DE102023201509A1 - Safe shutdown of an inverter - Google Patents
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Abstract
Eine Endstufe (120) für einen Wechselrichter, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine (110), umfasst eine Halbbrücke mit einem als JFET ausgeführten Stromventil (215). Das Stromventil (215) ist dazu eingerichtet, von einem Treiber (125) gesteuert zu werden. Die Endstufe (120) umfasst ferner eine Sicherungsschaltung (300) zum aktiven Öffnen des Stromventils (215) bei einer mangelnden Versorgungsspannung des Treibers (125) und eine Trennvorrichtung (400) zur Isolation des Stromventils (215) vom Treiber (125). An output stage (120) for an inverter, in particular for controlling an electrical machine (110), comprises a half-bridge with a current valve (215) designed as a JFET. The current valve (215) is designed to be controlled by a driver (125). The output stage (120) further comprises a safety circuit (300) for actively opening the current valve (215) in the event of a lack of supply voltage to the driver (125) and a separating device (400) for isolating the current valve (215) from the driver (125).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Wechselrichter, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine. Genauer betrifft die Erfindung die Abschaltung des Wechselrichters bei Verlust einer für den kontrollierten Betrieb der Maschine erforderlichen Versorgungsspannung.The present invention relates to an electrical inverter, in particular for controlling an electrical machine. More specifically, the invention relates to the shutdown of the inverter in the event of a loss of a supply voltage required for the controlled operation of the machine.
Ein Kraftfahrzeug umfasst zum Antrieb eine elektrische Maschine, die mittels eines Wechselrichters aus einem elektrischen Energiespeicher betrieben werden kann. Dazu stellt der Wechselrichter der Maschine drei um jeweils 120° phasenverschobene Wechselströme bereit. Ein durch die Maschine bereitgestelltes Drehmoment oder eine von ihr eingenommene Drehzahl kann durch Beeinflussen der Wechselströme gesteuert werden.A motor vehicle comprises an electric machine for propulsion, which can be operated from an electrical energy storage device using an inverter. To do this, the inverter provides the machine with three alternating currents, each 120° out of phase. A torque provided by the machine or a speed assumed by it can be controlled by influencing the alternating currents.
Der Wechselrichter umfasst üblicherweise eine Endstufe mit drei Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst zwei zwischen Anschlüssen des Energiespeichers in Serie geschaltete Stromventile, zwischen denen ein Anschluss der elektrischen Maschine verbunden ist. Ein Treiber öffnet und schließt die Stromventile alternierend mit einem variablen Tastverhältnis, um einen vorbestimmten Wechselstrom bereitzustellen. Als Stromventile werden üblicherweise Halbleiter verwendet, beispielsweise IGBT oder FET. Um einen Kurzschluss zu vermeiden ist unbedingt sicherzustellen, dass nicht beide Stromventile gleichzeitig geschlossen sind.The inverter usually comprises an output stage with three half-bridges. A half-bridge comprises two current valves connected in series between connections of the energy storage device, between which a connection of the electrical machine is connected. A driver opens and closes the current valves alternately with a variable duty cycle in order to provide a predetermined alternating current. Semiconductors are usually used as current valves, for example IGBT or FET. To avoid a short circuit, it is essential to ensure that both current valves are not closed at the same time.
Eine korrekte Ansteuerung der Stromventile kann nicht sichergestellt werden, falls eine Versorgungsspannung des Treibers zu gering ist. Werden Stromventile eingesetzt, die ohne Ansteuerung geschlossen sind (normally-on), beispielsweise JFET, so müssen diese bei einem Spannungsfehler, wenn die Versorgungsspannung aussetzt, mittels einer separaten Schaltung aktiv geöffnet werden.Correct control of the current valves cannot be guaranteed if the driver's supply voltage is too low. If current valves are used that are closed without control (normally-on), for example JFET, they must be actively opened by means of a separate circuit in the event of a voltage error when the supply voltage fails.
Es wurde vorgeschlagen, ein normally-on Stromventil mittels eines Kondensators abzusichern, der im Normalbetrieb aufgeladen wird und der bei einem Spannungsfehler Energie zum Schließen des Stromventils bereitstellt. Allerdings kann der Kondensator rasch über den Treiber wieder entladen werden, sodass die Abschaltung nicht gelingt oder nur von kurzer Dauer ist.It has been proposed to protect a normally-on current valve by means of a capacitor that is charged during normal operation and provides energy to close the current valve in the event of a voltage fault. However, the capacitor can be quickly discharged again via the driver so that the shutdown is not successful or is only short-lived.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur sicheren Abschaltung eines Wechselrichters mit einem Stromventil, das ohne Ansteuerung geschlossen ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.One object of the invention is to provide an improved technique for safely switching off an inverter with a current valve that is closed without control. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments.
Eine Endstufe für einen Wechselrichter, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, umfasst eine Halbbrücke mit einem Stromventil, das ohne Ansteuerung geschlossen ist, beispielsweise in Form eines JFET. Das Stromventil ist dazu eingerichtet, von einem Treiber gesteuert zu werden.An output stage for an inverter, in particular for controlling an electrical machine, comprises a half-bridge with a current valve that is closed without control, for example in the form of a JFET. The current valve is designed to be controlled by a driver.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Endstufe für einen Wechselrichter, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, eine Halbbrücke mit einem als JFET ausgeführten Stromventil. Das Stromventil ist dazu eingerichtet, von einem Treiber gesteuert zu werden. Die Endstufe umfasst ferner eine Sicherungsschaltung zum aktiven Öffnen des Stromventils bei einer mangelnden Versorgungsspannung des Treibers und eine Trennvorrichtung zur Isolation des Stromventils vom Treiber.According to a first aspect of the present invention, an output stage for an inverter, in particular for controlling an electrical machine, comprises a half-bridge with a current valve designed as a JFET. The current valve is designed to be controlled by a driver. The output stage further comprises a safety circuit for actively opening the current valve in the event of a lack of supply voltage to the driver and a separating device for isolating the current valve from the driver.
Mittels der Trennschaltung kann der Kondensator im Fall eines Spannungsfehlers vom Treiber getrennt und dadurch sichergestellt werden, dass das Stromventil über eine längere Zeit geschlossen gehalten werden kann. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem die Versorgungsspannung betragsmäßig niedrig, aber nicht null ist, verhindert werden, dass ein Leckstrom aus dem Kondensator durch den Treiber fließt.The isolation circuit can be used to disconnect the capacitor from the driver in the event of a voltage fault, thereby ensuring that the current valve can be kept closed for a longer period of time. For example, in a case where the supply voltage is low in magnitude but not zero, a leakage current from the capacitor can be prevented from flowing through the driver.
Üblicherweise umfasst die Endstufe zwei Stromventile, die in Serie zu einer Halbbrücke zusammengeschaltet sind, an der durch alternierendes Ansteuern der Stromventile eine Spannung bereitgestellt werden kann. Zur Bereitstellung verschiedener Spannungen kann die Endstufe mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Stromventilen umfassen. Eine übliche elektrische Maschine umfasst drei Phasen, für die individuelle Spannungen bereitgestellt werden müssen.The output stage usually comprises two current valves connected in series to form a half-bridge, to which a voltage can be provided by alternately controlling the current valves. To provide different voltages, the output stage can comprise several half-bridges, each with two current valves. A typical electrical machine comprises three phases, for which individual voltages must be provided.
Es kann ausreichen, nur eines der Stromventile einer Halbbrücke mit der beschriebenen Sicherungsschaltung auszustatten, um im Fall eines Spannungsfehlers einen Kurzschluss durch die Endstufe zu verhindern. Optional können auch mehrere voneinander unabhängige Sicherungsschaltungen aufgebaut werden. Für jedes Stromventil, das mittels einer Sicherungsschaltung abgesichert ist, kann eine eigene Trennvorrichtung vorgesehen sein.It may be sufficient to equip only one of the current valves of a half-bridge with the described safety circuit in order to prevent a short circuit through the output stage in the event of a voltage fault. Optionally, several independent safety circuits can also be set up. A separate isolating device can be provided for each current valve that is protected by a safety circuit.
Durch passendes Dimensionieren des Kondensators kann eine Zeit bestimmt werden, über die das Stromventil sicher offengehalten werden kann. Diese Zeit kann an eine andere Zeit angepasst sein, innerhalb der eine andere Sicherungsmaßnahme greifen kann, beispielsweise eine Trennung der Betriebsspannung von der Endstufe mittels einer Schutzeinrichtung, die ein Relais oder eine Halbleiter-Anordnung umfassen kann. Der Kondensator wird im Fall eines Spannungsfehlers, wenn die Versorgungsspannung des Treibers betragsmäßig zu klein ist, im Wesentlichen nur durch einen geringen Leckstrom durch das Stromventil entladen, sodass er nur eine geringe Kapazität aufweisen muss, um das Stromventil ausreichend lange geöffnet zu halten. In einer üblichen Anwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs kann bereits eine Kapazität von einigen 100 µF ausreichen, um das Stromventil über mehrere Sekunden hinweg geöffnet zu halten. Der Kondensator wird üblicherweise nur auf einige zehn Volt aufgeladen.By appropriately dimensioning the capacitor, a time can be determined for which the current valve can be kept safely open. This time can be adapted to another time within which another safety measure can take effect, for example, a separation of the operating voltage from the output stage by means of a protective device that can include a relay or a semiconductor arrangement. The capacitor In the event of a voltage fault, when the driver supply voltage is too small, the capacitor is essentially only discharged by a small leakage current through the current valve, so that it only needs to have a small capacitance to keep the current valve open for a sufficiently long time. In a typical application on board a motor vehicle, a capacitance of just a few 100 µF can be enough to keep the current valve open for several seconds. The capacitor is usually only charged to a few tens of volts.
Der Treiber kann dazu eingerichtet sein, das Stromventil mittels eines Ausschaltsignals aktiv zu öffnen oder mittels eines Einschaltsignals aktiv zu schließen; wobei die Trennvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, das Einschaltsignal vom Stromventil zu isolieren. Das Ausschaltsignal kann unverändert mit dem Stromventil verbunden sein. Das Einschaltsignal kann durch eine vorbestimmte erste Spannung und das Ausschaltsignal eine vorbestimmte zweite Spannung repräsentiert sein, die jeweils an einem Steueranschluss des Stromventils auftreten können. Dabei können getrennte oder ein gemeinsamer Anschluss für beide Signale vorgesehen sein. The driver can be set up to actively open the flow valve using a switch-off signal or to actively close it using a switch-on signal; the isolating device is preferably set up to isolate the switch-on signal from the flow valve. The switch-off signal can be connected to the flow valve without change. The switch-on signal can be represented by a predetermined first voltage and the switch-off signal by a predetermined second voltage, which can each occur at a control connection of the flow valve. Separate or a common connection can be provided for both signals.
Die Trennvorrichtung umfasst bevorzugt einen Halbleiterschalter, bevorzugt einen FET (Feldeffekttransistor), um eine Weiterleitung oder Isolation eines Signals des Treibers an das Stromventil zu steuern. Der Halbleiterschalter kann selbstsperrend ausgeführt sein, sodass er ohne ein eigenes Steuersignal das Stromventil vom Treiber trennt. Dazu kann der Halbleiterschalter einen Anreicherungstyp umfassen, insbesondere mit N-Kanal, um verbessert kompatibel mit einer durch die Sicherungsschaltung bereitgestellten Steuerspannung zu sein.The isolating device preferably comprises a semiconductor switch, preferably a FET (field effect transistor), to control the forwarding or isolation of a signal from the driver to the current valve. The semiconductor switch can be designed to be self-locking, so that it separates the current valve from the driver without its own control signal. For this purpose, the semiconductor switch can comprise an enhancement type, in particular with an N-channel, in order to be more compatible with a control voltage provided by the fuse circuit.
Der Halbleiterschalter kann mittels einer Spannung gesteuert werden, die durch die Sicherungsschaltung bereitgestellt ist. Es kann eine Z-Diode vorgesehen sein, um den Halbleiterschalter zu öffnen, wenn die bereitgestellte Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht. Über eine Durchbruchspannung der Z-Diode kann abhängig von der verwendeten negativen Steuerspannung der Sicherungsschaltung die minimale Abkoppelschwelle des Kondensators eingestellt werden, sodass ein ausreichender Pegel für den sicheren Aus-Zustand des Stromventils bzw. des Halbleiterschalters nicht unterschritten wird.The semiconductor switch can be controlled by means of a voltage provided by the safety circuit. A Z-diode can be provided to open the semiconductor switch when the voltage provided reaches a predetermined value. The minimum decoupling threshold of the capacitor can be set via a breakdown voltage of the Z-diode depending on the negative control voltage used in the safety circuit, so that a sufficient level for the safe off state of the current valve or the semiconductor switch is not undercut.
Weiter bevorzugt ist ein Widerstand in Serie mit der Z-Diode vorgesehen, wobei eine Steuerspannung für den Halbleiterschalter an diesem Widerstand abfällt. Der Widerstand kann insbesondere zwischen einem Gate- und einem Source-Anschluss des Halbleiterschalter angeschossen sein. Der Drain-Anschluss des Halbleiterschalter kann mit dem Einschaltsignal und sein Source-Anschluss mit dem Gate-Anschluss des Stromventils verbunden sein.Further preferably, a resistor is provided in series with the Z-diode, with a control voltage for the semiconductor switch being dropped across this resistor. The resistor can in particular be connected between a gate and a source terminal of the semiconductor switch. The drain terminal of the semiconductor switch can be connected to the switch-on signal and its source terminal to the gate terminal of the current valve.
Die Sicherungsschaltung umfasst bevorzugt einen weiteren JFET, dessen Drain-Anschluss mittels eines Kondensators mit dem Gate-Anschluss des Stromventils verbunden ist. An das Gate-Anschluss des weiteren JFET kann ein Signal angelegt werden, das den weiteren JFET schließt, wenn die Versorgungsspannung unter einen vorbestimmten Wert absinkt. Zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des weiteren JFET können eine Diode und ein Widerstand in Serie angeschlossen sein, um den Kondensator, wenn kein Spannungsfehler an der Versorgungsspannung vorliegt, aufzuladen. Die Z-Diode kann vom Gate-Anschluss des Halbleiterschalters zum Drain-Anschluss des weiteren JFET führen. Optional ist ein Widerstand (pull-down) zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des weiteren JFET vorgesehen, um einem unbeabsichtigtes Öffnen des weiteren JFET vorzubeugen.The safety circuit preferably comprises a further JFET, the drain terminal of which is connected to the gate terminal of the current valve by means of a capacitor. A signal can be applied to the gate terminal of the further JFET, which closes the further JFET when the supply voltage falls below a predetermined value. A diode and a resistor can be connected in series between the drain terminal and the source terminal of the further JFET in order to charge the capacitor when there is no voltage error on the supply voltage. The Z-diode can lead from the gate terminal of the semiconductor switch to the drain terminal of the further JFET. Optionally, a resistor (pull-down) is provided between the gate terminal and the source terminal of the further JFET in order to prevent the further JFET from opening unintentionally.
Der Treiber kann die Steuerung des Stromventils unterschiedlich bewirken. In einer ersten Variante stellt der Treiber ein Signal bereit, das mittels einer ersten Diode in ein Einschaltsignal und mittels einer zur ersten antiparallelen zweiten Diode in ein Ausschaltsignal für das Stromventil umgewandelt wird. Beispielsweise kann der Treiber in CMOS-Technik aufgebaut sein. Die Dioden sowie optionale, jeweils in Serie dazu geschaltete Widerstände, können vom Treiber umfasst sein oder außerhalb liegen. In dieser Variante kann es ausreichen, im Fall eines Spannungsfehlers das Einschaltsignal mittels des Halbleiterschalters vom Stromventil zu isolieren bzw. zu trennen.The driver can control the current valve in different ways. In a first variant, the driver provides a signal that is converted into a switch-on signal for the current valve by means of a first diode and into a switch-off signal for the current valve by means of a second diode that is antiparallel to the first. For example, the driver can be constructed using CMOS technology. The diodes and optional resistors connected in series can be included in the driver or located outside of it. In this variant, it can be sufficient to isolate or separate the switch-on signal from the current valve using the semiconductor switch in the event of a voltage error.
In einer zweiten Variante stellt der Treiber ein Einschaltsignal und ein davon unabhängiges Ausschaltsignal bereit und das Ausschaltsignal ist mittels einer Diode vom Stromventil entkoppelt. Das Einschaltsignal kann im Fall eines Spannungsfehlers wie in der ersten Variante mittels des Halbleiterschalters vom Stromventil isoliert werden. Ein solcher Aufbau ist auch als offener Kollektor (open collector) bekannt und kann es erlauben, eine Einschaltgeschwindigkeit und eine Ausschaltgeschwindigkeit des Stromventils unabhängig voneinander zu steuern.In a second variant, the driver provides a switch-on signal and an independent switch-off signal, and the switch-off signal is decoupled from the current valve by means of a diode. In the event of a voltage error, the switch-on signal can be isolated from the current valve by means of the semiconductor switch, as in the first variant. Such a structure is also known as an open collector and can allow the switch-on speed and switch-off speed of the current valve to be controlled independently of one another.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Wechselrichter zum Ansteuern einer elektrischen Maschine eine hierin beschriebene Endstufe. Die Endstufe kann eine oder mehrere Halbbrücken umfassen und eine Halbbrücke kann eines oder mehrere Stromventile umfassen. Optional ist der Treiber zur Ansteuerung von Stromventilen ebenfalls von der Endstufe umfasst. Auch ein Zwischenkreiskondensator zur Entkopplung einer Gleichspannung, an der eine Halbbrücke betrieben werden kann, kann vom Wechselrichter umfasst sein. Ferner kann der Wechselrichter ein Kühlsystem mit einem Fluidkanal umfassen, in dem ein Fluid bewegt werden kann, um Wärme eines Stromventils, einer Halbbrücke oder des ZKK abzutransportieren. According to a further aspect of the invention, an inverter for controlling an electrical machine comprises an output stage as described herein. The output stage may comprise one or more half-bridges and a half-bridge may comprise one or more current valves. Optionally, the driver for controlling current valves is also from the output stage. The inverter can also include an intermediate circuit capacitor for decoupling a direct voltage at which a half-bridge can be operated. The inverter can also include a cooling system with a fluid channel in which a fluid can be moved in order to transport heat away from a current valve, a half-bridge or the intermediate circuit capacitor.
Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, auf der Basis einer Gleichspannung, die insbesondere von einem Akkumulator oder einer anderen transportablen Energiequelle bereitgestellt sein kann, eine oder mehrere Wechselspannungen bereitzustellen. Die Gleichspannung liegt für einen Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs üblicherweise bei ca. 400 V, ca. 800 V oder ca. 900 V, andere Spannungen sind jedoch ebenfalls möglich. Weiter bevorzugt sind die Wechselspannungen so aufeinander abgestimmt, dass sie zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine, eingesetzt werden können. In einer Ausführungsform ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, die Wechselspannungen in Abhängigkeit eines Steuersignals bereitzustellen. Das Steuersignal kann ein durch die Maschine bereitzustellendes Drehmoment und/oder eine von der Maschine einzunehmende Drehzahl umfassen. Anders ausgedrückt kann der Treiber eine vektororientierte Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschine durchführen. Die elektrische Maschine ist weiter bevorzugt zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs einrichtet.The inverter is designed to provide one or more alternating voltages based on a direct voltage, which can be provided in particular by a battery or another portable energy source. The direct voltage for use on board a motor vehicle is usually around 400 V, around 800 V or around 900 V, but other voltages are also possible. The alternating voltages are further preferably coordinated with one another in such a way that they can be used to control an electrical machine, for example a permanently excited synchronous machine. In one embodiment, the inverter is designed to provide the alternating voltages depending on a control signal. The control signal can include a torque to be provided by the machine and/or a speed to be assumed by the machine. In other words, the driver can carry out a vector-oriented control or regulation of the electrical machine. The electrical machine is further preferably designed to drive a motor vehicle.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug einen hierin beschriebenen Wechselrichter, Der Achsantrieb kann ein festes oder schaltbares Getriebe umfassen, um eine Drehbewegung der elektrischen Maschine an ein Antriebsrad des Kraftfahrzeugs zu übermitteln. Der Achsantrieb kann dazu eingerichtet sein, von einer weiteren Antriebsmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, angetrieben zu werden. Drehmomente der elektrischen Maschine und der weiteren Antriebsmaschine können entsprechend miteinander gekoppelt werden.According to yet another aspect of the present invention, an electric axle drive for a motor vehicle comprises an inverter as described herein. The axle drive can comprise a fixed or switchable transmission in order to transmit a rotary motion of the electric machine to a drive wheel of the motor vehicle. The axle drive can be designed to be driven by a further drive machine, in particular an internal combustion engine. Torques of the electric machine and the further drive machine can be coupled to one another accordingly.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen hierin beschrieben elektrischen Achsantrieb. Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt einen Personenkraftwagen, kann aber auch ein Kraftrad, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus umfassen.According to yet another aspect of the present invention, a motor vehicle comprises an electric axle drive as described herein. The motor vehicle preferably comprises a passenger car, but can also comprise a motorcycle, a truck or a bus.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein Kraftfahrzeug; -
2 einen Schaltplan eines Wechselrichters; -
3 einen Schaltplan einer Sicherungsschaltung; -
4 einen Schaltplan einer Trennschaltung; -
5 einen Schaltplan einer Trennschaltung in einer weiteren Ausführungsform; und -
6 Verläufe von Spannungen an einem Wechselrichter
-
1 a motor vehicle; -
2 a circuit diagram of an inverter; -
3 a circuit diagram of a fuse circuit; -
4 a circuit diagram of an isolating circuit; -
5 a circuit diagram of a separating circuit in another embodiment; and -
6 Voltage curves on an inverter
Nicht in
Der Wechselrichter 115 ist bevorzugt dazu eingerichtet, auf der Basis einer durch den Energiespeicher 130 bereitgestellten Gleichspannung mehrere phasenverschobene Wechselspannungen zu erzeugen und an die Antriebsmaschine 110 bereitzustellen. Die Bereitstellung erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal, das von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs 105 bereitgestellt werden kann.The
Exemplarisch sind an einem der Stromventile 215 ein Gate-Anschluss G, ein Drain-Anschluss D und ein Source-Anschluss S gemäß der üblichen Konventionen bezeichnet. Zwei Stromventile 215 einer Halbbrücke 210 sind in Serie geschaltet, indem der Source-Anschluss des high-side Stromventils 215 mit dem Drain-Anschluss des low-side Stromventils 215 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen ist herausgeführt, um mit einer Phase der elektrischen Maschine 110 verbunden zu werden. Der Strom wird hier beispielhaft durch einen Widerstand 220 geführt, sodass an ihm eine Spannung abfällt, die proportional zum Strom ist, der durch diese Phase der elektrischen Maschine 110 fließt. Diese Spannung kann vom Treiber 125 ausgewertet werden. Andere Methoden der Strommessung sind ebenfalls möglich.By way of example, a gate connection G, a drain connection D and a source connection S are designated on one of the
Der Drain-Anschluss des high-side Stromventils 215 ist mit einem hohen Potential und der Source-Anschluss des low-side Stromventils 215 mit einem niedrigen Potential des Energiespeichers 130 verbunden. Parallel zum Energiespeicher 130 ist der ZKK 205 angeschlossen.The drain connection of the high-side
Der Treiber 125 stellt Steuerspannungen an die insgesamt sechs Stromventile 215 bereit, um an den Phasen der elektrischen Maschine 110 jeweils eine vorbestimmte Spannung zu erzeugen. Da ein Stromventil 215 ohne Ansteuerung geschlossen ist, muss es aktiv durch Bereitstellung einer passenden Steuerspannung geöffnet werden. Der Treiber 125 wird mit einer Versorgungsspannung betrieben, die aus dem Energiespeicher 130 oder einer anderen Quelle bereitgestellt werden kann. Sollte die Versorgungsspannung ausfallen oder unter ein vorbestimmtes Minimum absinken, so kann der Treiber 125 nicht mehr korrekt arbeiten und insbesondere nicht verhindern, dass beide Stromventile 215 einer Halbbrücke 210 gleichzeitig geschlossen sind, sodass ein Kurzschluss über den Energiespeicher 130 entstehen kann. Üblicherweise ist eine Schutzeinrichtung 230 zur Trennung des Energiespeichers 130 vom Wechselrichter 115 vorgesehen, jedoch kann diese eine gewisse Ansprechzeit erfordern. Zur Verhinderung eines Kurzschlusses wird vorgeschlagen, eine Sicherungsschaltung an einem Stromventil 215 einer Halbbrücke 210 vorzusehen, die das Stromventil 215 bei Absinken oder Ausfallen der Versorgungsspannung öffnet und über eine vorbestimmte Zeit offen hält.The
Der Diode 310 ist ein weiterer JFET 325 parallelgeschaltet, wobei ein Drain-Anschluss mit der Kathode und ein Source-Anschluss mit der Anode der Diode 310 verbunden ist. Der Gate-Anschluss des weiteren JFET 325 ist beispielhaft mit einer Schnittstelle 330 verbunden. Der Source-Anschluss des weiteren JFET 325 ist hier außerdem mit einem hohen Potential einer Spannungsversorgung 335 verbunden, die eine Versorgungsspannung für den Treiber 125 bereitstellt.Another
Wird der Gate-Anschluss des weiteren JFET 325 mit einem passenden Potential verbunden, so öffnet der JFET 325 und ein Entladen des Kondensators 310 beim Pegelwechsel der Ansteuerung 125 wird verhindert . Die Diode 315 erlaubt ein Aufladen des Kondensators 310 über die Ansteuerung durch den Treiber 125 und verhindert ein Entladen des Kondensators 310, wenn der weitere JFET 325 geschlossen ist. Wird das Signal vom Gate-Anschluss entfernt oder mit einem komplementären Signal verbunden, so schließt der JFET 325, sodass der aufgeladene Kondensator 310 am Stromventil 215 zwischen Gate-Anschluss und Source-Anschluss liegt. Durch die Kondensatorspannung wird das Stromventil 215 geöffnet und ein Stromfluss durch das Stromventil 215 vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss verhindert.If the gate connection of the
In einer Ausführungsform ist die Schnittstelle 330 mit einer Quelle für ein passendes Abschaltsignal verbunden, beispielsweise mit einem Kontrollanschluss eines Steuermoduls 225, welches das Stromventil 215 umfasst. Das Signal kann aktiv werden, falls die Versorgungsspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert absinkt. Das Signal kann eine Hysterese aufweisen, sodass es erst wieder deaktiviert wird, wenn die Versorgungsspannung einen zweiten Schwellenwert übersteigt, der höher als der erste Schwellenwert ist. Ein Widerstand 340 zwischen der Schnittstelle 330 und dem Source-Anschluss des weiteren JFET 325 kann sicherstellen, dass der JFET 325 geschlossen ist, wenn kein Signal an der Schnittstelle 330 anliegt.In one embodiment, the
Eine optionale Schaltung, die in
Liegt kein Spannungsfehler an der Versorgungsspannung vor, fällt die negative Versorgungsspannung über dem Widerstand 350 und der Z-Diode 345 ab. Die Z-Diode 345 weist eine geeignete Durchbruchsspannung auf, sodass die Spannung über dem Widerstand 350 in diesem Fall ausreichend hoch ausfällt, um den weiteren JFET 325 sicher geöffnet zu halten. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung ca. -20 V betragen. Die Z-Diode 345 hat dabei eine beispielhafte Durchbruchsspannung von ca. 10 V. Somit fallen über dem Widerstand 350 ebenfalls 10 V ab und die Ansteuerspannung des weiteren JFET 325 liegt bei -10 V, sodass der weitere JFET 325 geöffnet ist. Das Stromventil 215 kann frei durch den Treiber 125 gesteuert werden.If there is no voltage error on the supply voltage, the negative supply voltage drops across the
Fällt nun die Versorgungsspannung ab, so reduziert sich zunächst nur die Spannung, welche über dem Widerstand 350 abfällt, da die Z-Diode 345 weiterhin eine vorbestimmte Spannung von hier 10 V sperrt, die über der Z-Diode 345 abfällt. Unterschreitet die Spannung am Widerstand 350 die Schwellenspannung des weiteren JFET 325, so wird der Kondensator 310 auf den Gate-Anschluss des Stromventils 215 geschaltet, sodass das Stromventil 215 geöffnet ist. Ein Schließen des Stromventils 215 kann verhindert sein, bis der Kondensator 310 weit genug entladen ist. If the supply voltage now drops, only the voltage that drops across the
Der Widerstand 320 kann bewirken, dass das Stromventil 215 aus dem sicher ausgeschalteten Zustand heraus sehr langsam geschlossen wird, indem es den Kondensator 310 kontrolliert entlädt. Dies erfolgt bevorzugt zu einem Zeitpunkt, zu dem der Energiespeicher 130 bereits mittels einer Vorrichtung wie der Schutzeinrichtung 245 sicher vom Wechselrichter 115 getrennt ist. Durch das graduelle Schließen des Stromventils 215 kann der ZKK 245 entladen werden, wobei die in ihm gespeicherte Energie am Stromventil 215 in Wärme umgewandelt werden kann.The
Steigt die Versorgungsspannung wieder an, so kann der weitere JFET 325 wieder öffnen, sodass die sichere Abschaltung des Stromventils 215 beendet ist und das Stromventil 215 durch den Treiber 125 frei gesteuert werden kann.If the supply voltage increases again, the
Eine erste Diode 430 in Durchlassrichtung und, antiparallel dazu, eine zweite Diode 435 in Sperrrichtung können vorgesehen sein, um aus dem kombinierten Signal zwei separate Signale bereitzustellen, von denen eines ein Einschaltsignal und das andere ein Ausschaltsignal für das Stromventil 215 umfasst. Bevorzugt durchlaufen das Einschaltsignal und das Ausschaltsignal noch mit je einen Widerstand 440. Die Dioden 430, 435 und die Widerstände 440 können vom Treiber 125 umfasst sein.A
Das Ausschaltsignal ist in der vorliegenden Ausführungsform direkt an den Gate-Anschluss des Stromventils 215 geführt. Das Einschaltsignal kann mittels eines Halbleiterschalters 445 ebenfalls mit dem Gate-Anschluss des Stromventils 215 verbunden oder von ihm isoliert werden. Der Halbleiterschalter 445 ist bevorzugt als Feldeffekttransistor oder auch als Bipolartransistor ausgelegt. Der Halbleiterschalter 445 schließt, wenn an einem Widerstand 450 zwischen seinem Source-Anschluss und seinem Gate-Anschluss eine ausreichend große Spannung abfällt und ermöglicht damit das Ansteuern des Stromventils 215 über das Einschaltsignal. Der Gate-Anschluss des Halbleiterschalters 445 ist mittels einer optionalen Z-Diode 455 mit der Sicherungsschaltung 300 verbunden.In the present embodiment, the switch-off signal is fed directly to the gate terminal of the
Die Sicherungsschaltung 300 spricht an, wenn die Versorgungsspannung der Spannungsversorgung 335 des Treibers 125 unter einen vorbestimmten Schwellenwert abfällt und verbindet dann den Anschluss der Z-Diode 455 mit dem Source-Anschluss des Stromventils 215. Fällt nun die Spannung über dem Kondensator 310, welcher parallel zur Gate Kapazität 305 des Schalters 215 ist aufgrund einer Selbstentladung oder der Entladung über den Treiber im Pfad des Schalters 420 unter einen durch die Z-Diode 455 einstellbaren Wert, so sperrt der Halbleiterschalter 445, sodass ein Entladen des Kondensators 310 über das Einschaltsignal verhindert ist.The
Ein erster Verlauf 615 stellt die Versorgungsspannung der Spannungsversorgung 335 des Treibers 125 dar. Diese beträgt ohne Spannungsfehler beispielhaft ca. - 20 V. Zu einem Zeitpunkt von ca. 0,55 ms tritt ein Spannungsfehler ein und die Versorgungsspannung steigt auf ca. 0 V an.A
Ein zweiter Verlauf 620 betrifft ein Steuersignal am Gate-Anschluss des Stromventils 215. Ohne Spannungsfehler liegt hier eine Rechteckspannung an, um das Stromventil 215 periodisch zu öffnen und zu schließen. Nach Eintritt des Spannungsfehlers wird kein Steuersignal mehr bereitgestellt.A
Ein dritter Verlauf 625 zeigt eine am Kondensator 310 anliegende Kondensatorspannung. Ist die Abschalteinrichtung 400 vorgesehen, so steigt die Kondensatorspannung nach dem Eintreten des Spannungsfehlers zwar von ca. -20 V leicht auf ca. - 15 V an, kann danach aber praktisch konstant gehalten werden. Das Stromventil 215 wird dabei durch die Kondensatorspannung im geöffneten Zustand gehalten.A
Ohne Abschalteinrichtung 400 kann die Kondensatorspannung nach Eintreten des Spannungsfehlers nur kurz auf einem ausreichend niedrigen Niveau bleiben und das Öffnen des Stromventils 215 sicherstellen. Bereits weniger als 0,05 ms nach Eintreten des Spannungsfehlers hat die Kondensatorspannung einen Wert nahe 0 V erreicht, sodass das Stromventil 215 nicht mehr mit Energie aus dem Kondensator 310 geöffnet gehalten werden kann.Without the
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- AchsantriebAxle drive
- 105105
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 110110
- elektrische Antriebsmaschineelectric drive machine
- 115115
- WechselrichterInverter
- 120120
- EndstufePower amplifier
- 125125
- Treiberdriver
- 130130
- Energiespeicher Energy storage
- 205205
- Zwischenkreiskondensator ZKKIntermediate circuit capacitor ZKK
- 210210
- HalbbrückeHalf bridge
- 215215
- StromventilFlow valve
- 220220
- Widerstand, StromsensorResistance, current sensor
- 225225
- SteuermodulControl module
- 230230
- Schutzeinrichtung Protective device
- DD
- Drain-AnschlussDrain connection
- GG
- Gate-AnschlussGate connection
- SS
- Source-Anschluss Source connection
- 300300
- SicherungsschaltungSafety circuit
- 305305
- GS-KapazitätGS capacity
- 310310
- Kondensatorcapacitor
- 315315
- Diodediode
- 320320
- WiderstandResistance
- 325325
- weiterer JFETfurther JFET
- 330330
- Schnittstelleinterface
- 335335
- SpannungsversorgungPower supply
- 340340
- WiderstandResistance
- 345345
- Z-DiodeZ-diode
- 350350
- WiderstandResistance
- 400400
- TrennschaltungIsolating circuit
- 410410
- erste Spannungsquellefirst voltage source
- 415415
- zweite Spannungsquellesecond voltage source
- 420420
- erster Schalterfirst switch
- 425425
- zweiter Schaltersecond switch
- 430430
- erste Diodefirst diode
- 435435
- zweite Diodesecond diode
- 440440
- WiderstandResistance
- 445445
- Halbleiterschalter, FETSemiconductor switch, FET
- 450450
- WiderstandResistance
- 455455
- Z-Diode Z-diode
- 505505
- Diode Diodes
- 605605
- erste Darstellungfirst representation
- 610610
- zweite Darstellungsecond representation
- 615615
- erster Verlauf: Versorgungsspannungfirst curve: supply voltage
- 620620
- zweiter Verlauf: Steuersignal Stromventilsecond course: control signal current valve
- 625625
- dritter Verlauf: Kondensatorspannungthird curve: capacitor voltage
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023201509.9A DE102023201509A1 (en) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | Safe shutdown of an inverter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023201509.9A DE102023201509A1 (en) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | Safe shutdown of an inverter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023201509A1 true DE102023201509A1 (en) | 2024-08-22 |
Family
ID=92121405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023201509.9A Pending DE102023201509A1 (en) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | Safe shutdown of an inverter |
Country Status (1)
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080174184A1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-07-24 | Schneider Toshiba Inverter Europe Sas | Device for controlling a power electronic switch and speed controller comprising same |
| US20220302867A1 (en) * | 2021-03-22 | 2022-09-22 | GM Global Technology Operations LLC | Electrical system having boost converter functionality |
-
2023
- 2023-02-21 DE DE102023201509.9A patent/DE102023201509A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080174184A1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-07-24 | Schneider Toshiba Inverter Europe Sas | Device for controlling a power electronic switch and speed controller comprising same |
| US20220302867A1 (en) * | 2021-03-22 | 2022-09-22 | GM Global Technology Operations LLC | Electrical system having boost converter functionality |
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