EP1344304A2 - Converter with integrated link-circuit capacitors - Google Patents

Converter with integrated link-circuit capacitors

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EP1344304A2
EP1344304A2 EP01270943A EP01270943A EP1344304A2 EP 1344304 A2 EP1344304 A2 EP 1344304A2 EP 01270943 A EP01270943 A EP 01270943A EP 01270943 A EP01270943 A EP 01270943A EP 1344304 A2 EP1344304 A2 EP 1344304A2
Authority
EP
European Patent Office
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converter according
bridge
converter
intermediate circuit
module
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01270943A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Paesler
Kurt Reutlinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1344304A2 publication Critical patent/EP1344304A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a converter according to the preamble of the main claim. This is preferably a DC-AC converter.
  • the intermediate voltage circuit can also be formed by a direct voltage network, which contains, for example, the on-board electrical system battery of a motor vehicle.
  • the voltage intermediate circuit also has an intermediate circuit capacitor, using which pulse currents are generated or the alternating current is taken over. Such pulse currents occur in all clocked converter bridges.
  • a Umrichtexmaschine consists of one or more half bridges, which alternately connect the output to either the positive or the negative DC link potential.
  • a half bridge has one or more high-side switches for the connection to the positive intermediate circuit potential and one or more low-side switches for the connection to the negative DC link potential.
  • a high-side switch and a low-side switch together form a half bridge.
  • the DC voltage converter on the electrical system side is designed as a bidirectional converter, in order to be able to transfer electrical energy from the on-board electrical system battery to the DC link for the starting process or its preparation, and to transfer energy from the DC link to the low voltage side during generator operation of the starter motor, in order to transfer consumers there To feed the on-board electrical system and to charge the on-board electrical system battery.
  • a converter according to the invention has the
  • two or more capacitors which extend parallel to the complete half bridge, are integrated into the module per half bridge. This reduces the interference radiation from the converter bridge.
  • FIG. 1 shows a representation of a half-bridge according to an exemplary embodiment for the invention
  • FIG. 2 shows a simplified module representation of the half-bridge according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the half-bridge module
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment for a converter
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment for a Converter
  • Figure 6 shows a third embodiment of a converter, only the components necessary for understanding the invention are shown in the figures. description
  • FIG. 1 shows an illustration of a half bridge according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the half bridge is realized in the form of a module M arranged in a housing.
  • capacitors C H s, C LS , C K ⁇ and C ZK2 are also integrated in this module M.
  • the capacitors C H s and C LS are each arranged in parallel with an inverse diode and a switch. They serve to mitigate the negative effects of the current stall behavior of the inverse diodes during the switching processes.
  • a current stall means a very rapid change in current, which leads to corresponding overvoltages caused by the parasitic inductances.
  • the two other capacitors C ZK ⁇ and C ZK 2 / which are each arranged parallel to the entire half bridge and thus directly on the
  • DC link voltage are used as block capacitors for the DC link. At the same time, they are intended to filter out high-frequency current components, which leads to an improvement in electromagnetic compatibility (EMC). Furthermore, these two capacitors C ZK1 and C Z ⁇ 2 also take over the task of a conventional intermediate circuit capacitor in whole or in part.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic module representation of the half-bridge according to FIG. 1.
  • the intermediate circuit capacitors C ZK ⁇ and C ZK2 are described by the capacitor C z ⁇ .
  • an ohmic resistance R D is shown, which represents the internal resistance or damping resistance of the capacitor.
  • the inductance L z ⁇ of the connection connection forms a resonant circuit together with the capacitor C 2 ⁇ .
  • Half-bridge module This shows that the half-bridge module is a damped series resonant circuit11.
  • the voltage U Ven tii at the semiconductor switches is composed of the capacitor voltage U c plus the voltage drop U R at the damping resistor nd R D.
  • the voltage is the load current can be assumed to be constant.
  • the starting values of the energy storage are therefore:
  • the minimum capacitance value C z ⁇ is calculated , min ie follows: In the range of resonant vibrations up to the aperiodic limit case (0 ⁇ D ⁇ 1) the minimum capacitance value C z ⁇ , m i n is calculated as follows:
  • the overvoltage in this area is only determined by the capacitor C z and not by the
  • Damping resistance R D Low-damped capacitors cause vibrations between the inductors and the capacitors. With low damping, the resonant vibrations of two switching processes can overlap, which results in larger overvoltages. With large damping resistances (D>1; corresponds to the non-resonant case), the overvoltage depends on the ohmic voltage drops. As a favorable damping factor
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a converter.
  • Several half bridges are also provided in this case, each of which is implemented as a module.
  • the sum of the capacitance values of the capacitors C z ⁇ or C ZK ⁇ and C ZK2 integrated in the half-bridge modules is sufficient for the intermediate circuit , so that an additional, external intermediate circuit capacitor can be dispensed with. This can be the case in particular when the switching times are offset.
  • a low-inductance connection via a busbar B is only provided between the half-bridge modules.
  • the converter can be connected to the DC link via a conventional connecting line or via a busbar.
  • the line inductance can also be used as a filter inductance or can also be used.
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment for a converter. With this, all partial bridges are part of a single module. This solution eliminates the need for a bus bar, since the half-bridges are interconnected with each other in a very low-inductance manner.
  • the module can be connected to the DC link by means of a busbar.
  • the inductance of this busbar can also be used as the inductance of an output filter.
  • the invention divides a conventional intermediate circuit capacitor into several intermediate circuit capacitors of smaller capacitance, some or all of which are an integral part of a half-bridge or bridge module. This leads to a reduction in overvoltages that occur, an improvement in electromagnetic compatibility, high switching speeds with low switching losses in the semiconductor switches and a reduction or elimination of a busbar provided in the prior art.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

The invention relates to a converter, in particular a DC-AC converter, connected to a voltage link circuit, comprising a charge store. Said converter comprises a half-bridge, or a bridge circuit, forming a module, arranged in a housing. The charge store is divided into several link circuit capacitors, of which one, several or all form integrated components of the module.

Description

Umrichter mit integrierten ZwischenkreiskondensatorenConverter with integrated DC link capacitors
Die Erfindung betrifft einen Umrichter nach der Gattung des Hauptanspruchs. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Gleichspannungs-Wechselspannungsumrichter.The invention relates to a converter according to the preamble of the main claim. This is preferably a DC-AC converter.
Stand der TechnikState of the art
In der Umrichtertechnik ist es bereits bekannt, Z ischenkreisumrichter mit einem Spannungszwischenkreis zu ■ verwenden. Dabei kann der Spannungszwischenkreis auch durch ein Gleichspannungsnetz, welches beispielsweise die Bordnetzbatterie eines Kraftfahrzeugs enthält, gebildet werden. Der Spannungszwischenkreis weist ferner einen Zwischenkreiskondensator auf, unter dessen Verwendung Pulsströme generiert beziehungsweise die Wechselantelle des Stromes übernommen werden. Derartige Pulsströme treten bei allen getakteten Umrichterbrücken auf . Eine Umrichtexbrücke besteht bei zweistufigen Stromrichtern aus ein oder mehreren Halbbrücken, die den Ausgang abwechselnd entweder mit dem positiven oder dem negativen Zwischenkreispotential verbinden. Zu diesem Zweck weist eine Halbbrücke einen oder mehrere High-Side-Schalter für die Verbindung zum positiven Zwischenkreispotential und einen oder mehrere Low-Side- Schalter für die Verbindung zum negativen Zwischenkreispotential auf. Ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter bilden zusammen eine Halbbrücke.In converter technology, it is already known to use intermediate circuit converters with a voltage intermediate circuit. The intermediate voltage circuit can also be formed by a direct voltage network, which contains, for example, the on-board electrical system battery of a motor vehicle. The voltage intermediate circuit also has an intermediate circuit capacitor, using which pulse currents are generated or the alternating current is taken over. Such pulse currents occur in all clocked converter bridges. In the case of two-stage converters, a Umrichtexbrücke consists of one or more half bridges, which alternately connect the output to either the positive or the negative DC link potential. For this purpose, a half bridge has one or more high-side switches for the connection to the positive intermediate circuit potential and one or more low-side switches for the connection to the negative DC link potential. A high-side switch and a low-side switch together form a half bridge.
Um einen kompakten Aufbau zu erhalten, ist es bereits bekannt, die beiden Schalter einer Halbbrücke in einem Gehäuse, in einem sogenannten Modul, zusammenzufassen. Es ist auch bereits bekannt, alle drei Halbbrücken eines Dreiphasenumrichters in einem Modul zusammenzufassen.In order to obtain a compact structure, it is already known to combine the two switches of a half bridge in one housing, in a so-called module. It is also already known to combine all three half bridges of a three-phase converter in one module.
Bei derartigen Umrichtern werden die Verbindungsleitungen zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Umrichterbrücke durch die auftretenden schnellen Stromänderungen belastet. Ist der High-Side-Schalter einer Halbbrücke eingeschaltet und der Low-Side-Schalter ausgeschaltet, dann liegt der Ausgang einer Halbbrücke auf dem positiven Zwischenkreispotential und der Ausgangsstrom wird aus dem Zwischenkreis entnommen. Schaltet die Halbbrücke um, dann liegt der Ausgang auf dem negativen Zwischenkreispotential und der Strom im Zwischenkreis, der vom Zwischenkreiskondensator zur Umrichterbrücke fließt, muß auf den Wert Null abfallen. Die dadurch entstehende große Änderung des Stromes dl/dt führt zu einer Überspannung auf der Verbindungsleitung zwischen dem Zwischenkreiskondensator und den Halbleiterschaltern der Halbbrücke . Diese Überspannung kann beträchtliche Werte annehmen, auf die die Halbleiterschalter zu dimensionieren sind.In such converters, the connecting lines between the intermediate circuit capacitor and the converter bridge are loaded by the rapid current changes that occur. If the high-side switch of a half-bridge is switched on and the low-side switch is switched off, then the output of a half-bridge is at the positive intermediate circuit potential and the output current is taken from the intermediate circuit. If the half bridge switches, the output is at the negative intermediate circuit potential and the current in the intermediate circuit, which flows from the intermediate circuit capacitor to the converter bridge, must drop to the value zero. The resulting large change in the current dl / dt leads to an overvoltage on the connecting line between the intermediate circuit capacitor and the semiconductor switches of the half-bridge. This overvoltage can assume considerable values to which the semiconductor switches are to be dimensioned.
Um die Halbbleiterschalter bezüglich ihrer Spannungsfestigkeit nicht zu überlasten, ist es bereits bekannt, die Schaltvorgänge zu verlangsamen und dadurch die auftretenden Stromänderungen dl/dt zu reduzieren. Ein derartiges Vorgehen führt jedoch zu erheblichen Verlusten in den Halbleiterschaltern.In order not to overload the semi-conductor switches with regard to their dielectric strength, it is already known to slow down the switching processes and thereby to reduce the current changes dl / dt that occur. On however, such a procedure leads to considerable losses in the semiconductor switches.
Weiterhin ist man bestrebt, die Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Umrichterbrücke möglichst klein zu halten. Zu diesem Zweck ist es bekannt, sogenannte Busbaraufbauten zu verwenden, aufgrund derer die Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltern und dem Zwischenkreiskondensator niederinduktiv ausgeführt sind. Ferner ist es zu diesem Zweck bereits bekannt, den Zwischenkreiskondensator räumlich im Bereich der Umrichterbrücke zu positionieren. Dies ist jedoch nur bis zu einem gewissen Grad möglich, da der Zwischenkreiskondensator selbst große Abmessungen aufweist .Furthermore, efforts are made to keep the inductance between the intermediate circuit capacitor and the converter bridge as small as possible. For this purpose, it is known to use so-called busbar assemblies, on the basis of which the connecting lines between the semiconductor switches and the intermediate circuit capacitor are designed to be low-inductance. Furthermore, it is already known for this purpose to position the intermediate circuit capacitor spatially in the area of the converter bridge. However, this is only possible to a certain extent, since the intermediate circuit capacitor itself has large dimensions.
Aus der DE 197 09 298 C2 sind Startersysteme für einen Verbrennungsmotor bekannt, die einen Gleichspannungs- Z ischenkreis-Wechselrichter aufweisen. Diesem gehört ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umrichter, ein Kurzeit- Energiespeicher und ein bordnetzseitigerFrom DE 197 09 298 C2 starter systems for an internal combustion engine are known which have a DC voltage intermediate circuit inverter. This includes a DC-AC converter, a short-term energy storage and an on-board network
Gleichspannungswandler an. Die Steuerung der genannten Komponenten erfolgt durch eine Steuereinrichtung. Diese gibt dem Umrichter die Amplitude, die Phase und die Frequenz des an den Starter des Fahrzeugs zu liefernden Dreiphasenstroms vor. Dem Gleichspannungswandler gibt die Steuereinrichtung den Strombetrag, die Stromrichtung und den Betrag der Spannungsherauf- beziehungsweise - herabsetzung vor. Weiterhin gibt die Steuereinrichtung einem Verbrauchersteuergerät vor, welchen Strombetrag dieses vom Kurzzeit-Energiespeicher entnehmen kann und gegebenenfalls welche Spannungsdifferenz dabei zu überwinden ist . Während des Startvorganges benötigt der Startermotor Energie aus dem Kurzzeit-Energiespeicher. Nach dem Startvorgang arbeitet er als Generator und liefert Energie über den Umrichter an den Zwischenkreis. Der bordnetzseitige Gleichspannungswandler ist als bidirektionaler Wandler ausgebildet, um einerseits für den Startvorgang beziehungsweise für dessen Vorbereitung elektrische Energie aus der Bordnetzbatterie in den Zwischenkreis bringen zu können und um andererseits beim Generatorbetrieb des Startermotors Energie aus dem Zwischenkreis auf die Niederspannungsseite zu überführen, um dort Verbraucher des Bordnetzes zu speisen und die Bordnetzbatterie zu laden.DC converter. The components mentioned are controlled by a control device. This specifies the amplitude, the phase and the frequency of the three-phase current to be supplied to the starter of the vehicle. The control device specifies the amount of current, the direction of current and the amount of the voltage step-up or step-down to the DC-DC converter. Furthermore, the control device specifies to a consumer control device what amount of current it can draw from the short-term energy store and, if appropriate, what voltage difference is to be overcome. During the starting process, the starter motor requires energy from the short-term energy storage. To During the starting process, it works as a generator and supplies energy to the intermediate circuit via the converter. The DC voltage converter on the electrical system side is designed as a bidirectional converter, in order to be able to transfer electrical energy from the on-board electrical system battery to the DC link for the starting process or its preparation, and to transfer energy from the DC link to the low voltage side during generator operation of the starter motor, in order to transfer consumers there To feed the on-board electrical system and to charge the on-board electrical system battery.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ein Umrichter gemäß der Erfindung weist demgegenüber denIn contrast, a converter according to the invention has the
Vorteil auf, dass wegen der Aufteilung des Ladungsspeichers des Zwischenkreises auf mehrere Zwischenkreiskondensatoren und die Integration eines, mehrerer oder aller dieser Zwischenkreiskondensatoren in das Halbbrücken- beziehungsweise Brückenmodul parasitäreThe advantage of being parasitic due to the division of the charge storage of the intermediate circuit into several intermediate circuit capacitors and the integration of one, several or all of these intermediate circuit capacitors into the half-bridge or bridge module
Leitungsinduktivitäten klein gehalten werden können.Line inductances can be kept small.
Werden einer oder mehrere der Zwischenkreiskondensatoren in das Modul integriert und zusätzlich ein weiterer, externer Zwischenkreiskondensator verwendet, dann kann dessenIf one or more of the DC link capacitors are integrated into the module and an additional external DC link capacitor is used, then this can be done
Kapazität kleiner dimensioniert sein als beim Stand der Technik.Capacity be dimensioned smaller than in the prior art.
Werden alle Zwischenkreiskondensatoren in das Modul integriert, dann kann ein weiterer, externer Zwischenkreiskondensator entfallen. Weiterhin können durch die Erfindung die an den Halbleiterschaltern während des Schaltvorganges auftretenden Überspannungen klein gehalten werden. Ferner werden in den Halbleiterschaltern hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten ermöglicht, da die Induktivität zwischen den Schaltelementen und der Zwischenkreiskapazität wegen der räumlichen Nähe minimiert ist . Die bei bekannten Wechselrichtern verwendete Busbar zwischen dem Zwischenkreiskondensator und den Halbleiterschaltern kann verkleinert werden oder ganz entfallen.If all DC link capacitors are integrated in the module, an additional external DC link capacitor can be omitted. Furthermore, the overvoltages occurring at the semiconductor switches during the switching process can be kept small by the invention. Furthermore, high switching speeds with low switching losses are made possible in the semiconductor switches, since the inductance between the switching elements and the intermediate circuit capacitance is minimized because of the spatial proximity. The busbar used in known inverters between the intermediate circuit capacitor and the semiconductor switches can be reduced in size or eliminated entirely.
Vorzugsweise werden je Halbbrücke zwei oder mehrere Kondensatoren, die sich parallel zur kompletten Halbbrücke erstrecken, in das Modul integriert. Dadurch wird die Störabstrahlung der Umrichterbrücke reduziert.Preferably, two or more capacitors, which extend parallel to the complete half bridge, are integrated into the module per half bridge. This reduces the interference radiation from the converter bridge.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigt die Figur 1 eine Darstellung einer Halbbrücke gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung, Figur 2 eine vereinfachte Moduldarstellung der Halbbrücke gemäß Figur 1, Figur 3 ein Ersatzschaltbild des Halbbrückenmoduls, Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter, Figur 5 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel für einen Umrichter und Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter, wobei in den Figuren lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. BeschreibungThe invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. 1 shows a representation of a half-bridge according to an exemplary embodiment for the invention, FIG. 2 shows a simplified module representation of the half-bridge according to FIG. 1, FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the half-bridge module, FIG. 4 shows a first exemplary embodiment for a converter, and FIG. 5 shows a second exemplary embodiment for a Converter and Figure 6 shows a third embodiment of a converter, only the components necessary for understanding the invention are shown in the figures. description
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung einer Halbbrücke gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Halbbrücke ist in Form eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls M realisiert. In dieses Modul M sind neben einem High-Side- Schalter Tl, einem Low-Side-Schalter T2 und Inversdioden Dl und D2 auch Kondensatoren CHs, CLS, CKι und CZK2 integriert. Die Kondensatoren CHs und CLS sind jeweils parallel zu einer Inversdiode und einem Schalter angeordnet. Sie dienen dazu, die negativen Auswirkungen des Stromabrißverhaltens der Inversdioden während der Schaltvorgänge zu mildern. Ein Stromabriß bedeutet dabei eine sehr schnelle Stromänderung, die zu entsprechenden Überspannungen durch die parasitären Induktivitäten führt . Die beiden anderen Kondensatoren CZKι und CZK2 / die jeweils parallel zu der gesamten Halbbrücke angeordnet sind und damit direkt an derFIG. 1 shows an illustration of a half bridge according to an exemplary embodiment of the invention. The half bridge is realized in the form of a module M arranged in a housing. In addition to a high-side switch Tl, a low-side switch T2 and inverse diodes Dl and D2, capacitors C H s, C LS , C K ι and C ZK2 are also integrated in this module M. The capacitors C H s and C LS are each arranged in parallel with an inverse diode and a switch. They serve to mitigate the negative effects of the current stall behavior of the inverse diodes during the switching processes. A current stall means a very rapid change in current, which leads to corresponding overvoltages caused by the parasitic inductances. The two other capacitors C ZK ι and C ZK 2 / which are each arranged parallel to the entire half bridge and thus directly on the
Zwischenkreisspannung liegen, dienen als Blockkondensatoren für den Zwischenkreis. Gleichzeitig sind sie zur Ausfilterung von hochfrequenten Stromanteilen vorgesehen, was zu einer Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) führt. Weiterhin übernehmen diese beiden Kondensatoren CZK1 und CZκ2 auch ganz oder teilweise die Aufgabe eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators .DC link voltage are used as block capacitors for the DC link. At the same time, they are intended to filter out high-frequency current components, which leads to an improvement in electromagnetic compatibility (EMC). Furthermore, these two capacitors C ZK1 and C Z κ 2 also take over the task of a conventional intermediate circuit capacitor in whole or in part.
Vorzugsweise werden als Blockkondensatoren zwei oder mehrere Kondensatoren verschiedener Kapazität parallel geschaltet. Da Kondensatoren verschiedener Kapazität unterschiedliche Frequenzgänge aufweisen, wird dadurch eine breitbandige Filterung der hochfrequenten Stromanteile möglich. Folglich wird durch die in der Figur 1 gezeigten Kondensatoren CHs und CLS eine Milderung der Überspannungen aufgrund des Rückstromabrisses der Invers- beziehungsweise Rückwärtsdioden und durch die Kondensatoren CZκι und Czκ2 eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit erreicht, wobei die letztgenannten Kondensatoren . auch ganz oder teilweise die Aufgabe eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators übernehmen.Two or more capacitors of different capacitance are preferably connected in parallel as block capacitors. Since capacitors of different capacitance have different frequency responses, broadband filtering of the high-frequency current components is possible. Consequently, the capacitors C Hs and C LS shown in FIG. 1 mitigate the overvoltages due to the reverse current stall of the inverse and reverse diodes and the capacitors C Z κι and Czκ 2 improve the electromagnetic compatibility, the latter capacitors. also take over the task of a conventional intermediate circuit capacitor in whole or in part.
Die Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematische Moduldarstellung der Halbbrücke gemäß Figur 1. Die Zwischenkreiskondensatoren CZKι und CZK2 werden dabei durch den Kondensator Czκ beschrieben. In Reihe zu diesem Kondensator ist ein Ohmscher Widerstand RD gezeigt, welcher den Innenwiderstand beziehungsweise Dämpfungswiderstand des Kondensators repräsentiert. Die Induktivität Lzκ der Anschlussverbindung bildet zusammen mit dem Kondensator C2κ einen Schwingkreis.FIG. 2 shows a simplified schematic module representation of the half-bridge according to FIG. 1. The intermediate circuit capacitors C ZK ι and C ZK2 are described by the capacitor C zκ . In series with this capacitor, an ohmic resistance R D is shown, which represents the internal resistance or damping resistance of the capacitor. The inductance L zκ of the connection connection forms a resonant circuit together with the capacitor C 2 κ.
Für die Größe des im Modul M erforderlichen Kondensators Czκ ist die Induktivität der Verbindungsleitung zum Zwischenkreis und die zulässige Überspannung an den Halbleiterschaltern Tl und T2 von Bedeutung.The inductance of the connecting line to the intermediate circuit and the permissible overvoltage at the semiconductor switches T1 and T2 are important for the size of the capacitor C zκ required in the module M.
Die Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild desFIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the
Halbbrückenmoduls. Aus diesem ist ersichtlich, dass es sich beim Halbbrückenmodul um einen gedämpften Reihenschwingkreis hande11.Half-bridge module. This shows that the half-bridge module is a damped series resonant circuit11.
Die Spannung UVentii an den Halbleiterschaltern setzt sich zusammen aus der Kondensatorspannung Uc plus dem Spannungsabfall UR am Dämpfungswiderst nd RD. Um die Halbleiterschalter nicht zu zerstören, ist die Spannung kann der Laststrom als konstant angenommen werden. Die Startwerte der Energiespeicher sind demnach:The voltage U Ven tii at the semiconductor switches is composed of the capacitor voltage U c plus the voltage drop U R at the damping resistor nd R D. In order not to destroy the semiconductor switches, the voltage is the load current can be assumed to be constant. The starting values of the energy storage are therefore:
Uc (0) = Uzκ IL (0) = ILaSt-Uc (0) = U zκ I L (0) = I LaS t-
Zur Berechnung des minimalen Kapazitätswertes Czκ,min für den Kondensator Czκ, bei welchem sichergestellt ist, daß die maximal erlaubte Spannung an den Halbleiterschaltern nicht überschritten wird, wird davon ausgegangen, dass eine unendliche hohe Schaltgeschwindigkeit vorliegt, d. h. daß der angeschlossene Schalter den Laststrom in unendlich kurzer Zeit abschaltet. Bei realen Verhältnissen ist diese Schaltzeit jedoch endlich. Der Stromanstieg im Kondensator ist durch diese Schaltzeit gegeben.To calculate the minimum capacitance value C zκ , m in for the capacitor C zκ , in which it is ensured that the maximum permitted voltage at the semiconductor switches is not exceeded, it is assumed that there is an infinitely high switching speed, that is to say that the switch connected Switch off the load current in an infinitely short time. In real conditions, however, this switching time is finite. The current rise in the capacitor is given by this switching time.
Die Spannung an den Halbleiterschaltern steigt von U2κ vor dem Schaltvorgang auf Uzκ + R * IL st nach dem Schaltvorgang. Der Stromabf ll nach dem Schaltvorgang beträgt:The voltage at the semiconductor switches rises from U 2 κ before the switching process to U zκ + R * I L s t after the switching process. The current drop after the switching process is:
ast branch
Der Spannungsanstieg nach dem Schaltvorgang beträgt:The voltage increase after the switching process is:
Im Bereich der resonanten Schwingungen bis zum aperiodischen Grenzfall (0 < D < 1) berechnet sich der minimale Kapazitätswert Czκ,min ie folgt: Im Bereich der resonanten Schwingungen bis zum aperiodischen Grenzfall (0 < D < 1) berechnet sich der minimale Kapazitätswert Czκ,min wie folgt:In the range of resonant vibrations up to the aperiodic limit case (0 <D <1) the minimum capacitance value C zκ is calculated , min ie follows: In the range of resonant vibrations up to the aperiodic limit case (0 <D <1) the minimum capacitance value C zκ , m i n is calculated as follows:
Die Überspannung in diesem Bereich wird nur durch den Kondensator Cz bestimmt und nicht durch denThe overvoltage in this area is only determined by the capacitor C z and not by the
Dämpfungswiderstand RD. Gering gedämpfte Kondensatoren führen zu Schwingungen zwischen den Induktivitäten und den Kondensatoren. Bei kleiner Dämpfung können sich die resonanten Schwingungen zweier Schaltvorgänge überlagern, wodurch sich größere Überspannungen ergeben. Bei großen Dämpfungswiderständen (D > 1; entspricht dem nichtresonanten Fall) ist die Überspannung abhängig von den Ohmschen Spannungsabfällen. Als günstiger DämpfungsfaktorDamping resistance R D. Low-damped capacitors cause vibrations between the inductors and the capacitors. With low damping, the resonant vibrations of two switching processes can overlap, which results in larger overvoltages. With large damping resistances (D>1; corresponds to the non-resonant case), the overvoltage depends on the ohmic voltage drops. As a favorable damping factor
D = RD - ΛJCZK I LZKD = RD - ΛJCZK I LZK
kann ein Zahlenwert von 0,5 betrachtet werden.a numerical value of 0.5 can be considered.
Die Figur 4 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel für einen Umrichter. Bei diesem sind mehrere Halbbrücken vorgesehen, die jeweils als ein Modul realisiert sind. Die Verbindung zwischen den Modulen untereinander und einem zusätzlichen, externen Zwischenkreiskondensator Czκ, exern erfolgt über eine niederinduktive Busbar B. Die Kapazität des zusätzlichen, externen Zwischenkreiskondensators Czκ,eχtern ist im Vergleich zum Stand der Technik um die Summe der Kapazitäten der in den Modulen integrierten Kondensatoren reduziert.FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a converter. Several half bridges are provided, each of which is implemented as a module. The connection between the modules and an additional, external DC link capacitor C zκ, e x e rn via a low-inductance busbar B. The capacity of the additional external DC link capacitor C zκ, χtern e art is reduced by the sum of the capacitances of the integrated in the modules capacitors compared to the prior.
Die Figur 5 zeigt ein zweites Ausfuhrungsbeispiel für einen Umrichter. Auch bei diesem sind mehrere Halbbrücken vorgesehen, die jeweils als ein Modul realisiert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass die Summe der Kapazitätswerte der in den Halbrückenmodulen integrierten Kondensatoren Czκ beziehungsweise CZKι und CZK2 ausreichend für den Zwischenkreis ist, so dass auf einen zusätzlichen, externen Zwischenkreiskondensator verzichtet werden kann. Dies kann insbesondere bei einem zeitlichen Versatz der Schaltzeitpunkte der Fall sein. Eine niederinduktive Verbindung über eine Busbar B ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur zwischen den Halbbrückenmodulen vorgesehen. Der Anschluß des Umrichters an den Zwischenkreis kann über eine herkömmliche Verbindungsleitung oder über eine Stromschiene erfolgen. Die LeitungsInduktivität kann zusätzlich als Filterinduktivität genutzt oder mitgenutzt werden.FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a converter. Several half bridges are also provided in this case, each of which is implemented as a module. In this exemplary embodiment, it is assumed that the sum of the capacitance values of the capacitors C zκ or C ZK ι and C ZK2 integrated in the half-bridge modules is sufficient for the intermediate circuit , so that an additional, external intermediate circuit capacitor can be dispensed with. This can be the case in particular when the switching times are offset. In this exemplary embodiment, a low-inductance connection via a busbar B is only provided between the half-bridge modules. The converter can be connected to the DC link via a conventional connecting line or via a busbar. The line inductance can also be used as a filter inductance or can also be used.
Bei dem in der Figur 5 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist nur noch eine niederinduktive Busbar B zwischen den Halbbrückenmodulen notwendig. Die Induktivität zwischen den Halbbrückenmodulen sollte möglichst klein sein, da die an den Modulen beziehungsweise Halbleiterschaltern auftretenden Überspannungen direkt proportional zu dieser Induktivität sind. Die Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter. Bei diesem sind alle Teilbrücken Bestandteil eines einzigen Moduls. Bei dieser Lösung entfällt die Notwendigkeit einer Busbar, da die Halbbrücken untereinander sehr niederinduktiv zusammengeschaltet sind. Der Anschluß des Moduls an den Zwischenkreis kann durch eine Stromschiene erfolgen. Die Induktivität dieser Stromschiene kann gleichzeitig als Induktivität eines Ausgangsfilters genutzt werden. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß hochfrquente Störungen auf das Modul beschränkt bleiben, was Vorteile in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit bringt.In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, only a low-inductance busbar B between the half-bridge modules is necessary. The inductance between the half-bridge modules should be as small as possible, since the overvoltages occurring at the modules or semiconductor switches are directly proportional to this inductance. FIG. 6 shows a third exemplary embodiment for a converter. With this, all partial bridges are part of a single module. This solution eliminates the need for a bus bar, since the half-bridges are interconnected with each other in a very low-inductance manner. The module can be connected to the DC link by means of a busbar. The inductance of this busbar can also be used as the inductance of an output filter. An advantage of this solution is that high-frequency interference is limited to the module, which has advantages in terms of electromagnetic compatibility.
Nach alledem erfolgt bei der Erfindung eine Aufteilung eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators auf mehrere Zwischenkreiskondensatoren kleinerer Kapazität, von denen einige oder alle integrierter Bestandteil eines Halbbrücken- oder Brückenmoduls sind. Dies führt zu einer Reduzierung von auftretenden Überspannungen, einer Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, hohen Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern und einer Verkleinerung oder einem Entfallen einer beim Stand der Technik vorgesehenen Busbar. After all, the invention divides a conventional intermediate circuit capacitor into several intermediate circuit capacitors of smaller capacitance, some or all of which are an integral part of a half-bridge or bridge module. This leads to a reduction in overvoltages that occur, an improvement in electromagnetic compatibility, high switching speeds with low switching losses in the semiconductor switches and a reduction or elimination of a busbar provided in the prior art.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Umrichter, welcher mit einem einen Ladungsspeicher aufweisenden Spannungszwischenkreis verbunden ist, wobei der Umrichter eine Halbbrücken- oder Brückenschaltung enthält und die Halbbrücken- oder Brückenschaltung Bestandteil eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher mehrere Zwischenkondensatoren (Czκ, CZK1, Czκ2/ C2;Kιextern) aufweist, von denen einer, mehrere oder alle ebenfalls integrierter Bestandteil des Moduls (M) sind.1. converter which is connected to a voltage intermediate circuit having a charge store , the converter containing a half-bridge or bridge circuit and the half-bridge or bridge circuit being part of a module arranged in a housing, characterized in that the charge store has a plurality of intermediate capacitors (C zκ , C ZK1 , C zκ2 / C2; Kιex tern), one, several or all of which are also an integral part of the module (M).
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbbrückenschaltung einen oder mehrere High-Side- Schalter (Tl) und einen oder mehrere Low-Side-Schalter (T2) aufweist .2. Converter according to claim 1, characterized in that the half-bridge circuit has one or more high-side switches (Tl) and one or more low-side switches (T2).
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Dreiphasenumrichter mit drei Halbbrücken ist, die alle Bestandteil eines einzigen Moduls sind.3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that it is a three-phase converter with three half bridges, which are all part of a single module.
. Umrichter nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder High-Side-Schalter und jeder Low- Side-Schalter mit einer parallel dazu geschalteten Inversdiode (D1,D2) versehen ist. , Converter according to claim 2 or 3, characterized in that each high-side switch and each low-side switch is provided with an inverse diode (D1, D2) connected in parallel therewith.
5. Umrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Inversdiode ein Kondensator (CHs, CLs) parallel geschaltet ist.5. Converter according to claim 4, characterized in that each inverse diode, a capacitor (C H s, C L s) is connected in parallel.
6. Umrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul einen sich über die komplette Halbbrücke erstreckenden und parallel zu dieser angeordneten Zwischenkreiskondensator (Czκ, CZκι) aufweist.6. Converter according to claim 4 or 5, characterized in that the module has an intermediate circuit capacitor (C zκ , C Z κι) which extends over the entire half bridge and is arranged parallel thereto .
7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Zwischenkreiskondensator (CZKι) ein zweiter Zwischenkreiskondensator (CZK2) angeordnet ist.7. Converter according to claim 6, characterized in that a second intermediate circuit capacitor (C ZK2 ) is arranged parallel to the intermediate circuit capacitor (C ZK ι).
8. Umrichter nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zwischenkreiskondenstoren (CZK1/ unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.8. Converter according to claim 7, characterized in that the two DC link capacitors (C ZK1 / have different capacities.
9. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Halbbrückenmodule aufweist, die über eine niederinduktive Busbar miteinander verbunden sind.9. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that it has a plurality of half-bridge modules which are connected to one another via a low-inductance busbar.
10. Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Halbbrückenmodule an den Zwischenkreis über eine herkömmliche Verbindungsleitung oder über eine Stromschiene erfolgt .10. Converter according to claim 9, characterized in that the connection of the half-bridge modules to the intermediate circuit via a conventional connecting line or via a busbar.
11. Umrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Verbindugsleitung als Filterinduktivität dient.11. Converter according to claim 10, characterized in that the inductance of the connecting line serves as a filter inductance.
12. Umrichter nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbbrückenmodule über die niederinduktive Busbar mit einem externen Zwischenkreiskondensator (Cz,extern) verbunden sind.12. Converter according to one of claims 9-11, characterized in that the half-bridge modules on the low-inductance busbar are connected to an external DC link capacitor (C z , external).
13. Umrichter nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Halbbrücken aufweist, die alle Bestandteil eines einzigen Moduls sind.13. Converter according to one of claims 1-8, characterized in that it has several half bridges, which are all part of a single module.
14. Umrichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul über eine Stromschiene an den Zwischenkreis angeschlossen ist.14. Converter according to claim 13, characterized in that the module is connected via a busbar to the intermediate circuit.
15. Umrichter nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Stromschiene gleichzeitig als Induktivität eines Ausgangsfilters dient. 15. Converter according to claim 14, characterized in that the inductance of the busbar also serves as the inductance of an output filter.
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