JP4243194B2 - ブリッジインバータ - Google Patents
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Description
従来技術
本発明は電気機械を作動させる、並列接続された複数のブリッジアームを備えたブリッジインバータに関する。DE−A4229440から、誘導要素を有する電気機械をスイッチオンおよびスイッチオフする回路装置が公知である。ここでは電気機械と並列に接続されたフリーホイール回路が、スイッチオフ後に誘導要素内に蓄積された磁気エネルギーを崩壊させる。フリーホイール回路は最終段のスイッチオフ後にすぐにスイッチオンされるスイッチ、例えばMOSFETを有する。フリーホイールにおいてダイオードの代わりにスイッチを使用することの利点は、フリーホイール回路内を電流が流れる間に生じるパワー損失がより少ないことである。フリーホイール回路内に配置されたスイッチのスイッチオン状態は、電気機械に対するスイッチオン信号があらわれることによって終了する。
【0002】
DE−A19841341から、パワー損失を低減させるためにスイッチが設けられている逓降変圧器が公知である。ここでこれらのスイッチは同期整流器として作動される。いわゆる不連続の作動では時々、出力側から入力側の方向へコイルを通って流れる逆流が生じる。同期整流器を通る逆流電流を回避するために、流れ方向を検出する装置が設けられる。この装置は同期整流器での電圧降下を評価する。
【0003】
本発明の課題は、効率を最適化することができる、誘導要素を有する電気機械を作動させる、並列接続された複数のブリッジアームを備えたブリッジインバータを提供することである。
【0004】
上述の課題は、独立請求項に記載された特徴部分の構成によって解決される。
【0005】
発明の利点
本発明による、誘導要素を有する電気機械を作動させる、並列接続された複数のブリッジアームを備えたブリッジインバータにはまず、電気機械にパルス状の制御信号を加えるスイッチが設けられる。同じようにスイッチを有するフリーホイール回路が存在する。コンパレータはフリーホイール回路内を流れる電流を所定の閾値と比較し、この閾値を下回った場合にスイッチング信号を供給する。このスイッチング信号は、フリーホイール回路内のスイッチをスイッチオフに導く。
【0006】
本発明のブリッジインバータは、アクティブにスイッチングされるフリーホイール作動を可能にする。
【0007】
本発明によるブリッジインバータの本質的な利点はパワー損失の低減である。パワー損失の低減は一方ではフリーホイール回路内の、加熱に通じる電気的損失に関係し、他方では電気機械における機械的な損失に関係する。
【0008】
フリーホイール回路内の電気的損失の低減は、既に従来技術においてDE−A4229440でダイオードの代わりに使用されるスイッチによって実現されている。電気機械における機械的損失の低減は、フリーホイール回路内を流れるフリーホイール電流の検出によって実現される。このフリーホイール電流は、コンパレータによって所定の閾値と比較される。コンパレータに生じたスイッチング信号は、閾値を下回った場合にフリーホイール回路内のスイッチをスイッチオフする。電気機械内に蓄積された機械的エネルギーは、パルス状制御信号のパルス休止中に電気機械をさらに回転させる。フリーホイール回路内のスイッチをスイッチオフしなければ、電気機械の誘導要素で生じた誘導電圧は、はじめはポジティブ方向に流れているフリーホイール電流の減衰後にネガティブ方向でのフリーホイール電流を迅速に上昇させる。これは電気機械の不所望な制動過程に結びつく。本発明の特徴はフリーホイール回路内の電気スイッチを効果的にスイッチオフすることによって、この制動過程を阻止することである。
【0009】
本発明のブリッジインバータは、殊に電気機械をパルス幅変調された信号によって作動させるのに適している。このパルス幅変調された信号によって、電気機械の中間作動電圧(mittlere Betriebsspannung)が設定される。
【0010】
本発明によるブリッジインバータの有利な発展形態および構成は、従属請求項に記載されている。
【0011】
有利な構成では、コンパレータの閾値は少なくとも近似的に0の値に固定されている。このような措置によって、コンパレータでのスイッチング信号の供給につながる電流のゼロ通過が検出される。このスイッチング信号は、フリーホイール回路内のスイッチを最適な時点でスイッチオフする。
【0012】
有利な構成では、フリーホイール回路内を流れる電流はフリーホイール回路内のスイッチでの電圧降下に依存して検出される。別個の電流センサは省略することができる。
【0013】
本発明のブリッジインバータの有利な構成では、電気機械の1つまたは複数の巻き線がHブリッジ回路内に配置される。このHブリッジ回路は、2つのハイサイドスイッチおよび2つのローサイドスイッチを有する。このブリッジ回路によって電気機械の回転方向を逆にすることができる。
【0014】
Hブリッジの有利な構成では、1つのハイサイドスイッチが常にスイッチオンされており、1つのローサイドスイッチにパルス幅変調された制御信号が供給され、他方のハイサイドスイッチにフリーホイール機能が割り当てられている。
【0015】
Hブリッジ回路の有利な択一的な構成では、1つのローサイドスイッチが常にスイッチオンされ、1つのハイサイドスイッチにパルス幅変調信号が供給され、他のローサイドスイッチがフリーホイール機能を担う。
【0016】
有利な構成では、スイッチとしてMOSFETトランジスタが使用される。この種のトランジスタは、スイッチオンされた状態で順方向抵抗が低いので、殊に低い動作電圧と高い動作電流を伴う使用に適している。
【0017】
例えばBLDC(ブラシレス直流)モータのおよび複数のストランドを有する非同期モータのような回転磁界機械で本発明のブリッジインバータが使用されるのは有利である。
【0018】
本発明によるブリッジインバータの有利な構成および発展形態は、さらなる従属請求項および以下の明細書に記載されている。
【0019】
図面
図1には、3ストランド式のBLDCモータを有するブリッジインバータ回路のブロック回路図が示されている。
【0020】
図2には、図1に記載されたブリッジインバータの詳細としてHブリッジが示されており、
図3のA〜図3のEには、図1のブリッジインバータおよび図2のHブリッジで生じる、時間に依存した信号特性が示されている。
【0021】
図1に示されたブリッジインバータは、供給電圧UBとアース10の間に位置する3つの直列回路を有する。これらの直列回路はそれぞれ2つのスイッチTR1、TR2;TR3、TR4;TR5、TR6を有する。供給電圧UBに接続されたスイッチTR1、TR3、TR5はハイサイドスイッチと称され、アース10に接続されたスイッチTR2、TR4、TR6はローサイドスイッチと称される。スイッチTR1、TR2;TR3、TR4;TR5、TR6は第1、第2、第3、第4、第5および第6の制御信号S1、S2、S3、S4、S5、S6によって駆動制御される。
【0022】
詳細には示されていない電気機械は第1、第2および第3のストランドW1、W2、W3を有する。これらのストランドW1、W2、W3は放射状に接続されている。第1のストランドと第2のストランドW1、W2から成る直列回路はHブリッジ11の対角分岐(Diagonale)に位置する。このHブリッジはスイッチTR1およびTR3をハイサイドスイッチとして有し、スイッチTR2およびTR4をローサイドスイッチとして有する。第2のストランドおよび第3のストランドW1、W3から成る直列回路は、スイッチTR3およびTR5をハイサイドスイッチとして有し、スイッチTR4およびTR6をローサイドスイッチとして有するHブリッジの対角分岐に位置する。第1のストランドおよび第3のストランドW1、W3から成る直列回路は、スイッチTR1およびTR5をハイサイドスイッチとして有し、スイッチTR2およびTR6をローサイドスイッチとして有するHブリッジの対角分岐に位置する。
【0023】
スイッチTR3内を流れる電流は第1の電流検出部12によって検出され、スイッチTR5内を流れる電流は第2の電流検出部13によって検出される。電流検出部12、13は電流評価装置と接続されている。この電流評価装置はスイッチング信号Sを出力する。
【0024】
図2には、図1内において破線で強調されたHブリッジ11が詳細に示されている。ここでスイッチTR1〜TR4にはそれぞれ、構造上必要な(strukturbedingte)ダイオードD1〜D4が挿入されている。このダイオードのカソード側の終端部はそれぞれ供給電圧UBの方向を指している。詳細には示されていない電気機械の第1および第2のストランドW1、W2の直列接続には、誘導電圧UPが補足されている。この誘導電圧は同期機では同期内部電圧と称される。
【0025】
スイッチTR3での電圧降下UDSはコンパレータ15に供給される。このコンパレータは、スイッチング信号S3Aを論理回路16に出力する。論理回路16は、スイッチング信号S3Aおよび別のスイッチング信号S3Bに依存して第3の制御信号S3を第3のスイッチTR3に出力する。
【0026】
図3のA〜図3のEにはそれぞれ時間tに依存する、第1、第3および第4の制御信号S1、S3、S4並びにスイッチング信号S3AおよびS3Bが示されている。
【0027】
第1の時点T1では第4の制御信号S4がスイッチオフレベルである0からスイッチオンレベルである1に変化し、第2の時点T2ではスイッチオンレベルである1からスイッチオフレベルである0に変化する。第2の時点と第1の時点T1、T2との差はスイッチオン持続時間PDに相当する。第3の時点T3で第4の制御信号S4は再びスイッチオフレベル0からスイッチオンレベル1に変化する。第3の時点と第1の時点T3、T1との差は周期持続時間PRTに相当する。
【0028】
第1の制御信号S1は図3のBでは、示された時間区間中では常にスイッチオンレベル1を有している。
【0029】
スイッチング信号S3Bは図3のCでは第2の時点T2でスイッチオフレベル0からスイッチオンレベル1に変化し、第3の時点T3でスイッチオンレベル1からスイッチオフレベル0へ変化する。
【0030】
スイッチング信号S3Aは、第2の時点と第3の時点T2、T3の間にある第4の時点T4であらわれる。スイッチング信号S3Aは、パルス状にスイッチオフレベル0からスイッチオンレベル1に変化し、スイッチオフレベル0に戻る。
【0031】
図3のEに示された第3の制御信号S3は第2の時点T2で、スイッチオフレベル0からスイッチオンレベル1へ変化し、第4の時点T4で再びスイッチオフレベル0に戻る。
【0032】
ブリッジ短絡を回避するために、実際にはここでは詳細には考察されていない差時間が挿入される。
【0033】
本発明によるブリッジインバータを図2に基づいてより詳細に説明する。
【0034】
図1に示されたブリッジインバータから、図2には図1で強調されたHブリッジ11が詳細に示されている。詳細には示されていない電気機械のストランドW1、W2、W3の所定の通電パターン(Bestromungsschema)に依存して、相応のスイッチング機能が詳細には考察されていないさらなるHブリッジ内で生じる。図1に示された電流検出部12、13、電流評価装置14およびスイッチング信号Sは、図2では電圧降下UDS、コンパレータ15およびスイッチング信号S3Aに相当する。従って電流検出は付加的なセンサなしに、コンパレータ15に供給される第3のスイッチTR3での電圧降下UDSを評価するだけで行われる。コンパレータ15に必要な閾値は、図示の実施例では電圧降下UDSの参照値と同じである。これは第3のスイッチと第4のスイッチTR3、TR4の接続部で生じる電位と同じべきである。電圧降下UDSがこの閾値を上回った場合、スイッチング信号S3Aは0レベルを有し、電圧降下UDSがこの閾値を下回った場合、スイッチング信号S3Aはスイッチオンレベル1を有する。
【0035】
スイッチング信号S3Aは論理回路16に供給される。この論理回路は第3のスイッチTR3用の第3の制御信号S3を供給する。この第3の制御信号は、スイッチング信号S3Bから得られる。このスイッチング信号S3B並びに別の制御信号S1、S2、S3は詳細には示されていない制御回路から供給される。
【0036】
図2に示されたHブリッジ11は例えば、放射接続で接続されたストランドW1、W2、W3の第1および第2のストランドW1、W2の通電に相当する。第4のスイッチTR4のスイッチオン持続時間PDは通電フェーズに相当し、第3の時点と第2の時点T3、T2とのあいだの時間差は第1および第2のストランドW1、W2のフリーホイールフェーズに相当する。この過程は周期的に、図3のAに示された周期持続時間PRTで繰り返される。従ってパルス形状の作動が生じる。有利にはパルス幅変調が行われる。ここでこの変調は殊にスイッチオン持続時間TDを変化させることによって行われる。必要な場合には周期持続時間PRTをそれだけで、または付加的に変化させることもできる。周期持続時間PRTは例えばマイクロ秒領域内にある。これはキロヘルツ領域のクロック周波数に相応する。
【0037】
図2に従ってより詳細に説明された方法は、他の各ストランドの組合せW1、W3;W2、W3に相応に当てはまる。次の構成は同じように三角に接続されたストランドW1、W2、W3に当てはまる。それぞれ2つのストランドW1、W2;W1、W3;W2、W3の代わりに、このような構成ではストランドW1、W2、W3がそれぞれ個々にHブリッジ回路の対角分岐に存在する。
【0038】
図2に図示された実施例では、第3のスイッチTR3においてのみ電圧降下UDSの検出部が示されている。一般的に電圧降下UDSは、全てのハイサイドスイッチTR1、TR3、TR5またはむしろ、インバータの全スイッチTR1〜TR6で生じる。
【0039】
スイッチオン持続時間TD中にストランドW1、W2が通電すると、第1のスイッチTR1、2つのストランドW1、W2および第4のスイッチTR4を流れる電流が形成される。この電流の流れは結果として、第1のストランドおよび第2のストランドW1、W2においてポジティブな電力高(Leistungsumsatz)をする。これは積(Produkt)UP*1によってあらわされ、詳細には示されていない電気的な機械を駆動させる。
【0040】
スイッチオン持続時間TDが経過した後、第2の時点T2と第3の時点T3とのあいだに存在する電流のフリーホイールフェーズが第1および第2のストランドW1、W2によって始まる。フリーホイールフェーズは、第4のスイッチTR4が第2の時点T2でスイッチオフされることによって開始する。
【0041】
図示されていない択一的な構成では第1のスイッチTR1を閉じることもできる。図示の実施例では第2の時点T2で第4のスイッチTR4が遮断されると、フリーホイール電流が生じる。このフリーホイール電流は、第1のスイッチTR1、第1および第2のストランドW1、W2および第3のスイッチTR3を流れる。
【0042】
フリーホイール電流を導くスイッチTR1〜TR6は、フリーホイール電流を導くのに適するように構成されなければならない。図示の実施例では有利には電界効果トランジスタ、殊にMOS電界効果トランジスタが使用される。このMOS電界効果トランジスタは、構造上必要なダイオードD1〜D4を有する。スイッチTR1〜TR6内に適切なフリーホイール電流路が準備されていない限り、フリーホイール電流を導くことができる別個の構成要素が必要である。第3のスイッチTR3内でのフリーホイール電流は、第3のダイオードD3でダイオード順方向電圧に相当する電圧降下を生じさせる。
【0043】
スイッチTR1〜TR6(実施例ではまず第3のスイッチTR3)がフリーホイールのあいだスイッチオンされると、本発明によってパワー損失を格段に低減させることができる。フリーホイール作動中は、第3のスイッチTR3は逆に作動される。詳細には示されていない制御回路から供給された、第3のスイッチTR3に対するスイッチング信号S3Bは、図3のCでは第2の時点と第3の時点T2、T3とのあいだのフリーホイール中、スイッチオンレベルに維持される。第3のダイオードD3のダイオード順方向電圧がなくなることが原因で、僅かな電圧降下UDSしか生じない。この電圧降下は導通状態での第3のスイッチTR3の順方向電圧に相当する。
【0044】
さらにフリーホイール電流はポジティブな積UP*Iに相応して、第1および第2のストランドにおけるポジティブな電力を実現する。2つのストランド内の誘導要素内で蓄積された誘導エネルギーが使い果たされる。
【0045】
さらに回転する電気機械によって、蓄積された誘導エネルギーの崩壊後にさらにフリーホイール電流が流れる。なぜならフリーホイール電流は電気機械の誘導電圧UPによって維持されるからである。しかしここで誘導電圧UPによってさらに維持されたフリーホイール電流は今度は反対の符号を有する。このような作動状態では、不所望のネガティブなパワーが第1および第2のストランドW1、W2に生じる。このパワーは電気機械の制動に相当する。
【0046】
フリーホイール電流の検出部が設けられている。図示の実施例ではこのフリーホイール電流は間接的に電圧降下UDSを介して検出される。このフリーホイール電流はコンパレータ15の所定の閾値と比較される。図示の実施例ではこの閾値は、電圧降下UDSの基準電位によって形成される。この電圧降下UDSが少なくとも近似的に符号を変化させる場合、コンパレータ15はスイッチング信号S3Aを第4の時点T4で出力する。電圧降下UDSの符号変化に相応してこの時点で、時点T4でポジティブな値からネガティブな値に変化するフリーホイール電流のゼロ通過が生じる。
【0047】
コンパレータ15から出力されたスイッチング信号S3Aは、倫理回路16に供給される。この論理回路はスイッチング信号S3Bを第4の時点T4から抑圧する。従って第3のスイッチには第3の制御信号S3が、図3のEで第4の時点と第2の時点T4、T2の差に相当する持続時間のあいだだけ導かれる。これによって第4の時点T4で第3のスイッチTR3がスイッチオフされる。第3のダイオードD3はフリーホイール電流のゼロ通過後に自発的に遮断する。従って第3のスイッチTR3を通ってフリーホイール電流がさらに流れることは第4の時点T4からもはや不可能である。
【0048】
第3のスイッチTR3の代わりに、第2のスイッチTR2にフリーホイール電流を同じように導くようにすることができる。このような構成では第1のスイッチTR1に第1の制御信号S1が印加される。この制御信号は図3のAに示された第4の制御信号S4に相応し、第4のスイッチTR4には、第1のスイッチTR1の図3のBに示された第1の制御信号S1に相当する制御信号S4が供給される。
【0049】
このような構成では第2のスイッチTR2での電圧降下UDSが評価される。
【0050】
本発明のブリッジインバータは、アクティブにスイッチングされるフリーホイールによって、損失の少ない作動を可能にする。これはインバータの冷却コストがより少なくなることにつながる。それ故に本発明のブリッジインバータは殊に、比較的高い電流需要を有する電気機械の作動に適する。電気機械としては有利にはBLDCモータまたは非同期モータが使用される。例えば自動車内で使用されるような100Vより低い範囲の比較的低い作動電圧の場合、スイッチTR1〜TR6を電界効果トランジスタ、殊にMOS電界効果トランジスタとして実現することができる。これは構造上必要なダイオードD1〜D4を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 3ストランド式のBLDCモータを有するブリッジインバータのブロック回路図である。
【図2】 図1に記載されたブリッジインバータの詳細であるHブリッジをあらあわす概略図である。
【図3】 図3のA〜図3のEは、図1のブリッジインバータおよび図2のHブリッジで生じる、時間に依存した信号特性である。
Claims (8)
- 誘導要素を有する電気機械を作動させる、並列接続された複数のブリッジアームを備えたブリッジインバータであって、
前記ブリッジアームの各々は供給電圧(UB)とアース(10)の間にある直列回路を含み、当該直列回路は、前記電気機械をパルス状の制御信号(S1、S3;S2、S4)によってスイッチングし、ハイサイドスイッチ(TR1、TR3)とローサイドスイッチ(TR2、TR4)から成り、
前記複数のブリッジアームは、当該ハイサイドスイッチ(TR1、TR3)と当該ローサイドスイッチ(TR2、TR4)の間で対角分岐を介して接続されており、
当該対角分岐はそれぞれ、前記電気機械の少なくとも1つのストランド(W1、W2、W3)を有しており、
前記スイッチ(TR1、TR3;TR2、TR4)にはそれぞれ手段が並列接続されており、当該手段は前記電気機械のフリーホイール期間中にフリーホイールを可能にする、形式のものにおいて、
コンパレータ(15)が設けられており、当該コンパレータは、フリーホイール期間中に、相応する前記スイッチ(TR1、TR3;TR2、TR4)を通って流れるフリーホイール電流を所定の閾値と比較し、当該閾値を下回った場合に、当該相応するスイッチ(TR1、TR3、TR2、TR4)をスイッチオフに導くスイッチング信号(S3A)を供給する、
ことを特徴とするブリッジインバータ。 - 前記フリーホイール電流のゼロ通過を検出するために、前記所定の閾値は0に固定されている、請求項1記載のブリッジインバータ。
- 前記フリーホイール電流は、相応するスイッチ(TR1、TR2、TR3、TR4)での電圧降下(UDS)を介して間接的に検出され、
当該電圧降下(UDS)が前記閾値を上回る場合には、相応するスイッチ(TR1、TR3、TR2、TR4)をスイッチオフに導く前記スイッチング信号(S3A)は0レベルを有し、
前記電圧降下(UDS)が前記閾値を下回る場合には、前記スイッチング信号(S3A)はスイッチオンレベル1を有する、請求項1または2記載のブリッジインバータ。 - 第1のブリッジアームの前記ハイサイドスイッチ(TR1、TR3)は常にスイッチオンされており、他のブリッジアームのローサイドスイッチ(TR4、TR2)にはパルス状の制御信号(S4、S2)が供給され、
他のブリッジアームのハイサイドスイッチ(TR3、TR1)がフリーホイール期間中であり、当該他のブリッジアームのローサイドスイッチ(TR4、TR2)がスイッチオフされている間、前記他のブリッジアームのハイサイドスイッチ(TR3、TR1)には制御信号(S3、S1)として、スイッチオンするためのスイッチング信号(S3B)が供給される、請求項1記載のブリッジインバータ。 - 第1のブリッジアームの前記ローサイドスイッチ(TR2、TR4)は常にスイッチオンされており、他のブリッジアームのハイサイドスイッチ(TR3、TR1)にはパルス状の制御信号(S3、S1)が供給され、
他のブリッジのローサイドスイッチ(TR4、TR2)がフリーホイール期間中であり、当該他のブリッジアームのハイサイドスイッチ(TR3、TR1)がスイッチオフされている間、前記他のブリッジアームのローサイドスイッチ(TR4、TR2)には制御信号(S4、S2)として、スイッチオンするためのスイッチング信号が供給される、請求項1記載のブリッジインバータ。 - 前記相応のスイッチ(TR1、TR3、TR2、TR4)をスイッチオフするためのスイッチング信号(S3A)は、前記相応のスイッチ(TR1、TR3、TR2、TR4)をスイッチオンするためのスイッチング信号(S3B)を抑圧する、請求項4または5記載のブリッジインバータ。
- フリーホイールを可能にする前記手段は、MOS電界効果トランジスタとして構成されたスイッチ(TR1、TR2、TR3、TR4)の、構造上必要なダイオード(D1、D2、D3、D4)として構成されており、当該ダイオードのカソード側の終端部はそれぞれ、前記供給電圧(UB)の方向を指している、請求項1記載のブリッジインバータ。
- 前記電気機械は多相式機械として、または、電子的に整流される直流モータ(BLDC)として、または、非同期モータとして設けられている、請求項1から7までのいずれか1項記載のブリッジインバータ。
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