils mit einem Knotenpunkt (46) zwischen dem Low-Side- und dem High-Side-Leistungstransistor (28, 26) der beiden Phase (W, V) verbunden ist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase (V) die zweithöchste Streu-Induktivität aufweist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Phase (V) zusätzlich zumindest ein drittes gegenüber einer dritten Phase (U) wirkendes Dämpfungsglied (30, 34) vorgesehen ist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite und/oder dritte elektrische Dämpfungsglied (30, 34) als ein RDC-Glied mit jeweils zumindest einem Widerstand (34), einer Diode (36) und einem Kondensator (38) aufgebaut ist.
Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren (15) als MOSFETs ausgebildet sind.
Elektrogerät, insbesondere motorgetriebenes Elektrogerät, mit einer Elektronikeinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung einer mehrphasigen Last (12), insbesondere eines mehrphasigen Elektromotors (14).
Elektrogerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrphasige Last (12) ein dreiphasiger EC-Motor (14) ist und dass die Elektronikeinheit (10) eine B6-Leistungsbrücke (20) zur Ansteuerung des EC-Motors (14) aufweist.