Stand der Technik In der Umrichtertechnik ist es bereits bekannt, Zwischenkreisumrichter mit einem Spannungszwischenkreis zu. verwenden. Dabei kann der Spannungszwischenkreis auch durch ein Gleichspannungsnetz, welches beispielsweise die Bordnetzbatterie eines Kraftfahrzeugs enthält, gebildet werden. Der Spannungszwischenkreis weist ferner einen Zwischenkreiskondensator auf, unter dessen Verwendung Pulsströme generiert beziehungsweise die Wechselanteile des Stromes übernommen werden. Derartige Pulsströme treten bei allen getakteten Umrichterbrücken auf. Eine Umrichterbrücke besteht bei zweistufigen Stromrichtern aus ein oder mehreren Halbbrücken, die den Ausgang abwechselnd entweder mit dem positiven oder dem negativen Zwischenkreispotential verbinden. Zu diesem Zweck weist eine Halbbrücke einen oder mehrere High-Side-Schalter für die Verbindung zum positiven Zwischenkreispotential und einen oder mehrere Low-Side- Schalter für die Verbindung zum negativen

Zwischenkreispotential auf. Ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter bilden zusammen eine Halbbrücke.

Um einen kompakten Aufbau zu erhalten, ist es bereits bekannt, die beiden Schalter einer Halbbrücke in einem Gehäuse, in einem sogenannten Modul, zusammenzufassen. Es ist auch bereits bekannt, alle drei Halbbrücken eines Dreiphasenumrichters in einem Modul zusammenzufassen.

Bei derartigen Umrichtern werden die Verbindungsleitungen zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Umrichterbrücke durch die auftretenden schnellen Stromänderungen belastet. Ist der High-Side-Schalter einer Halbbrücke eingeschaltet und der Low-Side-Schalter ausgeschaltet, dann liegt der Ausgang einer Halbbrücke auf dem positiven Zwischenkreispotential und der Ausgangsstrom wird aus dem Zwischenkreis entnommen. Schaltet die Halbbrücke um, dann liegt der Ausgang auf dem negativen Zwischenkreispotential und der Strom im Zwischenkreis, der vom Zwischenkreiskondensator zur Umrichterbrücke fließt, muß auf den Wert Null abfallen. Die dadurch entstehende große Änderung des Stromes dI/dt führt zu einer Überspannung auf der Verbindungsleitung zwischen dem Zwischenkreiskondensator und den Halbleiterschaltern der Halbbrücke. Diese Überspannung kann beträchtliche Werte annehmen, auf die die Halbleiterschalter zu dimensionieren sind.

Um die Halbbleiterschalter bezüglich ihrer Spannungsfestigkeit nicht zu überlasten, ist es bereits bekannt, die Schaltvorgänge zu verlangsamen und dadurch die auftretenden Stromänderungen dI/dt zu reduzieren. Ein

derartiges Vorgehen führt jedoch zu erheblichen Verlusten in den Halbleiterschaltern.

Weiterhin ist man bestrebt, die Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Umrichterbrücke möglichst klein zu halten. Zu diesem Zweck ist es bekannt, sogenannte Busbaraufbauten zu verwenden, aufgrund derer die Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltern und dem Zwischenkreiskondensator niederinduktiv ausgeführt sind. Ferner ist es zu diesem Zweck bereits bekannt, den Zwischenkreiskondensator räumlich im Bereich der Umrichterbrücke zu positionieren. Dies ist jedoch nur bis zu einem gewissen Grad möglich, da der Zwischenkreiskondensator selbst große Abmessungen aufweist.

Aus der DE 197 09 298 C2 sind Startersysteme für einen Verbrennungsmotor bekannt, die einen Gleichspannungs- Zwischenkreis-Wechselrichter aufweisen. Diesem gehört ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umrichter, ein Kurzeit- Energiespeicher und ein bordnetzseitiger Gleichspannungswandler an. Die Steuerung der genannten Komponenten erfolgt durch eine Steuereinrichtung. Diese gibt dem Umrichter die Amplitude, die Phase und die Frequenz des an den Starter des Fahrzeugs zu liefernden Dreiphasenstroms vor. Dem Gleichspannungswandler gibt die Steuereinrichtung den Strombetrag, die Stromrichtung und den Betrag der Spannungsherauf-beziehungsweise- herabsetzung vor. Weiterhin gibt die Steuereinrichtung einem Verbrauchersteuergerät vor, welchen Strombetrag dieses vom Kurzzeit-Energiespeicher entnehmen kann und gegebenenfalls welche Spannungsdifferenz dabei zu überwinden ist. Während des Startvorganges benötigt der Startermotor Energie aus dem Kurzzeit-Energiespeicher. Nach

dem Startvorgang arbeitet er als Generator und liefert Energie über den Umrichter an den Zwischenkreis. Der bordnetzseitige Gleichspannungswandler ist als bidirektionaler Wandler ausgebildet, um einerseits für den Startvorgang beziehungsweise für dessen Vorbereitung elektrische Energie aus der Bordnetzbatterie in den Zwischenkreis bringen zu können und um andererseits beim Generatorbetrieb des Startermotors Energie aus dem Zwischenkreis auf die Niederspannungsseite zu überführen, um dort Verbraucher des Bordnetzes zu speisen und die Bordnetzbatterie zu laden.

Vorteile der Erfindung Ein Umrichter gemäß der Erfindung weist demgegenüber den Vorteil auf, dass wegen der Aufteilung des Ladungsspeichers des Zwischenkreises auf mehrere Zwischenkreiskondensatoren und die Integration eines, mehrerer oder aller dieser Zwischenkreiskondensatoren in das Halbbrücken- beziehungsweise Brückenmodul parasitäre Leitungsinduktivitäten klein gehalten werden können.

Werden einer oder mehrere der Zwischenkreiskondensatoren in das Modul integriert und zusätzlich ein weiterer, externer Zwischenkreiskondensator verwendet, dann kann dessen Kapazität kleiner dimensioniert sein als beim Stand der Technik.

Werden alle Zwischenkreiskondensatoren in das Modul integriert, dann kann ein weiterer, externer Zwischenkreiskondensator entfallen.

Weiterhin können durch die Erfindung die an den Halbleiterschaltern während des Schaltvorganges auftretenden Überspannungen klein gehalten werden. Ferner werden in den Halbleiterschaltern hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten ermöglicht, da die Induktivität zwischen den Schaltelementen und der Zwischenkreiskapazität wegen der räumlichen Nähe minimiert ist. Die bei bekannten Wechselrichtern verwendete Busbar zwischen dem Zwischenkreiskondensator und den Halbleiterschaltern kann verkleinert werden oder ganz entfallen.

Vorzugsweise werden je Halbbrücke zwei oder mehrere Kondensatoren, die sich parallel zur kompletten Halbbrücke erstrecken, in das Modul integriert. Dadurch wird die Störabstrahlung der Umrichterbrücke reduziert.

Zeichnung Die Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die Figur 1 eine Darstellung einer Halbbrücke gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung, Figur 2 eine vereinfachte Moduldarstellung der Halbbrücke gemäß Figur 1, Figur 3 ein Ersatzschaltbild des Halbbrückenmoduls, Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter, Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Umrichter und Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter, wobei in den Figuren lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind.

Beschreibung Die Figur 1 zeigt eine Darstellung einer Halbbrücke gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Halbbrücke ist in Form eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls M realisiert. In dieses Modul M sind neben einem High-Side- Schalter Tl, einem Low-Side-Schalter T2 und Inversdioden Dl und D2 auch Kondensatoren CHS, CLS, CZK1 und CZK2 integriert.

Die Kondensatoren CHS und CLS sind jeweils parallel zu einer Inversdiode und einem Schalter angeordnet. Sie dienen dazu, die negativen Auswirkungen des Stromabrißverhaltens der Inversdioden während der Schaltvorgänge zu mildern. Ein Stromabriß bedeutet dabei eine sehr schnelle Stromänderung, die zu entsprechenden Überspannungen durch die parasitären Induktivitäten führt. Die beiden anderen Kondensatoren Czxi und CZK2, die jeweils parallel zu der gesamten Halbbrücke angeordnet sind und damit direkt an der Zwischenkreisspannung liegen, dienen als Blockkondensatoren für den Zwischenkreis. Gleichzeitig sind sie zur Ausfilterung von hochfrequenten Stromanteilen vorgesehen, was zu einer Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) führt. Weiterhin übernehmen diese beiden Kondensatoren Czxi und CZK2 auch ganz oder teilweise die Aufgabe eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators.

Vorzugsweise werden als Blockkondensatoren zwei oder mehrere Kondensatoren verschiedener Kapazität parallel geschaltet. Da Kondensatoren verschiedener Kapazität unterschiedliche Frequenzgänge aufweisen, wird dadurch eine breitbandige Filterung der hochfrequenten Stromanteile möglich.

Folglich wird durch die in der Figur 1 gezeigten Kondensatoren CHS und CLS eine Milderung der Überspannungen aufgrund des Rückstromabrisses der Invers-beziehungsweise Rückwärtsdioden und durch die Kondensatoren CZK1 und eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit erreicht, wobei die letztgenannten Kondensatoren auch ganz oder teilweise die Aufgabe eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators übernehmen.

Die Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematische Moduldarstellung der Halbbrücke gemäß Figur 1. Die Zwischenkreiskondensatoren Czar, und CZK2 werden dabei durch den Kondensator CZK beschrieben. In Reihe zu diesem Kondensator ist ein Ohmscher Widerstand RD gezeigt, welcher den Innenwiderstand beziehungsweise Dämpfungswiderstand des Kondensators repräsentiert. Die Induktivität LZK der Anschlussverbindung bildet zusammen mit dem Kondensator CZK einen Schwingkreis.

Für die Größe des im Modul M erforderlichen Kondensators CZK ist die Induktivität der Verbindungsleitung zum Zwischenkreis und die zulässige Überspannung an den Halbleiterschaltern Tl und T2 von Bedeutung.

Die Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Halbbrückenmoduls. Aus diesem ist ersichtlich, dass es sich beim Halbbrückenmodul um einen gedämpften Reihenschwingkreis handelt.

Die Spannung Uventil an den Halbleiterschaltern setzt sich zusammen aus der Kondensatorspannung Ucplus dem Spannungsabfall UR am Dämpfungswiderstand RD. Um die Halbleiterschalter nicht zu zerstören, ist die Spannung kann der Laststrom als konstant angenommen werden. Die Startwerte der Energiespeicher sind demnach :

Uc (0) = UZK IL (0)-ILast- Zur Berechnung des minimalen Kapazitätswertes CzK/min für den Kondensator CZK, bei welchem sichergestellt ist, daß die maximal erlaubte Spannung an den Halbleiterschaltern nicht überschritten wird, wird davon ausgegangen, dass eine unendliche hohe Schaltgeschwindigkeit vorliegt, d. h. daß der angeschlossene Schalter den Laststrom in unendlich kur- zer Zeit abschaltet. Bei realen Verhältnissen ist diese Schaltzeit jedoch endlich. Der Stromanstieg im Kondensator ist durch diese Schaltzeit gegeben.

Die Spannung an den Halbleiterschaltern steigt von UZK vor dem Schaltvorgang auf UZK + R * ILast nach dem Schaltvorgang.

Der Stromabffall nach dem Schaltvorgang beträgt: <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> dIL UR R<BR> <BR> #t=0 = - = - ILast dt L L Der Spannungsanstieg nach dem Schaltvorgang beträgt : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> dUC ILast<BR> <BR> #t=0 dt C Im Bereich der resonanten Schwingungen bis zum aperiodi- schen Grenzfall (0 < D < 1) berechnet sich der minimale Ka- pazitätswert CzK, min Wie folgt :

Im Bereich der resonanten Schwingungen bis zum aperiodischen Grenzfall (0 < D < l) berechnet sich der minimale Kapazitätswert CzK, min wie folgt : . 12 L LZK ILastmax , ZK, min =- RD (UYeratil, max-UZK, max) 2

Die Überspannung in diesem Bereich wird nur durch den Kondensator CZK bestimmt und nicht durch den Dämpfungswiderstand RD. Gering gedämpfte Kondensatoren führen zu Schwingungen zwischen den Induktivitäten und den Kondensatoren. Bei kleiner Dämpfung können sich die resonanten Schwingungen zweier Schaltvorgänge überlagern, wodurch sich größere Überspannungen ergeben. Bei großen Dämpfungswiderständen (D > 1 ; entspricht dem nichtresonanten Fall) ist die Überspannung abhängig von den Ohmschen Spannungsabfällen. Als günstiger Dämpfungsfaktor

kann ein Zahlenwert von 0,5 betrachtet werden.

Die Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter. Bei diesem sind mehrere Halbbrücken vorgesehen, die jeweils als ein Modul realisiert sind. Die Verbindung zwischen den Modulen untereinander und einem zusätzlichen,

externen Zwischenkreiskondensator erfolgt über eine niederinduktive Busbar B. Die Kapazität des zusätzlichen, externen Zwischenkreiskondensators CzK, extem ist im Vergleich zum Stand der Technik um die Summe der Kapazitäten der in den Modulen integrierten Kondensatoren reduziert.

Die Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Umrichter. Auch bei diesem sind mehrere Halbbrücken vorgesehen, die jeweils als ein Modul realisiert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass die Summe der Kapazitätswerte der in den Halbrückenmodulen integrierten Kondensatoren CZK beziehungsweise CZK1 und ausreichend für den Zwischenkreis ist, so dass auf einen zusätzlichen, externen Zwischenkreiskondensator verzichtet werden kann. Dies kann insbesondere bei einem zeitlichen Versatz der Schaltzeitpunkte der Fall sein. Eine niederinduktive Verbindung über eine Busbar B ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur zwischen den Halbbrückenmodulen vorgesehen. Der Anschluß des Umrichters an den Zwischenkreis kann über eine herkömmliche Verbindungsleitung oder über eine Stromschiene erfolgen.

Die Leitungsinduktivität kann zusätzlich als Filterinduktivität genutzt oder mitgenutzt werden.

Bei dem in der Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur noch eine niederinduktive Busbar B zwischen den Halbbrückenmodulen notwendig. Die Induktivität zwischen den Halbbrückenmodulen sollte möglichst klein sein, da die an den Modulen beziehungsweise Halbleiterschaltern auftretenden Überspannungen direkt proportional zu dieser Induktivität sind.

Die Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Umrichter. Bei diesem sind alle Teilbrücken Bestandteil eines einzigen Moduls. Bei dieser Lösung entfällt die Notwendigkeit einer Busbar, da die Halbbrücken untereinander sehr niederinduktiv zusammengeschaltet sind.

Der Anschluß des Moduls an den Zwischenkreis kann durch eine Stromschiene erfolgen. Die Induktivität dieser Stromschiene kann gleichzeitig als Induktivität eines Ausgangsfilters genutzt werden. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß hochfrquente Störungen auf das Modul beschränkt bleiben, was Vorteile in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit bringt.

Nach alledem erfolgt bei der Erfindung eine Aufteilung eines herkömmlichen Zwischenkreiskondensators auf mehrere Zwischenkreiskondensatoren kleinerer Kapazität, von denen einige oder alle integrierter Bestandteil eines Halbbrücken-oder Brückenmoduls sind. Dies führt zu einer Reduzierung von auftretenden Überspannungen, einer Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, hohen Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern und einer Verkleinerung oder einem Entfallen einer beim Stand der Technik vorgesehenen Busbar.