用于电机的逆变器、用于机动车的电驱动装置以及用于运行逆变器的方法与流程

本发明涉及一种用于电机的逆变器，逆变器连接到具有第一电极和第二电极的中间电路并且具有多个相系统，相系统分别具有高端开关机构和低端开关机构，其中高端开关机构在一端连接到第一电极而在另一端连接到低端开关机构，低端开关机构在一端连接到所述高端开关机构而在另一端连接到第二电极，其中高端开关机构和低端开关机构分别具有包括开关输入端、功率输入端和功率输出端的断路器，功率输入端和功率输出端在断路器闭合的情况下相互电气连接而在断路器打开的情况下电气分离。本发明还涉及一种用于机动车的电驱动装置以及用于运行用于电机的逆变器的方法。

背景技术：

电机例如用于驱控机动车，就这点而言也就是用于提供针对机动车驱控的扭矩。因为机动车的车载电网通常仅仅提供直流电，然而电机优选作为交流电机或三相电机存在，所以设有逆变器。逆变器用于将直流电流转变为交流电或三相电。逆变器例如以脉宽调制逆变器或H桥式变换器的形式存在。

逆变器具有中间电路或至少连接到该中间电路。中间电路具有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极具有相互不同的电位。例如第一电极作为正极存在，而第二电极作为负极存在。逆变器还具有多个相系统，亦即至少两个相系统(在将直流电转换为交流电的情况下)或者至少三个相系统(对于转变为三相电)。相系统中的每个分别具有高端开关机构和低端开关机构，它们相互串联连接并且在一端连接到第一电极而在另一端连接到第二电极。

换言之，高端开关机构在一侧连接到第一电极而在另一侧连接到低端开关机构，而低端开关机构在一侧连接到高端开关机构而在另一侧连接到第二电极。开关机构中的每个，亦即不仅高端开关机构而且低端开关机构分别具有断路器/功率开关，断路器包括开关输入端、功率输入端以及功率输出端。如果在开关输入端上施加电压或者电流由开关输入端流至功率输出端，那么断路器闭合，从而功率输入端与功率输出端电气连接。相比之下，如果开关输入端无电压或无电流，那么断路器打开并且相应地功率输入端和功率输出端相互电气分离。

断路器例如作为晶体管特别是作为双极晶体管或作为场效应晶体管存在。场效应晶体管可以在此设计为绝缘栅门极晶体管(IGBT)，场效应晶体管可以设计为势垒-场效应晶体管或金属绝缘半导体场效应晶体管(MISFET)或具有通过绝缘栅分离的栅极的场效应晶体管(IGFET)。自然地，断路器然而也可以具有对此备选的设计方案。

上述实施方案具体来说，高端开关机构的断路器的功率输入端永久与第一电极连接，而其功率输出端永久与低端开关机构的断路器的功率输入端连接。低端开关机构的断路器的功率输出端又永久与第二电极连接。在高端开机构与低端开关机构之间现在可以设有电机用相连接端，特别是电机的电气连接端连接在高端开关机构与低端开关机构之间。

技术实现要素：

现在，本发明的任务在于，提出一种用于电机的逆变器，该逆变器相比于已知逆变器具有如下优点，即特别是即便在故障情况下也可以可靠地运行。

这利用具有权利要求1特征的逆变器实现。在此规定，高端开关机构和/或低端开关机构的断路器的开关输入端不仅连接到控制电路而且连接到中间电路电压限制电路，中间电路电压限制电路在中间电路中的中间电路电压超过电压临界值时闭合断路器。控制电路例如是逆变器的控制装置并且用于相应地驱控高端开关机构和低端开关机构以便由中间电路的直流电提供交流电或三相电。

相比之下，中间电路电压限制电路规定用于借助于逆变器限制中间电路电压。优选地，所有高端开关机构或所有低端开关机构的断路器的每个开关输入端分别在一端连接到控制电路而在另一端连接到中间电路电压限制电路。就这点而言，给高端开关机构或低端开关机构的每个断路器优选分别配置这样的中间电压限制电路。

如果电机作为发电机运行并且相应地驱控逆变器，那么逆变器用于由电机产生的交流电或三相电的整流。然而如果这在中间电路中不需要，例如因为蓄能器由中间电路解耦，特别是由于蓄能器的故障，或者因为机动车的连接到中间电路的车载电网仅仅需要更少量电流，那么可以导致在中间电路中显著的电压上升。

为了防止逆变器和/或车载电网或其单个构件的损坏，设有中间电路电压限制电路。一旦中间电路电压限制电路确定在中间电路中存在的中间电路电压超过电压临界值，那么该中间电路电压限制电路闭合为其配置的断路器，从而该断路器是电气导通的并且相应地电气连接功率输入端与功率输出端。如果中间电路电压限制电路配置给高端开关机构，那么可以在中间电路电压限制电路响应并且同时低端开关机构断路器闭合时直接连接第一电极与第二电极，使得在中间电路中存在的电能通过两个电极的短路而消除并且转化为热。

相反地自然可以将中间电路电压限制电路配置给低端开关机构。在该情况下，所述方法可以在同时闭合高端开关机构断路器的情况下实施。因此优选地规定，连续驱控逆变器以便运行电机，亦即特别是作为电动机或作为发电机运行。相应地，周期性地闭合又打开高端开关机构或低端开关机构的这样的没有配置中间电路电压限制电路的断路器。因此可以通过其至少周期地消除电能。

优选地，给每个断路器配置单独的中间电路电压限制电路。然而也可以规定，将中间电路电压限制电路配置给多个断路器，特别是高端开关机构或低端开关机构的所有断路器。优选地，中间电路电压限制电路与控制电路或控制装置分离地存在。特别是中间电路电压限制电路集成到高端开关机构和低端开关机构中。

然而也可以规定，中间电路电压限制电路配置给控制电路。如果该中间电路电压限制电路确定中间电路电压超过电压临界值，那么可以规定，控制电路闭合相系统中的至少之一、优选相系统中的多个或所有相系统的不仅高端开关机构而且低端开关机构的断路器并且相应地短接第一电极与第二电极。相应地，逆变器用于通过相系统有效消除在中间电路中存在的过电压。

电机优选作为异步电机存在。在同步电机特别是永久激励的同步电机的情况下可以规定，借助于开关机构短路电机，这也称为主动短路，而这在异步电机中是不允许的。这基于如下，通过异步电机的短路产生高短路电流，该短路电流可以破坏逆变器和/或电机。这利用逆变器的上述设计方案来阻止。附加地可以规定，逆变器在其中间电路中具有所谓的制动斩波器(Bremschopper)。而且通过制动斩波器可以实现第一电极与第二电极的受控的短路。然而为此附加的构件是必要的，这对于按照该说明书的逆变器不总是这种情况。

在本发明的一个有利改进的范围中规定，中间电路电压限制电路具有Z二极管和二极管，其中Z二极管的阴极连接到功率输入端而Z二极管的阳极经由二极管连接到相应断路器的开关输入端。Z二极管也可以称为齐纳二极管。Z二极管以及二极管相互串联连接，其中它们在一端连接到功率输入端而在另一端连接到相应断路器的开关输入端。准确地说，Z二极管的阴极连接到功率输入端，而其阳极与二极管的阳极连接。二极管的阴极又连接到断路器的开关输入端。附加地，控制电路可以连接到开关输入端或二极管的阴极。

Z二极管和二极管共同形成所谓的“有源钳位”电路。Z二极管具有确定的齐纳电压或击穿电压。如果中间电路电压达到或超过该齐纳电压或击穿电压，那么该Z二极管变得导通。相应地给相应断路器的开关输入端施加电压或电流，从而该断路器闭合。

在本发明的另一设计方案的范围中规定，齐纳二极管的齐纳电压相当于电压临界值。自然特别有利的是，齐纳二极管阻止中间电路电压超过电压临界值。出于这个原因如此选择Z二极管，使得其齐纳电压等于电压临界值。备选地，齐纳电压可以略微大于电压临界值，特别是大至少5％、至少10％、至少15％或至少20％。

本发明的另一优选设计方案规定，给断路器并联连接电容。电容亦即例如电容器就这点而言在一端连接到功率输入端而在另一端连接到断路器的功率输出端。电容用作滤波器特别是低通滤波器。在逆变器的正常运行期间可以在断路器上出现短期过电压，也称为换向过电压。该短期过电压然而仅仅在最高10纳秒至最高100纳秒的时间间隔上出现。为了阻止中间电路电压限制电路已经由于该(允许的)过电压闭合断路器，规定电容器用于过滤在断路器出现的所述电压。

本发明的一个改进规定，断路器具有功率晶体管和与功率晶体管并联连接的二极管。断路器就这点而言由多个元件组成，亦即功率晶体管和二极管。该二极管然而不相应于前面提及的二极管，前面提及的二极管是中间电路电压限制电路的组成部分。该二极管作为所谓的空载二极管存在。

本发明的另一优选设计方案规定，中间电路具有至少一个中间电路电容器，第一电极经由中间电路电容器与第二电极电气连接。特别是在电极之间的电气连接通过中间电路电容器永久地存在。中间电路电容器例如将相系统与其高端开关机构和低端开关机构并联连接。中间电路电容器用于中间电路中的电压平滑化。也可以规定，设有多个中间电路电容器，它们相互串联连接并且在第一电极与第二电极之间存在并且连接到它们。例如第一电极经由第一中间电路电容器连接到第二中间电路电容器，第二中间电路电容器在另一端连接到第二电极。中间电路电容器的分别与电极背向的端可以接地。

本发明的一个特别优选的设计方案规定，断路器由于超过电压临界值的闭合限于确定的时间间隔。通过断路器的闭合或高端开关机构和低端开关机构的断路器的同时闭合，大电流流经断路器，例如在1000A或1500A数量级。为了避免断路器的损坏，应通过断路器仅仅在确定时间间隔上进行两个电极的短路。这优选如此选择，使得在高电流强度下也不会出现断路器的损坏。

最后可以在本发明的一个优选设计方案中规定，断路器的闭合时间借助于控制电路监控和/或限制。之前已经表明，控制电路和中间电路电压限制电路两者分别连接到断路器。相应地可以规定，控制电路感知到：中间电路电压限制电路是否闭合断路器。如果确定这一点，那么例如可以启动计时器。

如果现在例如借助于计时器确定：自从通过中间电路电压限制电路闭合断路器经过前述确定的时间间隔，那么可以规定，控制电路结束闭合或者又打开断路器。这可以例如如下发生，其方法是断路器的开关输入端接地，优选经由足够大小的电阻。自然也可以规定，控制电路为了限制断路器的闭合时间电气中断在中间电路电压限制电路与断路器或其开关输入端之间的电气连接。

此外本发明还涉及一种用于机动车的电驱动装置，包括电机和用于驱控电机的逆变器。在此，逆变器应按照上述实施方案设计。在此已经指出驱动机构或逆变器的这样的设计方案的优点。不仅逆变器而且电驱动装置可以按照上述实施方案改进，从而就这点而言参照这些实施方案。

本发明最后涉及一种用于运行用于电机的逆变器、特别是根据上述实施方案的逆变器的方法，其中，逆变器连接到具有第一电极和第二电极的中间电路并且具有多个相系统，相系统分别具有高端开关机构和低端开关机构，其中，高端开关机构在一端连接到第一电极而在另一端连接到低端开关机构，低端开关机构在一端连接到高端开关机构而在另一端连接到第二电极，其中，高端开关机构和低端开关机构分别具有包括开关输入端、功率输入端和功率输出端的断路器，其中，功率输入端和功率输出端在断路器闭合的情况下相互电气连接而在断路器打开的情况下电气分离。在此又规定，高端开关机构和/或低端开关机构的断路器的开关输入端不仅连接到控制电路而且连接到中间电路电压限制电路，中间电路电压限制电路在中间电路中的中间电路电压超过电压临界值时闭合断路器。

而且关于该方法和/或基于该方法的逆变器可以考虑上述实施方案用于有利的改进。相应地重新参照这些上述实施方案。

附图说明

本发明以下根据在附图中示出的实施例进一步阐明，而不会实现对本发明的限制。在此唯一的视图示出：

图1是电路装置的示意图，该电路装置具有电机以及用于驱控电机的逆变器。

具体实施方式

附图示出电路装置1的示意图。该电路装置具有电机2以及逆变器3，逆变器用于运行电机2。电机2经由逆变器3与中间电路4连接，例如在该中间电路上也连接有机动车(在此未示出)的蓄能器和/或车载电网。在中间电路4中可以设有至少一个中间电路电容器5(在此两个中间电路电容器5)。中间电路4可以至少部分形成逆变器3的组成部分。中间电路4具有第一电极6和第二电极7。两个电极6和7具有不同电位。例如第一电极6构成为正极，而第二电极7构成为负极。

中间电路4以直流电运行，直流电例如由蓄能器提取。电机2然而是交流电机或三相电机。相应地电机具有相连接端8、9和10。例如电机作为异步电机存在。逆变器3用于将中间电路4的直流电转换为交流电或三相电并且经由相连接端8、9和10提供给电机2。相反地自然可以借助于逆变器3也在电机2的发电机式运行中将出现的交流电或三相电转换为直流电并且输送给中间电路4。

逆变器3具有多个相系统，其中在此示出的实施例中为三个相系统11、12和13。相系统11具有包括断路器15的高端开关机构14以及包括断路器17的低端开关机构16。相系统12具有包括断路器19的高端开关机构18以及包括断路器21的低端开关机构20。相系统13最后具有包括断路器23的高端开关机构22以及包括断路器25的低端开关机构24。断路器15、17、19、21、23和25中的每个由功率晶体管26以及二极管27组成，该二极管优选作为空载二极管存在。再者，断路器15、17、19、21、23和25中的每个具有开关输入端28、功率输入端29以及功率输出端30。

开关输入端28中的每个与控制电路31电气连接。借助于控制电路31驱控断路器15、17、19、21、23和25或相应的功率晶体管26，以便要么将中间电路4的直流电转换为用于电机2的交流电或三相电，要么相反地将电机2的交流电或三相电转换为用于中间电路4的直流电。

附加地现在规定，给高端开关机构14、16和18的断路器15、17和19分别配置中间电路电压限制电路32。该中间电路电压限制电路具有Z二极管33以及二极管34，它们相互串联连接。特别是Z二极管33的阴极与相应断路器15、17或19的相应功率输入端29连接，而Z二极管33的阳极经由二极管34与相应开关输入端28连接。此外，给断路器15、17和19中的每个并联连接电容35。电容35用作滤波器，特别是低通滤波器。

除了电路装置1的在此示出的元件之外，该电路装置具有多个未进一步表示的电感。然而这些电感可以不必须存在。在这里示出的情况下，电感仅仅用于描述寄生电感。备选于在此示出的视图，可以配置中间电路电压限制电路32给低端开关机构16、20和14而不是高端开关机构18、18和22。

中间电路电压限制电路32用于限制在中间电路4中存在的中间电路电压。假如电机2发电机式运行并且在中间电路4中没有足够大小的电气负载，例如以机动车车载电网和/或蓄能器的形式可用，那么该中间电路电压可以例如大幅上升。尽管如此也应在该情况下首先正常地进一步运行逆变器3，亦即借助于控制电路31驱控相系统11、12和13用于逆变或整流。此外，选择Z二极管33的齐纳电压等于用于中间电路电压的电压临界值。

现在，如果中间电路电压超过该电压临界值，那么Z二极管33导通，只要同时相应相系统11、12或13的低端开关机构16、20或24导通或者相应的断路器17、21或25闭合。在Z二极管33导通的情况下，给相应断路器15、19或23的开关输入端28施加电压或电流，从而断路器闭合。

相应地在该情况下存在中间电路4的电极6和7经由相应相系统11、12或13的短路，从而在中间电路4中存在的过电压通过相系统11、12或13消除。因为过电压的消除非常快速地发生并且在中间电路电压重新低于电压临界值之后之前导通的Z二极管33重新关断，所以不会出现逆变器3的损坏。