專利名稱：帶電壓限制元件的逆變器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1前序部分的逆變器。
背景技術：
特別是使用變流器來操控馬達，其中，例如借助直流電源(例如電池)為馬達供電，然而為了運行需要一個或者多個交流電相。尤其在機動車驅動技術領域中，這類機器是例如是交流馬達，例如永磁激勵的或他勵的同步馬達。變流器例如具有馬達側的逆變器或者說驅動逆變器，該逆變器將來自例如變流器的中間回路的尤其是來自具有中間回路電容器的中間回路的直流電壓轉換為期望頻率的交流電壓以便控制要驅動的交流馬達的轉動方向和轉速。這些驅動逆變器尤其使用在機動車中，例如電驅動的機動車或者具有混合動力驅動裝置的車輛，其中，交流馬達例如被構造為車輛驅動馬達。這類車輛驅動馬達(尤其是永磁激勵的同步馬達)通常表現(xiàn)出結構方式引發(fā)的特性，即，在運行中，感生出隨著轉速增加而升高的反向電壓或者說內電壓(磁極轉子電壓(Polradspanrumg))，該反向電壓或者說內電壓在很高轉速時尤其借助于(驅動)逆變器的續(xù)流二極管饋入或者反饋進入中間回路，并且可能在變流器或者說逆變器中、電池中以及其他組件中導致?lián)p害(電壓反向作用)。為了避免這種情況，但是還能在高轉速時運行馬達，因而在現(xiàn)有技術中在高于額定轉速時進行磁場減弱，以便避免這種有害的電壓反向作用。然而尤其是當馬達高于額定轉速地驅動馬達(弱磁運行)，并且例如弱磁電流不能較長久地維持時，即使在應用磁場了減弱的情況下，也可能是變流器或者其他組件的損害。在此原因可能是例如控制電子裝置的失效。為了防止變流器遭受在交流電側的(即來自馬達)的意外電壓升高的情況下有害的電壓反向作用，在現(xiàn)有技術中建議了各種類型的保護電路。在此，通常使例如變流器的、或者說變流器的馬達側的逆變器的功率半導體開關在故障情況下短路，進而由此使與其連接連接的相應馬達端子在故障情況下短路。經(jīng)由橋式電路的短路可以阻止例如中間回路電容器的、電池的、功率開關等的損害，進而由此阻止由于轉子轉動感生的電壓對變流器的損害。然而公知系統(tǒng)的弱點至少在于，短路必須有源地通過逆變器的操控電子裝置來執(zhí)行。在控制電子裝置故障時，沒有保護機制來防止在同步電機中或者馬達中感生的電壓產(chǎn)生的損害。DE 10251977A1公開了一種具有逆變器的同步馬達，其中，防止電壓反向作用的復雜的保護裝置與繞組相連接，其中，該保護裝置與逆變器的控制邏輯配合作用以便確定故障或者防止電壓反向作用。DE ^813080U1示出防止電壓反向作用的、與馬達繞組連接的另一保護裝置，其中，該保護裝置又具有與控制邏輯連接的電子設備用于建立保護功能。該系統(tǒng)的制造同樣是復雜和昂貴的。DE 19835576A1中公開了一種永磁激勵的電動馬達的操控系統(tǒng)，該操控系統(tǒng)包含運行狀態(tài)檢測單元，以便按照要求借助逆變器的操控系統(tǒng)產(chǎn)生產(chǎn)生功率半導體開關的短路。該系統(tǒng)與前面的同樣是復雜和成本密集，并且不能不使用控制邏
3輯地實現(xiàn)。

發(fā)明內容
從此出發(fā)本發(fā)明的任務在于解決上述問題并且建議一種逆變器，所述逆變器能夠以簡單且廉價的方式使得交流馬達的馬達端子短路以防止電壓反向作用，而無需逆變器邏輯電路。根據(jù)本發(fā)明該任務通過權利要求1的特征得到解決。根據(jù)本發(fā)明建議一種逆變器，所述逆變器尤其用于機動車交流馬達的能量供給， 其中，所述逆變器具有半橋，用于與所述交流馬達電連接，其中，所述半橋具有與所述半橋的功率半導體開關輸入端和輸出端導電連接的短路元件，所述短路元件依賴于所述功率半導體開關輸入端與輸出端之間存在的電壓的電壓值(量和極性)限定地在所述功率半導體開關輸入端與輸出端之間產(chǎn)生短路。在逆變器的一個根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，所述逆變器的每個半橋設置有與所述半橋的功率半導體開關輸入端和輸出端導電連接的短路元件，所述短路元件依賴于所述功率半導體開關輸入端與輸出端之間存在的電壓的電壓值(量和極性)限定地在相應半橋的功率半導體開關輸入端與輸出端之間建立短路。在所述逆變器的另一根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，所述短路在所述相應功率半導體開關的、從輸入端到輸出端的方向上分別建立電流流過所述短路元件的可能性。根據(jù)逆變器的一個依據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述短路分別反向于如下方向地產(chǎn)生電流流過所述相應短路元件的可能性，即，電流流過與相應功率半導體開關的輸入端和輸出端連接的續(xù)流二極管的方向。此外還建議一種逆變器，其中，短路元件以截止方向布置在輸入端與輸出端之間， 其中，短路元件從達到存在于所述輸入端與所述輸出端之間的限定的電壓值開始在截止方向上通過產(chǎn)生短路變?yōu)閷ǖ?。在逆變器的一個根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，短路元件可以具有一次性短路元件和 /或可重復使用的短路元件。在此，短路元件可以具有比較器和/或功率開關，尤其是半導體開關或者機械開關。此外，短路元件可以具有二極管和/或氣體放電器和/或可變電阻。 在逆變器的另一實施方式中，短路元件可以具有交流放電器和/或通過其崩潰而導通的半導體。還建議了一種尤其是機動車的驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)具有交流馬達，其中，所述交流馬達的繞組支路與根據(jù)本發(fā)明的逆變器的半橋導電連接用于電能的供給。在驅動系統(tǒng)的另一根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，交流馬達的每一個繞組支路與所述逆變器的各一個半橋導電連接。在另一個根據(jù)本發(fā)明的驅動系統(tǒng)中，交流馬達是同步馬達，尤其是永磁激勵的或他勵的同步馬達。


結合示出了對本發(fā)明重要的細節(jié)的附圖中的圖形，由對本發(fā)明實施例的隨后的說明以及由權利要求得到本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點。在本發(fā)明的變形方式中，各個特征可以單個特征本身地實現(xiàn)，或者可以多個特征任意組合地實現(xiàn)。下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖中圖1示范性示出根據(jù)本發(fā)明一個可能的實施方式的逆變器橋式電路。
具體實施例方式在以下說明和附圖中，相同附圖標記對應功能相同或者類似的元件。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的驅動逆變器的或者說逆變器的橋式電路1，該橋式電路具有短路系統(tǒng)2，尤其用于防止馬達的、例如交流馬達3的、尤其是他勵的或永磁激勵的同步馬達的電壓反向作用。(驅動)逆變器例如是現(xiàn)有技術中公知的變流器的部件。變流器例如以公知方式具有整流器單元(未示出)，該整流器單元向在其中例如布置有中間回路電容器的中間回路供電。中間回路例如將中間回路電壓Uzk，尤其作為直流電壓輸送到逆變器2的輸入端1’處，例如用于逆變器的橋式電路1，以便產(chǎn)生驅動馬達的交流電壓。逆變器例如產(chǎn)生交流電壓作為具有可變電壓和頻率的輸出電壓，以便控制例如可與其連接的或者已與其連接的交流馬達3的轉動方向和轉速。逆變器的橋式電路1 (在其輸入端子1’上例如存在中間回路電壓UZK)例如具有半橋Ia或lb、lc，所述半橋Ia或lb、lc各與交流馬達3的各一個繞組支路3a或;3b、3c例如經(jīng)由各一個中間抽頭(MittelabgriffMa或4b、4c以公知方式可以電連接或者是已電連接。在此，交流馬達3例如構造為三相馬達，其三個繞組支路3a、3b、3c各由其中一個半橋 la、lb、Ic供電。在此，通過相應半橋la、lb、Ic向交流馬達3的相應支路3a、3b、3c以確定的時長輸送極性預定的電壓或者電勢。為此，例如借助于控制邏輯以公知方式相應地分別操控半橋la、lb、Ic的相應功率半導體開關^1、513。半橋la、lb、Ic例如具有第一(下部)功率半導體開關fe以及第二 (上部)功率半導體開關恥，所述功率半導體開關例如被構造為具有絕緣柵極的雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)或者構造為場效應晶體管(FET)，例如構造為金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。在此，功率半導體開關如、恥尤其例如針對變流器或驅動逆變器中出現(xiàn)的電壓而設計或者說相應地確定尺寸。除此之外其他功率半導體開關類型也是可以設想的。功率半導體開關fe、5b分別具有例如呈柵極形式的控制輸入端6a、呈例如集電極 (IGBT)或漏極(MOSFET)形式的輸入端乩和呈例如發(fā)射極(IGBT)或源極(MOSFET)形式的輸出端6c。在輸入端6b與輸出端6c之間例如以傳統(tǒng)方式相應并聯(lián)有續(xù)流二極管7，尤其是以截止方向并聯(lián)。如前述，功率半導體開關fe (下排)、恥(上排)例如由控制電子裝置(未示出)例如經(jīng)由其相應控制輸入端6a或者說控制接頭以公知方式控制，其中，由于該控制可以在輸入端6b與輸出端6c之間例如產(chǎn)生短路，即，接通功率半導體開關fe或恥。根據(jù)本發(fā)明的逆變器具有短路系統(tǒng)2，該短路系統(tǒng)由例如短路元件8構成，尤其例如由各個半橋Ia或lb、lc的各一個短路元件8構成。各一個短路元件8例如布置在下排的各一個功率半導體開關fe上，其中，在上排的功率半導體開關恥上沒有布置短路元件8。在此，短路元件8分別在所屬半橋la、lb、Ic中與功率半導體開關fe的輸入端6b 以及與其輸出端6c電連接，就短路情況而言適當?shù)貙⑺鲚斎攵伺c輸出端橋接。此外，輸入端6b例如與所屬半橋Ia或lb、lc的中間抽頭如或仙、4(電連接。就此而言，短路元件 8分別并聯(lián)地布置或者說聯(lián)接在相應功率半導體開關fe的輸入端6b與輸出端6c之間，并且就此而言，與功率半導體開關fe的相應續(xù)流二極管7并聯(lián)地布置，其中，續(xù)流二極管同樣分別與功率半導體開關fe或恥的輸入端6b和輸出端6c連接。根據(jù)本發(fā)明尤其針對各個半橋la、lb、Ic還如下地設置，即，短路元件8與續(xù)流二極管7并聯(lián)地布置或者說與上排功率半導體開關恥的輸入端6b和輸出端6c并聯(lián)地布置。 在這種布置方式中可以取消在下排功率半導體開關fe上的布置。根據(jù)本發(fā)明，短路系統(tǒng)2的短路元件8為如下目的設置，即，在例如電壓反向作用情況下，例如在逆變器失效時，將馬達的端子電壓或者說交流馬達3的電壓設定為大致零伏。該短路可以單獨通過呈一個或者多個適當選擇的器件形式的短路元件8達到，并且尤其是沒有例如相互干擾地，例如利用逆變器的控制邏輯，就此而言自主地達到。在此，所選擇的器件例如(尤其是例如基于其尺寸和材料特性)預定了作為閾值的電壓值，也就是預定了如下電壓，從該電壓開始產(chǎn)生短路。為此，所述短路元件8例如分別如此持久地為高電阻的(尤其在其設置的截止方向上，例如從輸入端6b向輸出端6c)，直到在其上或者在輸入端6b與輸出端6c之間分別存在的電壓達到預定的閾值電壓。從閾值電壓開始或者說從超過閾值電壓開始，在相應馬達端子或者說相應功率半導體開關的輸入端 6b與輸出端6c之間，所述短路元件8例如分別產(chǎn)生輸入端6b與輸出端6c之間的短路。就此而言，這些短路元件8分別在其截止方向上導通。就此而言，短路元件8依賴于輸入端6b 與輸出端6c之間存在的電壓的電壓值限定地高電阻地或者借助于產(chǎn)生的短路地連接相應功率半導體開關5a或恥的輸入端6b和輸出端6c。就此而言，逆變器如下方式地設計，即，通過短路元件8 (例如由于達到閾值)產(chǎn)生的短路在相應功率半導體開關fe或恥的輸入端6b至輸出端6c的方向上分別建立電流流過該相應短路元件8的可能性。換句話說，短路元件8在達到閾值電壓情況下借助于產(chǎn)生的短路在其截止方向上是導通的。在此，在輸入端6b與輸出端6c之間布置的短路元件8 的截止方向尤其相當于例如續(xù)流二極管7的截止方向。例如在輸入端6b與輸出端6c之間的短路尤其分別反向于或者說反向平行于如下方向地產(chǎn)生電流流過相應短路元件8的可能性，S卩，電流流過續(xù)流二極管7 (其與相應功率半導體開關的輸入端6b和輸出端6c連接)的預期的或者說設置的方向。因而電流9例如可以從馬達3的繞組支路3a借助短路經(jīng)由短路元件8并且經(jīng)由例如續(xù)流二極管7例如朝向馬達3的另一繞組支路北流動。為了保證這種功能性，各種不同器件可以用作短路元件8，例如可從外部插接的元件或者整合在逆變器中的元件。短路元件8可以具有例如允許控制的有源(器件)元件或者無源(器件)元件或者說分別構造為這樣的有源(器件)元件或者無源(器件)元件。短路元件8可以是一次性短路元件8 (其例如只能使用一次)或者是可重復使用的短路元件8，其例如可以多次使用。例如可以將具有限定的截止電壓的如下二極管看做一次性元件，只要馬達3的端子電壓超過截止電壓時，該二極管在截止方向上變?yōu)閷ǖ?。直到達到截止電壓為止，該二極管例如在截止方向上是高電阻的。也可以設想除此之外的任意半導體，所述半導體例如由于其(例如由于輸入端6b與輸出端6c之間存在的反饋電壓發(fā)生的)崩潰而變?yōu)閷ǖ?，進而由此在輸入端6b與輸出端6c之間產(chǎn)生短路。在這類一次性短路元件8中尤其產(chǎn)生持久的短路。電的車輛驅動設備(即，交流馬達3)不再能夠借助逆變器正常運行。必須例如更換短路元件8?？芍貜褪褂玫亩搪吩?例如可以具有多個組件的系統(tǒng)，例如包括具有例如比較器的裝置，該比較器探測過壓或者說超過閾值電壓，然后操縱功率開關，該功率開關的導通性(通/斷)可以依賴于探測到的電壓值控制。在此，功率開關可以是半導體開關，例如晶體管開關，或者例如機械開關(例如繼電器)。氣體放電器可以(例如具有并聯(lián)的可變電阻的氣體放電器也可以)例如用作可多次重復使用的短路元件8。此外，例如任意的交流放電器可以用作短路元件8。在此，可多次使用的短路元件8的解決方案有較高消耗的趨勢。在交流電壓降到大約零伏時，電的驅動裝置或者說交流馬達3可以繼續(xù)運行?？梢栽O想，在逆變器之內設置例如不同類型的各半橋la、lb、lc的例如不同類型的短路元件8，以便構成短路系統(tǒng)2。根據(jù)本發(fā)明的全部短路元件8或者說短路系統(tǒng)2自主地或者說獨立地(也就是僅依賴于短路元件8上存在的電壓地)產(chǎn)生短路。就此而言，根據(jù)本發(fā)明的短路元件8或者說短路系統(tǒng)2不依賴于一個或多個逆變器的、一個或多個變流器的或一個或多個馬達等的、或者通過其進行的控制。除此以外，不為根據(jù)本發(fā)明的短路的產(chǎn)生設置其他組件，尤其是與例如如下變流器的或逆變器的控制邏輯的外部信號源的聯(lián)接， 所述變流器的或逆變器例如控制功率半導體。按照本發(fā)明的短路的產(chǎn)生(在該段路的產(chǎn)生中，至少從潛在有害的電壓反向作用開始或者說從超過閾值開始，通過短路元件8尤其是與各一個續(xù)流二極管7連接，建立了在馬達3的各兩個端子之間的各一個短路)例如引發(fā)短路制動力矩，該短路制動力矩可以在馬達與驅動系斷開的情況下引起馬達制動，即轉速降低到零。在馬達與驅動系連接的情況下， 例如整個驅動系被制動。 因而在交流馬達3和逆變器中流動的電流9在產(chǎn)生的短路的情況下例如從交流馬達3的、與中間抽頭如連接的第一端子通過短路系統(tǒng)2的短路元件8經(jīng)由續(xù)流二極管7回到馬達3的、與中間抽頭4b連接的另一端子。附圖標記
1橋式電路
1’輸入端子
la、lb、Ic 半橋
2短路系統(tǒng)
3馬達
3a、3b、3c繞組支路
4a、4b、4c中間抽頭
5a功率半導體開關(下排)
恥功率半導體開關(上排)
6a功率半導體開關的控制輸入端
6b功率半導體開關的輸入端
6c功率半導體開關的輸出端
7續(xù)流二極管8短路元件9 電流
權利要求
1.逆變器，尤其用于對機動車的交流馬達(3)的能量供給，其中，所述逆變器具有半橋(la、lb、lc)，用于與所述交流馬達(3)的電連接，其特征在于，所述半橋(la、lb、lc)具有與所述半橋(la、lb、lc)的功率半導體開關(5a;5b)的輸入端(6b)和輸出端(6c)導電連接的短路元件(8)，所述短路元件依賴于所述功率半導體開關(5a ；5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間存在的電壓的電壓值限定地在所述功率半導體開關(5a ;5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間產(chǎn)生短路。
2.根據(jù)權利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述逆變器的每個半橋(la、IbUc)設置有與所述半橋(13、讓、1()的功率半導體開關(53;513)的輸入端(613)和輸出端(6(3)導電連接的短路元件(8)，所述短路元件依賴于所述功率半導體開關(5a ；5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間存在的電壓的電壓值限定地在相應半橋(la、lb、Ic)的所述功率半導體開關(5a ；5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間建立短路。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的逆變器，其特征在于，所述短路在從相應功率半導體開關(5a ；5b)的輸入端(6b)到輸出端(6c)的方向上分別建立電流流過所述短路元件(8)的可能性。
4.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路分別反向于電流流過與相應功率半導體開關(5a ;5b)的所述輸入端(6b)和所述輸出端(6c)連接的續(xù)流二極管(7)的方向地建立電流流過相應短路元件(8)的可能性。
5.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路元件(8)以截止方向布置在所述輸入端(6b)與所述輸出端(6c)之間，其中，所述短路元件(8)從達到存在于輸入端(6b)與輸出端(6c)之間的限定的電壓值開始在截止方向上通過產(chǎn)生短路而變?yōu)閷ǖ摹?br> 6.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路元件(8)具有一次性短路元件和/或可重復使用的短路元件。
7.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路元件(8)具有比較器和/或功率開關，尤其是半導體開關或者機械開關。
8.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路元件(8)具有二極管和/或氣體放電器和/或可變電阻。
9.根據(jù)前述權利要求之一所述的逆變器，其特征在于，所述短路元件(8)具有交流放電器和/或通過其崩潰而導通的半導體。
10.尤其是機動車的驅動系統(tǒng)，所述驅動系統(tǒng)包含交流馬達(3)，其特征在于，所述交流馬達(3)的繞組支路(3a、;3b、3C)與根據(jù)前述權利要求1至9之一所述的逆變器的半橋(la、lb、Ic)為了電能的供給能導電地連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，所述交流馬達(3)的每一個繞組支路(3a、;3b、3C)與所述逆變器的各一個半橋(la、lb、Ic)能導電地連接。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，所述交流馬達(3)是同步馬達，尤其是永磁激勵的或他勵的同步馬達。
全文摘要
尤其用于機動車交流馬達(3)的能量供給的逆變器，其中，所述逆變器具有半橋(1a、1b、1c)，用于與交流馬達(3)電連接，其特征在于，半橋(1a、1b、1c)具有與半橋(1a、1b、1c)的功率半導體開關(5a；5b)的輸入端(6b)和輸出端(6c)導電連接的短路元件(8)，該短路元件依賴于功率半導體開關(5a；5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間存在的電壓的電壓值限定地在功率半導體開關(5a；5b)的輸入端(6b)與輸出端(6c)之間產(chǎn)生短路。
文檔編號H02M1/32GK102598491SQ201080051270
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權日2009年11月11日
發(fā)明者凱·博恩特雷格, 羅伯特·雅努謝夫斯基 申請人:Zf腓德烈斯哈芬股份公司