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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer negativen Spannung für einen High-Side-Schalter in einem Wechselrichter, wobei die Anordnung eine mit einem Halbleiterschalter verbundene Primärwicklung eines Transformators eines Sperrwandlers sowie mindestens eine Halbbrücke, in welcher ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter in einer Reihenschaltung angeordnet sind, umfasst. Die Halbbrücke ist zwischen den Potenzialen HV+ und HV- angeordnet. Zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter ist ein Abgriff für eine Ausgangsphasenspannung (Phase A, Phase B, Phase C) der Halbbrücke ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung einer negativen Spannung für einen High-Side-Schalter in einem Wechselrichter, wobei die negative Spannung an eine Steuerelektrode eines High-Side-Schalters für den Fall angelegt wird, dass dieser sicher gesperrt werden soll.
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Wechselrichter, welche auch als Inverter bezeichnet werden, sind elektrische Geräte, welche eine Gleichspannung in eine Wechselspannung, also einen Gleichstrom in einen Wechselstrom, umwandeln oder umrichten. Wechselrichter sind in die Gruppe der Stromrichter einzuordnen.
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Wechselrichter können für die Erzeugung eines einphasigen oder eines mehrphasigen Wechselstroms, welcher auch als Drehstrom bezeichnet wird und wobei sich dessen Drehsinn aus der Phasenverschiebung der Phasen zueinander ergibt, ausgelegt sein. Zum Einsatz kommen Wechselrichter meist dort, wo ein elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise ein Motor, eine Wechselspannung zum Betrieb benötigt, aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Hochvoltbatterie im Kraftfahrzeug oder ähnliches, zur Verfügung steht.
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Weiterhin kommen Wechselrichter für den Fall zum Einsatz, dass Gleichstrom in ein Wechsel- oder Drehstromnetz eingespeist werden soll, beispielsweise bei Photovoltaik-Anlagen, welche zur Stromerzeugung mit einem Stromnetz verbunden sind.
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Derartige Wechselrichter oder Inverter werden auch zum Antrieb elektrischer Motoren mit hoher Spannung und somit hoher interner gespeicherter Zwischenkreisenergie, insbesondere in Fahrzeugen mit Bordnetzspannungen über 60V, genutzt. Ab diesem Spannungsbereich spricht man im KFZ-Bereich auch von sogenannten Hochvolt-Anwendungen (HV-Anwendungen). Eine derartige Anwendung ist beispielsweise ein Wechselrichter für einen elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter in einem Fahrzeug.
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Wechselrichter werden nach Stand der Technik beispielsweise mit einer sogenannten B6-Brücke, bestehend aus sechs Leistungshalbleitern oder Leistungsschaltern, aufgebaut. In einer derartigen B6-Brücke sind je zwei Leistungshalbleiter, welche zusammen auch als Halbbrücke bezeichnet werden, je zu erzeugender Ausgangsphase der Ausgangswechselspannung in einem Querzweig zwischen einer Eingangsgleichspannungsleitung angeordnet, wobei der Abgriff für die jeweilige Ausgangsphase zwischen den beiden Leistungshalbleitern platziert ist. Üblicherweise wird ein erster Leistungshalbleiter, welcher zwischen dem Abgriff oder der Last und der positiven Eingangsgleichspannungsleitung angeordnet ist, als High-Side-Leistungshalbleiter oder High-Side-Schalter und der zweite Leistungshalbleiter, welcher zwischen dem Abgriff und einer negativen Eingangsspannungsleitung oder einer Masseleitung angeordnet ist, als Low-Side-Leistungsschalter oder Low-Side-Schalter bezeichnet.
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In einer derartigen Anordnung werden die Leistungshalbleiter, welche beispielsweise ein MOSFETs, ein IGBT, ein Tyristor oder ähnliche sind, von einer Logik zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung angesteuert. Da derartige Logikschaltungen meist nur geringe Ausgangsspannungen in einem Bereich kleiner gleich 5 V bereitstellen, ist es üblich, zwischen dem Ausgang der Logikschaltung und den Eingängen der Leistungshalbleiter eine Treiberschaltung anzuordnen. Diese Treiberschaltung stellt ausgangsseitig beispielsweise eine Spannung im Bereich von etwa 15 V zur Verfügung, mit welcher die Eingänge oder Steuerelektroden der Leistungshalbleiter angesteuert werden.
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Zur Spannungsversorgung der Treiberschaltung, welche zum Beispiel für die angeordneten elektronischen Bauelemente mit einer Spannung von 3 V oder 5 V arbeitet, sowie zur Bereitstellung einer die Leistungshalbleiter ansteuernden Spannung von etwa 15 V ist meist eine separate Spannungsversorgung vorzusehen.
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Weiterhin ist es Stand der Technik, dass die Treiberschaltungen und/oder die Leistungshalbleiter in den Halbbrücken bei Hochspannungsinvertern durch besondere Schutzmaßnahmen gegen ein ungewolltes parasitäres Einschalten geschützt werden.
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Somit ist es vorteilhaft, dass die Treiberschaltung derart aufgebaut und betrieben wird, dass ein gleichzeitiges Durchsteuern zweier Leistungshalbleiter in einer Halbbrücke ausgeschlossen ist.
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Ein weiteres Problem beim Betreiben eines Wechselrichters besteht darin, dass es insbesondere bei Hochspannungsinvertern aufgrund der hohen Schaltspannungen und eines steilen Anstiegs des Schaltimpulses (dV/dt) zu einem ungewollten Durchsteuern des gesperrten Leistungshalbleiters kommen kann. Der Grund für dieses ungewollte Zuschalten des Leistungshalbleiters liegt in den in jedem realen Leistungshalbleiter vorhandenen parasitären Kapazitäten, welche auch als Miller-Kapazitäten bezeichnet werden. Eine derartige Miller-Kapazität ist aus dem Ersatzschaltbild beispielsweise eines MOSFETs oder eines IGBTs bekannt.
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Bedingt durch eine schnelle Spannungsänderung in einer sehr kurzen Zeit ergibt sich ein hoher Wert für das Verhältnis dV/dt der zu schaltenden Spannung zwischen HV+ und HV-, wodurch eine Spannung an der Steuerelektrode eines gesperrten Leistungshalbleiters entstehen kann, welche bei einer entsprechenden Größe zum ungewollten Durchsteuern des Leistungshalbleiters führt.
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Zur Vermeidung derart kritischer Zustände in einer Halbbrücke ist es bekannt, die Steuerelektrode des gesperrten Leistungshalbleiters gegen das Massepotenzial zu schalten.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, die Steuerelektrode des gesperrten Leistungshalbleiters mit einer negativen Spannung (Bias-Spannung) zu beaufschlagen. In diesem Fall muss für die Treiberschaltung eine zusätzliche negative Bias-Spannung bereitgestellt werden. Diese negative Bias-Spannung kann typischerweise einen Wert von -5 V aufweisen.
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Die Bereitstellung einer derartigen negativen Bias-Spannung beispielsweise für drei Low-Side-Schalter eines dreiphasigen Wechselrichters ist mittels einer einzigen negativen Spannung im Bereich von -5 V möglich.
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Für die High-Side-Schalter hingegen ist die Bereitstellung je einer negativen Bias-Spannung je High-Side-Schalter notwendig, da deren am Abgriff anliegende Spannung einer ständigen Veränderung ihres Spannungswerts unterliegt. Hierfür ist auch die Bezeichnung eines schwebenden oder schwimmenden Potenzials (engl.: floating potential) üblich. Meist erfolgt die Bereitstellung einer derartigen negativen Bias-Spannung mittels einer zusätzlichen sekundärseitigen Wicklung auf einem ohnehin vorhandenen Transformator. Für drei negative Bias-Spannungen sind demzufolge zusätzlich drei sekundärseitige Wicklungen auf dem Transformator vorzusehen. Insbesondere bei Hochleistungsinvertern, welche in einem Spannungsbereich von 800 V bis etwa 1000 V arbeiten, sind zwischen den einzelnen Wicklungen auf dem Transformatorkern entsprechend ausgeführte Isolationslagen oder Isolationsschichten vorzusehen. Somit kommt es neben dem zusätzlich benötigten Wicklungsmaterial zu einer Zunahme der Baugröße und des Gewichts des Transformators. Außerdem erhöhen sich die Kosten bei der Fertigung derartiger Baugruppen.
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Zudem nehmen bei einer Montage des Transformators auf der Oberfläche einer Leiterplatte, bei welcher die Anschlüsse des Transformators beispielsweise mit auf der Oberfläche aufgebrachten Leiterbahnen verlötet sind, die auf die Leiterbahnen beziehungsweise die Lötstellen wirkenden Kräfte zu. Diese Zunahme der wirkenden Kräfte geht mit der Gewichtszunahme einher. Besonders kritisch wirkt sich diese Tatsache in Baugruppen aus, welche zum Beispiel für Anwendungen in Fahrzeugen vorgesehen sind, da in Fahrzeugen Vibrationen auftreten, welche ebenfalls zu einer erhöhten Beanspruchung der Lötstellen führen. Hier kann nur durch zusätzlichen Aufwand und Kosten mittels mechanischer Befestigungen, beispielsweise durch Kleben oder Klammern, Abhilfe erfolgen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Bereitstellung mindestens einer negativen Bias-Spannung für einen Wechselrichter anzugeben, mit welcher eine einfache und sichere Bereitstellung der negativen Spannung ermöglicht wird und der Schaltungsaufwand sowie der Aufwand und die Kosten für die Herstellung eines derartigen Wechselrichters vermindert werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 9 bis 11 angegeben.
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Die Erzeugung der negativen Versorgungsspannungen für beispielsweise drei Leistungshalbleiter wird durch zwei Modifikationen an den ohnehin im Wechselrichter oder Inverter, beispielsweise eines Kältemittelverdichters, vorhandener Baugruppen umgesetzt.
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Zum einen wird ein Mittel angeordnet, welches eine im Bezug auf das Potenzial HV+ negative Spannung erzeugt und ausgibt.
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Beispielsweise erhält ein zur Erzeugung der Treiber-Versorgungsspannungen im Wechselrichter vorhandener Sperrwandler eine zusätzliche Wicklung mit einem Ausgang, über welchen eine negative Basisspannung bereitgestellt wird. Diese negative Basisspannung ist negativ im Bezug zu einer positiven HV-Eingangsspannung HV+. Alternative Ausführungen für das Mittel sind möglich.
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Die erzeugte negative Basisspannung ist die Basis zur Erzeugung mehrerer Bias-Spannungen für mehrere in einem Wechselrichter angeordneter High-Side-Schalter. Mittels dieser derart erzeugten negativen Bias-Spannungen werden die Steuerelektroden der High-Side-Schalter für den Fall angesteuert, dass der High-Side-Schalter sperren soll, also den Stromfluss unterbrechen soll. Durch das Anlegen dieser negativen Bias-Spannung an die Steuerelektroden wird ein ungewolltes Durchschalten der High-Side-Schalter sicher verhindert.
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Zum anderen wird in jeder Halbbrücke, für den Fall, dass bereits eine Bootstrapschaltung vorhanden ist, eventuell eine weitere Bootstrapschaltung angeordnet, welche die negative Basisspannung abgreift und einen Spannungsbezug zum jeweiligen High-Side-Schalter herstellt. Mittels dieser Anordnung wird dafür gesorgt, dass unabhängig vom schwimmenden Potenzial eines jeden High-Side-Schalters eine für die Steuerelektrode dieses betreffenden Leistungshalbleiters negative Spannung im Bereich von etwa -5 V zur Verfügung steht.
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Vorteilhaft ist es, für die Leistungshalbleiter MOSFETs, IGTBs oder Thyristoren einzusetzen.
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Vorgesehen ist es auch, eine positive Basisspannung bereitzustellen, aus welcher nachfolgend mehrere positive Bias-Spannungen zum Ansteuern der Steuerelektroden der High-Side-Schalter erzeugt werden. Diese positiven Bias-Spannungen werden für einen Betriebszustand des Durchsteuerns der High-Side-Schalter genutzt.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße Erzeugung der negativen Bias-Spannungen und/oder der positiven Bias-Spannungen mit einer Erzeugung einer negativen oder positiven Bias-Spannung für mehrere Low-Side-Schalter zu kombinieren.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine Prinzipdarstellung eines sechs Leistungshalbleiter umfassenden Wechselrichters in Form einer B6-Brücke aus dem Stand der Technik,
- 2: eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung dreier Bias-Spannungen positiver Polarität für drei High-Side-Schalter eines Wechselrichters nach dem Stand der Technik,
- 3: eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung dreier Bias-Spannungen negativer Polarität für drei High-Side-Schalter eines Wechselrichters nach dem Stand der Technik,
- 4: eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Teilschaltung zur Bereitstellung einer zur Erzeugung mehrerer negativer Bias-Steuerspannungen genutzter Basisspannung mit einem reduzierten Aufwand,
- 5a, 5b: jeweils eine zweite Teilschaltung der Erfindung in zwei verschiedenen Betriebszuständen, mit welcher eine negative Bias-Spannung NEG BIAS A bereitgestellt wird,
- 6a, 6b: jeweils eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer positiven Bias-Spannung POS BIAS A in zwei Betriebszuständen, welche in einem dreiphasigen Wechselrichter je Halbbrücke angeordnet ist und
- 7a, 7b: jeweils eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Schaltung zur Erzeugung einer positiven Bias-Spannung POS BIAS A und einer negative Bias-Spannung NEG BIAS A in einer Halbbrücke.
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In 1 ist ein Wechselrichter 1 gezeigt, welcher drei Halbbrücken 2 mit je einem High-Side-Schalter 3 und einem Low-Side-Schalter 4 umfasst. Die Halbbrücken 2 sind zwischen den Eingangsklemmen HV+ und HV-, über welche dem Wechselrichter 1 eine eingangsseitige Gleichspannung bereitgestellt wird, angeordnet. Zwischen einem High-Side-Schalter 3 und einem Low-Side-Schalter 4 sind in den Halbbrücken 2 jeweils Abgriffe angeordnet, über welche die Wechselspannungen für die Phasen A 5, Phase B 6 und Phase C 7 ausgangsseitig bereitgestellt werden. Im Beispiel der Ausführung gemäß 1 ist als Last 8 ein mit einer dreiphasigen Wechselspannung betriebener Motor angeordnet und mit den drei Phasen A 5, B 6 und C 7 verbunden. Dieser Motor kann beispielsweise in einer Ausführung ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) sein. Die Leistungshalbleiter 3 und 4 werden über ihre jeweiligen Steuerelektroden 9 angesteuert. Zu diesem Zweck sind die Steuerelektroden 9 mit einer nicht dargestellten Logikschaltung zur Ansteuerung verbunden. Derartige Logikschaltungen zur Ansteuerung mehrerer Leistungshalbleiter, beispielsweise in einer B6-Brücke, sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben. Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist ein Anordnen einer ebenfalls nicht in 1 dargestellten Treiberschaltung zwischen der Logikschaltung und den Steuerelektroden 9 bekannt.
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In 2 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung dreier Bias-Spannungen (POS BIAS A, POS BIAS B, POS BIAS C) mit jeweils positiver Polarität dargestellt. Diese Bias-Spannungen sind als konstante Spannungen bekannt, welche einem elektrischen Signal, beispielsweise zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 3, überlagert werden. Im dargestellten Beispiel werden die bereitgestellten Bias-Spannungen zur Ansteuerung der High-Side-Schalter 3 in den Halbbrücken 2 des Wechselrichters 1 zum Durchsteuern der Leistungshalbleiter 3 genutzt.
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Die Darstellungen der 1 bis 7 beinhalten nur die zur Erklärung der vorliegenden Erfindung notwendigen Elemente. So sind in 2 die Low-Side-Schalter 4 nicht dargestellt, obwohl sie in den Halbbrücken 2 eines Wechselrichters 1 vorhanden sind.
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In 2 ist ein Sperrwandlertransformator 10 mit einer Primärwicklung 11 dargestellt. Zum Betrieb des Sperrwandlers ist ein üblicher Halbleiterschalter 15 zwischen einem Ende der Primärwicklung 11 und einem negativen Potenzial HV- angeordnet. Dieser Halbleiterschalter 15 wird über seine Steuerelektrode (Gate) von einer nicht dargestellten Steuerschaltung des Sperrwandlers angesteuert. Der Sperrwandlertransformator 10 verfügt über drei Sekundärwicklungen 12, 13 und 14, wobei die erste Sekundärwicklung 12 zur Bereitstellung der ersten Bias-Spannung POS BIAS A, die zweite Sekundärwicklung 13 zur Bereitstellung der zweiten Bias-Spannung POS BIAS B und die dritte Sekundärwicklung 14 zur Bereitstellung der dritten Bias-Spannung POS BIAS C vorgesehen sind.
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Die Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 sind mit je einer üblichen Gleichrichterdiode 16 sowie einem üblichen Ladekondensator 17 verbunden.
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Über die Gleichrichterdioden 16 erfolgt eine Gleichrichtung der über die Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 erzeugten Wechselspannungen. Aus dieser pulsierenden Gleichspannung wird mittels eines Ladekondensators 17 eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit erzeugt. Damit werden die Spannungen POS BIAS A, POS BIAS B und POS BIAS C bereitgestellt, welche der in 2 nicht dargestellten Logikschaltung oder Treiberschaltung zur Erzeugung der Steuersignale für die Steuerelektroden 9 zugeführt werden. Die High-Side-Schalter 3 sind mit ihren Anschlüssen zum einen mit dem Potenzial HV+ und zum anderen mit dem jeweiligen Abgriff 5, 6, 7 oder Anschluss für die Phase A, Phase B und Phase C verbunden.
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Mittels der in 2 dargestellten Anordnung können die drei positiven Bias-Spannungen zur Ansteuerung der High-Side-Schalter 3 bereitgestellt werden. Eine derartige Bias-Spannung kann beispielsweise ein Wert von +16,8 V aufweisen. Zur Bereitstellung dieser beispielsweise auf ein Emitterpotenzial eines ersten Leistungshalbleiters 3 referenzierten positiven Versorgungsspannung zur Ansteuerung der Gateelektrode des ersten Leistungshalbleiters 3 sind zusätzliche Anschlüsse oder Kontakte sowie zusätzliche Isolationsschichten zwischen den Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 für den Sperrwandlertransformator 10 vorzusehen.
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Eine Erzeugung einer positiven Versorgungsspannung oder Bias-Spannung für die Low-Side-Schalter 4 eines Wechselrichters ist mittels einer weiteren Sekundärwicklung zur Erzeugung einer gemeinsamen Bias-Spannung möglich, da alle Low-Side-Schalter 4 mit dem negativen Potenzial HV- emitterseitig verbunden sind und dieses Potenzial nicht schwimmt (floating potential). Dieser Schaltungsteil ist in 2 nicht dargestellt.
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In 3 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung dreier Bias-Spannungen (NEG BIAS A, NEG BIAS B, NEG BIAS C) mit jeweils negativer Polarität dargestellt. Diese negativen Bias-Spannungen sind ebenfalls konstante Spannungen, welche einem elektrischen Signal, beispielsweise zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 3, überlagert werden. Im dargestellten Beispiel werden die bereitgestellten Bias-Spannungen zur Ansteuerung der High-Side-Schalter 3 in den Halbbrücken 2 des Wechselrichters 1 insbesondere zum sicheren Sperren der Leistungshalbleiter 3 genutzt.
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Die dargestellte Schaltung entspricht im Wesentlichen der Schaltung aus 2, somit kann auf die obigen Ausführungen zur 2 verwiesen werden.
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Zur Erzeugung der negativen Bias-Spannungen wurden zwei Änderungen in der Schaltungsanordnung vorgenommen. Zum einen wurde der Wicklungssinn der Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 gegenüber der Ausführung gemäß 2 geändert, was mit den Punkten neben den Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 gekennzeichnet ist. Zum anderen wurden die Gleichrichterdioden 16 umgepolt, also der Anodenanschluss mit dem Kathodenanschluss getauscht. Damit werden drei separate voneinander isolierte Bias-Spannungen zum sicheren Sperren der High-Side-Schalter 3 bereitgestellt. Diese Lösung weist den Nachteil auf, dass zusätzliche Anschlüsse oder Kontakte sowie zusätzliche Isolationsschichten zwischen den Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 für den Sperrwandlertransformator 10 vorzusehen sind.
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In 4 ist eine Ausgestaltungsform einer Teilschaltung zur Erzeugung mehrerer negativer Bias-Spannungen mit einem reduzierten Aufwand gezeigt. Der Schaltungsteil zeigt die Bereitstellung einer sogenannten negativen Basisspannung, welche die Basis zur Erzeugung einzelner negativer Bias-Spannungen in den Halbbrücken 2 darstellt. Hierfür ist der Sperrwandlertransformator 10, neben seiner Primärwicklung 11, mit einer einzigen Sekundärwicklung 12 versehen. Die Anordnung eines Halbleiterschalters 15 in einer Reihenschaltung mit der Primärwicklung 11 und die Anordnung dieser beiden Elemente 11 und 15 zwischen den Potenzialen HV+ und HV- entspricht der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsvariante.
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Zur Gleichrichtung der von der Sekundärwicklung 12 erzeugten Wechselspannung ist die Gleichrichterdiode 16 vorgesehen, welche derart gepolt ist, dass eine negative Basisspannung, im Beispiel von -5,7 V bezogen auf HV+, erzeugt wird. Auch in dieser Schaltung ist der Ladekondensator 17 zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung nach der Gleichrichterdiode 16 vorgesehen. Somit reduzieren sich in dieser Ausführung die Anzahl der benötigten Wicklungen, der Isolationsschichten zwischen den Wicklungen, die Anzahl der Kontakte, das Volumen des Sperrwandlertransformators 10 sowie seine Kosten. Im dargestellten Beispiel sind nur eine zusätzliche Isolationsschicht und ein zusätzlicher Kontakt für den Sperrwandlertransformator 10 notwendig.
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Die derart bereitgestellte negative Basisspannung ist mit ihrem Wert von beispielsweise -5,7 V auf die Spannung HV+ referenziert, wie in 4 gezeigt ist.
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In den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a und 7b sind Teile der dargestellten Schaltungsauszüge, wie beispielsweise eine Halbbrücke 2, welche für den aktuell beschriebenen Betriebszustand nicht von wesentlicher Bedeutung sind, mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellt.
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In den 5a und 5b ist jeweils eine zweite Teilschaltung der Erfindung in zwei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt. Diese zweite Teilschaltung wird für ein Spannungs-Bootstrap benötigt. In 5a ist die Teilschaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 durchgesteuert und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 gesperrt ist.
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In diesem Betriebszustand wird die Spannung am Abgriff 5 Phase A über den durchgesteuerten High-Side-Schalter 3 auf das Potenzial von HV+ angehoben. Gleichzeitig wird der Bootstrap-Kondensator 18 über die Bootstrap-Diode 19 und den Ladekondensator 17 auf etwa -5 V über die am Kondensator 17 anliegende, bereitgestellte negative Basisspannung von -5,7 V, welche auf das Potenzial HV+ referenziert ist, aufgeladen. Die Richtung des Stromflusses über diese beschriebenen Bauelemente 17, 3, 18 und 19 ist in 5a mittels mehrerer Pfeile dargestellt.
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In 5b ist die Teilschaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 gesperrt und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 durchgesteuert ist.
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In diesem Betriebszustand fällt die Spannung am Abgriff 5 Phase A auf das Potenzial HV- ab. Da die Bootstrap-Diode 19 nun in Sperrichtung gepolt ist, fließt über diese Diode 19 kein Strom mehr zum Anschluss -5,7 V. Der Bootstrap-Kondensator 18 ist jedoch noch auf einen Wert von etwa -5 V aufgeladen. Diese Spannung wird am Anschluss mit der Bezeichnung -5 V bereitgestellt (NEG BIAS A) und zur Ansteuerung der Steuerelektrode 9 des High-Side-Schalters 3 genutzt. Die bereitgestellte Spannung von -5 V hat einen festen Bezug zum schwimmenden Potenzial am Abgriff 5 Phase A und wird der nicht dargestellten Logikschaltung beziehungsweise Treiberschaltung zur Erzeugung einer negativen Steuerspannung für die Steuerelektrode 9 des High-Side-Schalters 3 zugeführt.
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In einem nachfolgenden Schaltzyklus des Wechselrichters 1, in welchem der High-Side-Schalter 3 erneut durchgesteuert und der Low-Side-Schalter 4 erneut gesperrt ist, wird der Bootstrap-Kondensator 18 wieder in der oben beschriebenen Weise aufgeladen.
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Da die beschriebene Anordnung, bestehend aus einem Bootstrap-Kondensator 18 und der Bootstrap-Diode 19, für jede Halbbrücke 2 vorgesehen wird, ist es möglich, für jeden High-Side-Schalter 3 jeder Halbbrücke 2, eine entsprechend referenzierte negative Spannung (NEG BIAS A, NEG BIAS B und NEG BIAS C) bereitzustellen. Somit reduziert sich der Schaltungsaufwand zur Bereitstellung von drei referenzierten negativen Spannungen in einem dreiphasigen Wechselrichter 1 auf eine Sekundärwicklung 12, eine Gleichrichterdiode 16, einen Ladekondensator 17, eine Bootstrap-Diode 18 und einen Bootstrap-Kondensator 18, wobei die Bootstrap-Diode 18 und der Bootstrap-Kondensator 18 je Halbbrücke 2 benötigt werden.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt und in 2 dargestellt ist, wird zur Bereitstellung der drei positiven Spannungen POS BIAS A, POS BIAS B und POS BIAS C eine Schaltung mit drei Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 sowie weiteren zur 2 bereits beschriebenen Bauelementen 16 und 17 benötigt. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, auch den Schaltungsaufwand zur Bereitstellung mehrerer positiver Bias-Spannungen zu reduzieren.
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Zu diesem Zweck ist es auch zur Erzeugung der positiven Bias-Spannungen POS BIAS A, POS BIAS B und POS BIAS C vorgesehen, nur eine Sekundärwicklung 12 auf einem Sperrwandlertransformator 10 anzuordnen. Diese Sekundärwicklung 12 wird mit einer zugehörigen Gleichrichterdiode 16 und einem Ladekondensator 17 in der bekannten, bereits beschriebenen Weise verschaltet und stellt derart eine einzige positive Basisspannung, beispielsweise mit einem Wert von 17,5 V, bereit. Die Erzeugung der drei benötigten Bias-Spannungen erfolgt ausgehend von dieser bereitgestellten Basisspannung mit 17,5 V wieder nach dem Bootstrap-Prinzip.
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Die 6a und 6b zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer positiven Bias-Spannung POS BIAS A, welche in einem dreiphasigen Wechselrichter 1 je Halbbrücke 2 anzuordnen ist. In der zweiten Halbbrücke 2 erzeugt diese Schaltung die Bias-Spannung POS BIAS B und in der dritten Halbbrücke 2 die Bias-Spannung POS BIAS C. Die 6a und 6b zeigen die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Bias-Spannung POS BIAS A nur beispielhaft.
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In 6a ist die Schaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 gesperrt und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 durchgesteuert ist.
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In diesem Betriebszustand wird die Spannung am Abgriff 5 Phase A durch den geöffneten Low-Side-Schalter 4 auf das Potenzial HV- abgesenkt. Dieser Zustand führt zu einem Stromfluss in der mit den Pfeilen dargestellten Richtung über die in Durchflussrichtung gepolte zweite Bootstrap-Diode 21, wobei der zweite Bootstrap-Kondensator 20 aufgeladen wird. Zwischen dem zweiten Bootstrap-Kondensator 20 und der zweiten Bootstrap-Diode 21 ist der Spannungsabgriff für die positive Bias-Spannung POS BIAS A angeordnet, an welchem im Beispiel der in 6a dargestellten Ausgestaltungsform eine Spannung von +16,8 V bereitgestellt wird.
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Diese Spannung steht der nicht dargestellten Logikschaltung und/oder der Treiberschaltung zur Verfügung, um ein Steuersignal zum Durchsteuern des High-Side-Schalters 3 zu erzeugen, welches an die Steuerelektrode 9 des High-Side-Schalters 3 angelegt wird. Die mittels einer Sekundärwicklung 12 sowie mindestens einer Gleichrichterdiode und einem Ladekondensator 17a erzeugte positive Basisspannung für die dargestellte Schaltung wird an dem mit der Beschriftung +17,5 V versehenen Anschluss angelegt. Die Sekundärwicklung 12 sowie die Gleichrichterdiode 16 sind in 6a nicht dargestellt. Der Ladekondensator 17a ist zwischen dem +17,5 V Anschluss und dem Potenzial HV- angeordnet.
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In 6b ist die Schaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 durchgesteuert und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 gesperrt ist.
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In diesem Fall wird der Abgriff 5 der Phase A über den geöffneten High-Side-Schalter 3 auf das Potenzial HV+ gezogen. Da dieses Potenzial HV+ höher als die bereitgestellte positive Basisspannung von 17,5 V ist, sperrt die zweite Bootstrap-Diode 21. Über den noch aufgeladenen zweiten Bootstrap-Kondensator 20 wird am Anschluss POS BIAS A die Spannung von +16,8 V für die Logikschaltung und/oder Treiberschaltung bereitgestellt. Auch diese Bias-Spannung von 16,8 V wird mit einem relativen Bezug zu dem schwimmenden Potenzial am Anschluss der Phase A und somit beispielsweise zum Emitteranschluss des High-Side-Schalters 3 bereitgestellt.
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In einem nachfolgenden Schaltzyklus des Wechselrichters 1, in welchem der High-Side-Schalter 3 erneut gesperrt und der Low-Side-Schalter 4 erneut durchgesteuert ist, wird der zweite Bootstrap-Kondensator 20 wieder in der oben beschriebenen Weise aufgeladen.
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In den 7a und 7b ist jeweils eine weitere Variante der Schaltung zur Erzeugung einer positiven Bias-Spannung POS BIAS A und einer negativen Bias-Spannung NEG BIAS A in einer Halbbrücke 2 dargestellt.
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Die 7a und 7b zeigen die vorteilhafte Kombination der bereits zu den 5a und 5b beschriebenen Schaltung zur Erzeugung der negativen Bias-Spannung NEG BIAS A mit der zu den 6a und 6b beschriebenen Schaltung zur Erzeugung der positiven Bias-Spannung NEG BIAS A in einer Halbbrücke 2 eines Wechselrichters 1. Diese Kombination der Schaltungen wird für jede Halbbrücke 2 des Wechselrichters 1 vorgesehen.
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Derart kann, ausgehend von einer positiven Basisspannung und einer negativen Basisspannung, die Bereitstellung je einer positiven Bias-Spannung POS BIAS A von beispielsweise 16,8 V und je einer negativen Bias-Spannung NEG BIAS A von beispielsweise -5 V je Halbbrücke 2 mit einem reduzierten Aufwand erfolgen.
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In 7a ist die Schaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 durchgesteuert und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 gesperrt ist.
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Da das Potenzial am Abgriff 5 Phase A über den High-Side-Schalter 3 auf nahezu HV+ gezogen wird, erfolgt für den Bootstrap-Kondensator 18 der Ladevorgang in der bereits zu den 5a und 5b beschriebenen Weise. Gleichzeitig wird durch den aufgeladenen zweiten Bootstrap-Kondensator 20 die Bias-Spannung POS BIAS A von +16,8 V bereitgestellt.
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In 7b ist die Schaltung in einem Betriebszustand dargestellt, in welchem der High-Side-Schalter 3 der Halbbrücke 2 gesperrt und der Low-Side-Schalter 4 der gleichen Halbbrücke 2 durchgesteuert ist.
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In diesen Betriebszustand wird das Potenzial am Abgriff 5 Phase A über den Low-Side-Schalter 4 auf nahezu HV- gezogen. Somit erfolgt eine Ladung des zweiten Bootstrap-Kondensators 20 in der bereits zu den 6a und 6b beschriebenen Weise, während der geladene Bootstrap-Kondensator 18 die negative Bias-Spannung NEG BIAS A von -5 V bereitstellt.
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Diese Vorgänge des Durchsteuerns und Sperrens der Leistungshalbleiter 3 und 4 der Halbbrücke 2 wiederholen sich fortwährend, wobei auch die Bootstrap-Kondensatoren 18 und 20 wiederholt geladen werden. Damit wird eine kontinuierliche Bereitstellung der positiven und/oder der negativen Bias-Spannungen in den Halbbrücken erreicht.
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Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 in einem elektrischen Kältemittelverdichter eines Fahrzeugs.
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Mit der Erfindung erzielbare Vorteile liegen in einer einfachen Realisierung einer Erzeugung mehrerer negativer Bias-Spannungen für mehrere High-Side-Schalter 3 eines Wechselrichters 1, womit das zum sicheren Betrieb des Wechselrichters 1 übliche Miller-Clamping vorteilhaft realisiert werden. Bekannt ist, beim Miller-Clamping die Steuerelektrode eines Leistungshalbleiters mit dem Massepotenzial zu verbinden oder mit einer negativen Spannung anzusteuern, um ein ungewolltes Durchsteuern des Leistungshalbleiters zu verhindern. Die Ursachen eines derart ungewollten Durchsteuerns liegen zum einen in den in einem realen Bauelement vorhandenen parasitären Kapazitäten (Miller-Kapazitäten) und zum anderen in einem hohen Wert für das Verhältnis dV/dt der zu schaltenden Spannung zwischen HV+ und HV-.
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Außerdem wird mit der Erfindung eine Reduzierung der Komplexität des Wechselrichters 1 (Sperrwandler) erreicht und der benötigte Bauraum auf einer Platine verringert, da ein kleinerer Sperrwandlertransformator 10 zum Einsatz kommen kann.
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Die Verkleinerung des Sperrwandlertransformators 10 führt auch zu einem robusteren Design, insbesondere bei auftretenden Vibrationen in Fahrzeugen, sowie zu einer Reduzierung der Kosten bei der Herstellung durch das Einsparen von Sekundärwicklungen, Isolationslagen und Anschlüssen im und am Sperrwandlertransformator 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichter
- 2
- Halbbrücke
- 3
- erster Leistungshalbleiter (High-Side-Schalter)
- 4
- zweiter Leistungshalbleiter (Low-Side-Schalter)
- 5
- Abgriff Phase A
- 6
- Abgriff Phase B
- 7
- Abgriff Phase C
- 8
- Last / Motor
- 9
- Steuerelektrode
- 10
- Sperrwandlertransformator
- 11
- Primärwicklung
- 12
- erste Sekundärwicklung
- 13
- zweite Sekundärwicklung
- 14
- dritte Sekundärwicklung
- 15
- Halbleiterschalter
- 16
- Gleichrichterdiode
- 17, 17a
- Ladekondensator
- 18
- Bootstrap-Kondensator
- 19
- Bootstrap-Diode
- 20
- zweiter Bootstrap-Kondensator
- 21
- zweite Bootstrap-Diode
- 22
- erster Anschluss (negative Basisspannung)
- 23
- zweiter Anschluss (NEG BIAS A)
- 24
- dritter Anschluss (positive Basisspannung)
- 25
- vierter Anschluss (POS BIAS A)