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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters.
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Bei bekannten Stromrichtern (auch Inverter genannt) für elektrische Maschinen von Fahrzeugen wird ein Gleichstrom-Eingangssignal mittels Schaltvorrichtungen in mehrere Wechselstrom-Ausgangssignale umgesetzt, um für verschiedene Stromphasen der elektrischen Maschine bedarfsgerechte Signale zur Beaufschlagung der Wicklungen der elektrischen Maschine bereitstellen zu können, beispielsweise in Abhängigkeit der relativen Stellungen des Rotors und des Stators, bzw. jeweiliger Pole davon.
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Typische Inverter-Topologien weisen mehrere Halbbrücken mit jeweiligen Schaltvorrichtungen auf, beispielsweise Transistoren, die als Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen agieren und zwischen denen jeweils ein Mittelabgriff zur Bereitstellung eines Ausgangssignals der jeweiligen Halbbrücke angeordnet ist. Die Schaltvorrichtungen werden mittels geeigneter Steuersignale kontrolliert, beispielsweise Gatesignale für Transistoren. Als Eingangssignal einer solchen Halbbrücke dienen Hochvoltsignale (HV+/HV-), die beispielsweise durch einen Hochvoltspeicher eines Fahrzeugs bereitgestellt werden.
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Durch entsprechende Schaltstellungen der Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen werden korrespondierende Kommutierungszellen des Stromrichters bereitgestellt. Für jede Kommutierungszelle muss eine der jeweiligen Schaltvorrichtungen (Highside- und Lowside-Schaltvorrichtung) sperrend sein, um zu verhindern, dass bezüglich der als Eingangssignal bereitgestellten Hochspannung ein Kurzschluss auftritt. Deshalb wird eine Totzeit zwischen Schaltvorgängen der Highside- und Lowside-Schaltvorrichtungen berücksichtigt. Das bedeutet, dass zunächst eine erste Schaltvorrichtung von leitend nach sperrend geschaltet wird und dann ein Intervall entsprechend der Totzeit abgewartet wird, bevor die korrespondierende Schaltvorrichtung von sperrend nach leitend geschaltet wird. Durch die Totzeit werden so harte Kurzschlüsse zwischen den Polen der Hochspannung verhindert. Die Totzeit wird so lang gewählt, dass auch partielle Brückenkurzschlüsse vermieden werden.
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Allerdings verursacht die Totzeit eine Verlustleistung, weshalb sie nach bisherigen Ansätzen unter Berücksichtigung einer Sicherheitsspanne (z.B. 0,5 µs) möglichst kurz gewählt wird.
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Heutige Stromrichter weisen zum Zwecke der Kopplung von Gleichstrom- und Wechselstromkreislauf einen Zwischenkreiskondensator auf, dessen Kapazität sehr groß ist (bis in das mF-Regime), sodass aufgrund seiner Ausdehnungen frequenzabhängige Störungen auftreten, die hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) problematisch sind. Die EMV-Störungen sind maßgeblich durch im Hochfrequenzbereich (>1 MHz) angeregte Eigenschwingungen der Kommutierungszellen verursacht, da die Eigenresonanzen von der Induktivität des Zwischenkreiskondensators abhängen, die im MHz-Regime hoch ist. Daher treten im MHz-Bereich betragsmäßig große Störamplituden auf. Demgegenüber sind die niedrigen Frequenzbereiche (kHz-Bereich) uninteressant, weil das Fahrzeug in diesem Frequenzbereich selbst keine nennenswerten Emissionen aufweist.
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Gemäß verschiedener Normen, beispielsweise dem sogenannten weltweit einheitlichen Leichtfahrzeuge-Testverfahren (WLTP) sind frequenzabhängige EMV-Grenzwerte festgelegt, die durch die Stromrichter, bzw. die dem Fahrzeug zugrundeliegenden elektrischen Bordnetze einzuhalten sind. Bisherige Ansätze sehen komplexe Filterstrukturen vor, um insbesondere die im MHz-Bereich verursachten Störungen derart weit zu reduzieren, dass die EMV-Grenzwerte eingehalten werden. Derartige Filtervorrichtungen erhöhen aber die Komponentenanzahl, den erforderlichen Bauraum, verursachen selbst Verlustleistungen, erfordern zusätzlich kostenintensive Kühlkonzepte und verursachen somit einen erhöhten Herstellungsaufwand, insbesondere im Bereich hier erläuterter Hochvolt-Anwendungen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik auszuräumen oder zumindest zu verringern. Insbesondere ist es wünschenswert, einen Stromrichter bereitzustellen, für den eine Durchschlagfestigkeit gewährleistet werden kann und für den eine Reduktion der Störungen im MHz-Bereich mit einem reduzierten Aufwand möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Erfindung darstellen kann. Einzelne Aspekte werden im Hinblick auf Verfahren erläutert, andere im Hinblick auf Vorrichtungen. Die Aspekte sind aber jeweils wechselseitig entsprechend zu übertragen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Stromrichter für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs bereitgestellt. Der Stromrichter weist zumindest eine B6-Brücke mit drei Halbbrücken, einen Zwischenkreiskondensator, und einen Gleichstrom-Eingang auf. Jede Halbbrücke weist ein Paar von komplementären Schaltvorrichtungen, insbesondere Feldeffekttransistoren, und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine mit einem Dreiphasenwechselstrom auf. Der Stromrichter ist mit einer Steuervorrichtung gekoppelt, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms die komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken mittels Schaltsignalen, insbesondere Gatesignalen, entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung und einer negativen Hochspannung derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden. Zwischen dem Umschalten der ersten der komplementären Schaltvorrichtungen und der zweiten der komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken wird durch die Steuervorrichtung eine Totzeit berücksichtigt. Die Totzeit wird derart ausgewählt, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.
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Bevorzugt werden die Schaltvorrichtungen durch Feldeffekttransistoren verwirklicht. Entsprechend sind die Schaltsignale durch Gatesignale gegeben.
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Erfindungsgemäß wurde vorteilhaft erkannt, dass eine Verlängerung der Totzeit eine Reduktion der Störungen im Hochfrequenzbereich (HF-Bereich) zur Folge hat.
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Werden beispielsweise Transistoren als Schaltvorrichtungen verwendet, wird durch geeignet gewählte, längere Totzeiten der komplementäre Transistor der jeweiligen Halbbrücke beabsichtigt länger im dritten Quadranten betrieben. Dadurch wird die Resistivität des Leitkanals als Hochfrequenz-Dämpfer der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen in der Hochfrequenzdomäne nutzbar gemacht. In anderen Worten führt die Resistivität des Leitkanals dazu, dass bezüglich des HF-Bereichs eine verbesserte Dämpfungswirkung im Hinblick auf die Eigenschwingungen der Kommutierungszellen gewährleistet wird. Als Folge treten HF-Störungen lediglich mit betragsmäßig reduzierter Amplitude auf.
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Somit können vorbestimmte Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorteilhaft einfacher eingehalten werden, beispielsweise dadurch, dass die Totzeit so lang gewählt wird, dass nur noch einfache und aufwandsarme Filterkomponenten erforderlich sind, die lediglich einen geringen Herstellungsaufwand verursachen. Als Folge kann die erforderliche Komponentenanzahl reduziert werden. Zudem können auch die Kühlkonzepte, die für die Filtervorrichtungen vorzusehen sind, vorteilhaft einfacher und aufwandsärmer gewährleistet werden. Insgesamt kann so der Herstellungsaufwand, der notwendig ist, um die EMV-Grenzwerte einzuhalten, vorteilhaft reduziert werden. Beispielsweise ist eine Kühlung des Stromrichters bzw. seines Zwischenkreiskondensators und/oder seiner Schaltvorrichtungen üblicherweise sehr viel einfacher und mit geringerem Aufwand möglich, als dies für die Filtervorrichtungen der Fall ist.
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Bevorzugt ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Totzeit derart zu wählen, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter einen vorgegebenen Grenzwert für die EMV einhält. Dann sind überhaupt keine separaten Filtervorrichtungen mehr notwendig, wodurch der Stromrichter bezüglich der EMV besonders aufwandsarm ausgebildet ist.
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Eine Charakterisierung des Stromrichters bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit kann beispielsweise mittels Raumzeigermodulation erfolgen, auch genannt: space vector pulse width modulation (SVPWM). Beispielsweise kann dazu ein Frequenzanalysator anstelle einer Gleichstromquelle mit der Busbarstruktur des Stromrichters gekoppelt werden. Das fahrzeuginterne Bordnetz wird durch ein Ersatzschaltbild nachgebildet. Anschließend wird ein sogenannter Hochspannungsemissionstest (high voltage conducted emission test; HVCE) durchgeführt, um ein frequenzabhängiges Störspektrum zu erfassen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, oberhalb von 1 MHz. Dabei können Peak-Werte, Quasi-Peak-Werte und Mittelwerte erfasst werden. Gemäß dem WLTP Standard müssen die emittierten Störaussendungen jeweils unterhalb frequenzabhängiger EMV-Grenzwerte liegen. Der niedrige Frequenzbereich (kHz-Bereich) hingegen ist uninteressant, da das Fahrzeug dort nicht strahlt. In anderen Worten tritt bei derart niedrigen Frequenzen keine Eigenresonanz auf.
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Wie eingangs erläutert führt eine Verlängerung der Totzeit zu einer erhöhten Verlustleistung, denn der jeweilige Transistor wird dann im dritten Quadranten betrieben. Es liegt dann also keine Transition des jeweiligen Feldeffekttransistors vor, sondern im eine Rückwärtsleitfähigkeit, zumindest bis der komplementäre Feldeffekttransistor leitend geschaltet wird. Die verursachte Verlustleistung ist bei der Wahl der Totzeit zu berücksichtigen und kann abhängig von der Auslegung des Stromrichters quantifiziert werden, beispielsweise abhängig von der Wahl der Schaltvorrichtungen und dem verwendeten Zwischenkreiskondensator.
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Auf der anderen Seite ermöglicht die Verlängerung der Totzeit die EMV-Grenzwerte mit einem reduzierten Aufwand einzuhalten, beispielsweise, weil anstatt aufwendig zu kühlender komplexer Filtervorrichtungen einfachere Filtervorrichtungen verwendet werden können, die möglicherweise keinen separaten Kühlmechanismus erfordern. Auch diese Auswirkungen der Totzeit können quantifiziert werden.
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Demgegenüber können Einflüsse einer veränderten Totzeit auf die Regelung der elektrischen Maschine durch den zugrundeliegenden Regelungsmechanismus kompensiert werden.
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Es ergeben sich daher durch eine Verlängerung der Totzeit bezüglich der erhöhten Verlustleistung und dem Effizienzgewinn hinsichtlich der erforderlichen Filtermaßnahmen widerstrebende Effekte. Deshalb kann die Steuervorrichtung optional eingerichtet sein, die Totzeit derart zu wählen, dass ein Pareto-Optimum zwischen einer Erhöhung der Verlustleistung und der Reduzierung von hochfrequenten Störsignalanteilen, die jeweils durch Verlängerung der Totzeit verursacht sind, gewährleistet ist.
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Anders ausgedrückt werden die widerstrebenden Effekte quantifiziert. Dann gewährleistet das Pareto-Optimum die Topologie-abhängige Optimierung der Verlustleistung bemessen am Aufwand, der erforderlich ist, um eine bedarfsgerechte, oder wahlweise grenzwertunterschreitende, EMV im MHz-Regime zu erzielen.
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Da beide Effekte von der Topologie des Inverters (Stromrichters) abhängen, beispielsweise der Kapazität des Zwischenkreiskondensators, ist die Totzeit abhängig von der Auslegung des Stromrichters. Dass eine Verlängerung der Totzeit eine Reduktion der hochfrequenten Störungen ermöglicht, wodurch der Aufwand zum Einhalten der EMV-Grenzwerte reduziert ist, ist in bisherigen Steuerungsmechanismen von Stromrichtern jedoch nicht berücksichtigt worden.
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Bevorzugt beträgt eine Taktperiode des Stromrichters zwischen 1 kHz und 50 kHz. Derartige Stromrichter sind zur Nutzung in Versorgungssystemen von elektrischen Maschinen für Fahrzeuge geeignet.
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Optional beträgt die Totzeit zwischen zumindest 0,5 µs und höchstens 15 µs, bevorzugt zwischen 1 µs und höchstens 10 µs, weiter bevorzugt von mindestens 3 µs und höchstens 8 µs, weiter bevorzugt zumindest 5 µs. Während bisher eine Totzeit entsprechend einer Sicherheitsspanne von typischerweise 0,5 µs vorgesehen wurde, um partielle Brückenkurzschlüsse auszuschließen und gleichzeitig möglichst geringe Verlustleistungen zu verursachen, führt die Verlängerung der Totzeit entsprechend der angegebenen Grenzwerte zu vorteilhaft drastischen Einsparungen hinsichtlich des erforderlichen Aufwands, um die EMV-Grenzwerte im MHz-Bereich einhalten zu können. Die damit einhergehende Erhöhung der Verlustleistung ist daher im Rahmen der genannten Grenzwerte akzeptabel.
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Bevorzugt umfassen die die Feldeffekttransistoren SiC, GaN oder GaAs. Feldeffekttransistoren basierend auf diesen Materialien sind gut geeignet für die Nutzung in derartigen Stromrichtern, die für elektrische Maschinen von Fahrzeugen vorgesehen sind.
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Optional umfasst die Steuervorrichtung zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs bereitgestellt. Der Stromrichter weist zumindest eine B6-Brücke mit drei Halbbrücken, einen Zwischenkreiskondensator, und einen Gleichstrom-Eingang auf. Jede Halbbrücke weist ein Paar von komplementären Schaltvorrichtungen, insbesondere Feldeffekttransistoren, und einen zwischen diesen angeordneten Mittelabgriff zur Beaufschlagung der elektrischen Maschine mit einem Dreiphasenwechselstrom auf. Der Stromrichter ist mit einer Steuervorrichtung gekoppelt, die derart eingerichtet ist, dass für jede Stromphase des Dreiphasenwechselstroms die komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken mittels Schaltsignalen, insbesondere Gatesignalen, entsprechend einer Beaufschlagung mit einer positiven Hochspannung und einer negativen Hochspannung derart umgeschaltet werden, dass komplementäre Kommutierungszellen bereitgestellt werden. Zwischen dem Umschalten der ersten der komplementären Schaltvorrichtungen und der zweiten der komplementären Schaltvorrichtungen der jeweiligen Halbbrücken wird durch die Steuervorrichtung eine Totzeit berücksichtigt. Die Steuervorrichtung wählt die Totzeit derart aus, dass für hochfrequente Störsignalanteile eine betragsmäßige Reduktion gewährleistet wird.
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Für das Verfahren werden die der Vorrichtung entsprechenden Vorteile erzielt. Insbesondere wird eine EMV-relevante Reduktion hochfrequenter Signalanteile im MHz-Bereich erzielt, die mit einer Erhöhung der Verlustleistung einhergeht, die bemessen an dem verringerten Aufwand zur Einhaltung von EMV-Grenzwerten akzeptabel ist. Der Gesamtherstellungsaufwand des Stromrichters, der erforderlich ist, um die EMV-Grenzwerte einzuhalten, ist reduziert, auch unter Berücksichtigung der erhöhten Verlustleistung, die mit einer Verlängerung der Totzeit einhergeht.
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Bevorzugt wird die Totzeit derart gewählt, dass die hochfrequenten Störsignalanteile soweit reduziert werden, dass der Stromrichter einen vorgegebenen Grenzwert für die EMV einhält.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Befehle aufweist, welche bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung der Steuervorrichtung, diese veranlasst, das Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen.
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Ferner wird gemäß einem weiteren Aspekt auch ein Speichermedium bereitgestellt, das das Computerprogrammprodukt wie zuvor beschrieben aufweist, so dass es bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung, diese veranlasst, das Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Stromrichter wie zuvor beschrieben aufweist, oder einen Stromrichter, der nach dem beschriebenen Verfahren betrieben wird.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge mit einer elektrischen Maschine umfassen, nämlich unter anderem Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromrichters und einer elektrischen Maschine,
- - 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter, und
- - 3 bis 5 mehrere schematische Darstellungen von beispielhaften Störemissionsspektren des Stromrichters bei verschiedenen Totzeiten.
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Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromrichters 10 und einer elektrischen Maschine 12.
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Der Stromrichter 10 umfasst eine B6 Brücke 14 mit drei Halbbrücken 16. Die nachfolgende Funktionalität wird lediglich bezogen auf eine Halbbrücke 16 dargestellt, ist aber entsprechend auf alle Halbbrücken 16 der B6 Brücke 14 zu übertragen.
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Jede Halbbrücke 16 umfasst vorliegend eine ersten Feldeffekttransistor 18, der als Highside-Schalter wirkt, und einen zweiten Feldeffekttransistor 20, der als Lowside-Schalter wirkt. Zwischen dem ersten Feldeffekttransistor 18 und dem zweiten Feldeffekttransistor 20 umfasst jede Halbbrücke 16 einen Mittelabgriff 22 zur Bereitstellung eines Wechselstromsignals, hier L2, für die elektrische Maschine 12.
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Durch die drei Halbbrücken 16 wird die elektrische Maschine 12 mit drei korrespondierenden Wechselstromsignalen beaufschlagt, L1, L2 und L3. Andere Topologien, beispielsweise eine sechsphasige elektrische Maschine sind aber ebenfalls möglich, die dann entsprechende Abwandlungen des Stromrichters 10 erfordern.
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Die jeweiligen Halbbrücken 16 sind mit einer Busbarstruktur 24 des Stromrichters 10 gekoppelt. Der Stromrichter 10 ist mit einer Gleichstromquelle 26 gekoppelt. Die Gleichstromquelle 26 umfasst Anschlussklemmen 28, 30, zwischen denen eine Hochspannung HV bereitgestellt wird. Die Gleichstromquelle 26 umfasst ferner eine Mittelklemme 32, die mit dem Sternpunkt N der elektrischen Maschine 12 gekoppelt ist. Jeweils zwischen einer der Anschlussklemmen 28, 30 und der Mittelklemme 32 liegt eine positive oder negative Hochspannung HV+, HVan.
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Zusätzlich umfasst der Stromrichter 10 einen Zwischenkreiskondensator 34, der als Kopplungselement zwischen der Gleichstromquelle 26 und der elektrischen Maschine 12 dient, die mit einem Dreiphasenwechselstrom beaufschlagt ist.
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In Abhängigkeit der Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 werden bei Beaufschlagung mit HV+ oder HV- entsprechende Kommutierungszellen im Stromrichter 10 ausgebildet.
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Um einen Hochspannungskurzschluss zwischen den Anschlussklemmen 28, 30 zu verhindern, dürfen zu keinem Zeitpunkt beide Feldeffekttransistoren 18, 20 einer Halbbrücke 16 gleichzeitig leitend sein. In anderen Worten, es muss zumindest einer der Feldeffekttransistoren 18, 20 sperrend sein.
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Um die Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 zu steuern, ist der Stromrichter 10 mit einer Steuervorrichtung 36 gekoppelt, die zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung 38 umfasst.
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Die Steuervorrichtung 36 ist eingerichtet, um für die Feldeffekttransistoren 18, 20 entsprechende Gatesignale G1, G2 als Schaltsignale bereitzustellen, sodass basierend auf diesen Signalen die Schaltstellungen der Feldeffekttransistoren 18, 20 beeinflusst werden. Die Steuervorrichtung 36 ist im Allgemeinen mit weiteren Komponenten des elektrischen Kreislaufs gekoppelt, beispielsweise der elektrischen Maschine 12 oder der Gleichstromquelle 26. Die Steuervorrichtung 36 kann dann entsprechende Gatesignale G1, G2 beispielsweise in Abhängigkeit der relativen Stellungen des Rotors der elektrischen Maschine 12 zum Stator der elektrischen Maschine 12 ausgeben, sodass als Folge die Wicklungen der elektrischen Maschine 12 bedarfsgerecht angesteuert werden.
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Um Hochspannungskurzschlüsse und partielle Brückenkurzschlüsse auszuschließen, ist ein unterer Grenzwert für die Totzeit zu berücksichtigen, der nicht unterschritten werden darf. Typischerweise beträgt dieser Grenzwert 0,5 µs. sind beide Feldeffekttransistoren 18, 20 allerdings sperrend (während der Totzeit), so tritt keine Transition auf, sondern eine Rückwärtsleitfähigkeit. Dadurch wird eine Verlustleistung reduziert, die nach bisherigen Ansätzen dadurch minimiert wird, dass die Totzeit üblicherweise so kurz wie möglich gewählt wird.
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Da der Zwischenkreiskondensator 34 eine hohe Kapazität aufweist, treten aufgrund seiner Ausdehnungen frequenzabhängige Störungen auf, die durch im Hochfrequenzbereich angeregte Eigenschwingungen der jeweiligen Kommentierungszellen des Stromrichters 10 verursacht sind. Diese Störungen könnten generell periphere elektrische oder elektronische Komponenten beeinflussen, wodurch ein Risiko von Beschädigungen oder einer verminderten Leistungsfähigkeit besteht. Daher sind EMV-Grenzwerte spezifiziert, beispielsweise gemäß dem WLTP-Standard), die durch den Stromrichter 10 einzuhalten sind.
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Erfindungsgemäß wird die Totzeit angepasst, insbesondere über das übliche Maß hinaus verlängert, um die Störungen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, oberhalb von 1 MHz betragsmäßig zu reduzieren. Dies geht zwar mit einer erhöhten Verlustleistung einher, dadurch können aber aufwändige Filtermaßnahmen vermieden werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 40 mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter 10.
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Das Fahrzeug 40 weist mehrere Räder 42 auf, die jeweils mit einer elektrischen Maschine 12 gekoppelt sind. Mit den jeweiligen elektrischen Maschinen 12 ist der Stromrichter 10 gekoppelt, von dem vorliegend, der Einfachheit halber, nur einer dargestellt ist. Im Allgemeinen ist jeder elektrischen Maschine 12 ein Stromrichter 10 zugeordnet oder der Stromrichter 10 ist mehrphasig entsprechend der Anzahl der mit ihm gekoppelten Maschinen 12. Die Steuervorrichtung 36 ist mit dem Stromrichter 10 gekoppelt, um die elektrischen Maschinen 12 mit bedarfsgerechten Signalen beaufschlagen zu können.
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3 bis 5 zeigen mehrere schematische Darstellungen von beispielhaften Störemissionsspektren 44 des Stromrichters 10 bei verschiedenen Totzeiten.
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Auf der Abszisse 46 ist die Frequenz f entsprechend einer logarithmischen Skala in Hz aufgetragen. Auf der Ordinate 48 ist die Störamplitude „Noise“ in dbpV aufgetragen.
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Es ergibt sich der Verlauf 52 der Störemissionen 44, wie er beispielsweise mittels eines Frequenzanalysators per SVPWM erfasst wird, der statt der Gleichstromquelle 26 mit dem Stromrichter 10 gekoppelt wird.
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Die gestrichelte Linie gibt einen frequenzabhängigen EMV-Grenzwert 50 an. Die Unterschreitung des EMV-Grenzwerts 50 ist zulassungsrelevant für derartige Stromrichter 10.
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Gemäß dem Störemissionsspektrum 44 aus 3 beträgt die Totzeit 1 µs. Zu erkennen ist, dass der Verlauf 52 den EMV-Grenzwert 50 insbesondere im Hochfrequenzbereich 54 oberhalb von 1 MHz überschreitet. Das bedeutet, dass in diesem Fall zusätzliche Filtervorrichtungen notwendig sind, damit der EMV-Grenzwert 50 eingehalten werden kann. Derartige Filtervorrichtungen erhöhen aber die Komponentenanzahl, erfordern ein komplexes Kühlkonzept, verursachen selbst zusätzliche Verlustleistungen und erhöhen somit den Gesamtherstellungsaufwand für den Stromrichter 10.
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Das Störemissionsspektrum 44 aus 4 zeigt einen Verlauf 52 für eine Totzeit von 2 µs. Man erkennt, dass die Störemissionen insbesondere im Hochfrequenzbereich 54 betragsmäßig reduziert sind. Das bedeutet, das durch die Verlängerung der Totzeit einerseits zwar erhöhte Verlustleistungen auftreten, dass andererseits der Aufwand zur Erreichung des EMV-Grenzwerts 50 deutlich reduziert wird.
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Das Störemissionsspektrum 44 aus 5 zeigt einen Verlauf 52 für eine Totzeit von 4 µs. Hier ist die Verlängerung der Totzeit bereits ausreichend, damit die Störemissionen im Hochfrequenzbereich 54 betragsmäßig derart reduziert werden, dass der EMV-Grenzwert 50 unterschritten wird. So kann die Totzeit sogar derart angepasst werden, dass überhaupt keine zusätzlichen Filtervorrichtungen mehr notwendig sind, um den EMV-Grenzwert 50 einzuhalten. Auch wenn damit eine Erhöhung der Verlustleistung durch die verlängerte Totzeit einhergeht, so ermöglicht die Reduzierung der erforderlichen Maßnahmen, um den EMV-Grenzwert 50 einzuhalten, einen verringerten Gesamtaufwand des Stromrichters 10.
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Die Verlängerung der Totzeit bewirkt, dass der jeweilige komplementäre Feldeffekttransistor, beispielsweise Feldeffekttransistor 20 nach dem Sperren des Feldeffekttransistors 18, beabsichtigt länger im dritten Quadranten betrieben wird. So wird die Resistivität des Leitkanals als Hochfrequenz-Dämpfer der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen des Stromrichters 10 in der Hochfrequenzdomäne nutzbar gemacht.
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Durch den Betrieb des Feldeffekttransistors 20 im dritten Quadraten wird eine Dämpfungswirkung bezüglich der Eigenschwingungen der Kommutierungszellen gewährleistet. Als Folge treten HF-Störungen lediglich mit betragsmäßig reduzierter Amplitude auf, was beispielhaft in der Sequenz der Störemissionsspektren 44 anhand der 3 bis 5 gezeigt ist.
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Die Totzeit ist im Allgemeinen abhängig von der Topologie des Stromrichters 10, beispielsweise der Kapazität des Zwischenkreiskondensator 34 und seiner Impedanz im Hochfrequenzbereich. Insofern sind die gegensätzlichen Effekte der Erhöhung der Verlustleistung bei gleichzeitiger Verringerung des Aufwands zur Einhaltung des EMV-Grenzwerts 50 durch eine Verlängerung der Totzeit zu quantifizieren und gegeneinander abzuwägen. Es ergibt sich daher die Möglichkeit, die Totzeit derart zu wählen, dass ein Pareto-Optimum zwischen diesen gegensätzlichen Effekten erreicht wird, also die möglichst geringe Erhöhung der Verlustleistung bei einer gleichzeitig möglichst hohen Aufwandsreduktion zur Einhaltung des EMV-Grenzwerts 50.
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Die Totzeit kann insbesondere zwischen 1 µs und 15 µs betragen, vorzugsweise zwischen 3 µs und 10 µs betragen, um das Pareto-Optimum zu erreichen.
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In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff „Mehrzahl“ verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff „Mehrzahl“ jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.