Es ist bekannt, bei permanenterregten Synchronmaschinen (insbesondere bei deren Verwendung für Traktionsanwendungen) bei Drehzahlen oberhalb einer Eckdrehzahl einen sogenannten Feldschwächbetrieb zu realisieren. Dazu wird mit speziellen Steuerungsverfahren eine Phasenverschiebung realisiert. Wegen der überlegenen Wirkungsgrade und Leistungsdichten werden derartige Antriebe insbesondere bei neueren Entwicklungen im Bereich der Elektro-und Hybridfahrzeuge eingesetzt. Bei diesen Antrieben gibt es jedoch gewisse Schwierigkeiten bei einem Betrieb oberhalb der Eckdrehzahl. Fällt der Frequenzumrichter, dessen Steuerung oder der Rotorlagegeber aus oder muß der Frequenzumrichter abschalten, weil ein Maschinenfehler wie beispielsweise eine Unterbrechung oder ein Kurzschluß einer Phase detektiert wird oder wird versehentlich der ganze Antrieb abgeschaltet, so generiert die permanenterregte Synchronmaschine eine Wechselspannung, deren Scheitelwert über der Zwischenkreisspannung liegt. Über die für die Funktion der Leistungselektronik unerläßlichen Freilaufdioden speist die permanenterregte Synchronmaschine dann unvermeidlich in den Zwischenkreis ein. Soweit dieser über einen Speicher hinreichender Aufnahmefähigkeit verfügt, wie beispielsweise über eine Batterie, so entsteht ein hohes Bremsmoment, das beispielsweise bei einer Anwendung in einem Fahrzeug je nach Maschinendimensionierung, Antriebskonzept, Fahrbahnzustand und Fahrsituation komfortmindernd bis gefährlich ist. Beispielsweise kann nicht ausgeschlossen werden, daß das Fahrzeug von der Fahrbahn abkommen kann. Wenn die Aufnahmefähigkeit des Speichers nicht ausreicht, kann dieser beschädigt oder zerstört werden.

Wird hingegen der Speicher vom Zwischenkreis getrennt (beispielsweise durch Öffnen des Batterieschützes), um das erwähnte Bremsmoment zu vermeiden und/oder den Speicher zu schützen, so steigt die Zwischenkreisspannung bis auf die Höhe des Scheitelwertes der von der permanenterregten Synchronmaschine generierten Wechselspannung an. Dasselbe passiert, wenn der Speicher bereits beschädigt oder zerstört ist. Diese Spannung kann abhängig von Auslegung und Maschinendrehzahl ein Mehrfaches der maximal zulässigen Zwischenkreisspannung sein. Dabei können die Leistungselektroniken und andere an den Zwischenkreis angeschlossene Komponenten zerstört werden.

Es ist einerseits bekannt, dieses Problem zu umgehen, indem alle an den Zwischenkreis angeschlossenen Komponenten in ihrer Spannungsfestigkeit so dimensioniert (d. h. überdimensioniert) werden, daß die maximal entstehenden Zwischenkreisspannungen noch nicht zu Schäden führen können. Gegebenenfalls kann auch bei gegebenen Komponenten die Zwischenkreisspannung, die in der Regel der Batteriespannung entspricht, entsprechend niedrig gewählt werden. Dieses installierte Potential zur Leistungsaufnahme (maximale Spannung * maximale Strom) ist unter Umständen mehrfach höher wie die nutzbare Leistung. Dies führt zu Preisnachteilen, Packagingproblemen sowie deutlichen Wirkungsgradverlusten.

Bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung sowie einem Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine ist es bereits aus der Patentschrift DE 196 48 948 Cl bekannt, einen Pulswechselrichter in Vollbrückenschaltung aufzubauen, wobei sich in jedem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung ein steuerbarer Schalter sowie eine Freilaufdiode befindet. Bei den Brückenzweigen, die mit dem negativen Potential der Gleichspannungsquelle verbunden sind, sind den steuerbaren Schaltern jeweils eine Reihenschaltung aus einem Bremswiderstand sowie einem elektrisch ansteuerbaren Element parallel geschaltet. Das elektrisch ansteuerbare Element ist dabei ein Thyristor. Durch eine Ansteuerung wenigstens eines der elektrisch ansteuerbaren Elemente ist wenigstens eine der Freilaufdioden kurzschließbar. Eine Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Elemente erfolgt dann, wenn eine Überspannung detektiert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, bei der eine hinreichende Sicherheit gegen Überspannungen mit möglichst geringem Bauteileaufwand erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies gelöst, indem das wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Element der bzw. die steuerbaren Schalter des entsprechenden Brückenzweiges bzw. der entsprechenden Brückenzweige ist bzw. sind.

Dadurch können vorteilhaft gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung Bauteile eingespart werden.

Im Falle, daß mehrere ansteuerbare Elemente vorhanden sind, liegen diese vorteilhaft in den Brückenzweigen, die zu demselben Potential der Gleichspannungsquelle führen.

Dadurch kann vorteilhaft ein Kurzschluß im Zwischenkreis vermieden werden, wodurch eine dort gegebenenfalls vorhandene Batterie schützbar ist. Wie weiter unten ausgeführt, ist es aber auch möglich, beispielsweise alle sechs steuerbaren Schalter der Vollbrücke anzusteuern.

Bei der Vorrichtung nach Anspruch 2 ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine.

Dadurch eignet sich die Vorrichtung insbesondere für den Einsatz bei Traktionsanwendungen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 3 zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der genannten Vorrichtungen erfolgt eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes, wenn in dem Zwischenkreis eine Spannung oberhalb eines bestimmten Schwellwertes detektiert wird.

Dadurch können vorteilhaft Überspannungen bzw. übermäßig hohe Bremsmomente vermieden werden, was wiederum besonders bei Traktionsanwendungen von Vorteil ist.

Bei einem Verfahren nach Anspruch 4 zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der genannten Vorrichtungen erfolgt eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes, wenn eine Fehlfunktion detektiert wird.

Dies kann beispielsweise realisiert sein, indem eine Ansteuerung erfolgt, wenn Steuersignale für die steuerbaren Schalter zum Betrieb des Pulswechselrichters ausbleiben. Ebenso kann dies bei gestörten oder unplausiblen Steuersignalen erfolgen.

Ein solcher Fehlerfall kann auch darin bestehen, daß bei der Leistungselektronik eine Fehlfunktion erkannt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Watchdogfunktion für den Steuerteil realisiert sein oder auch durch Hardwareabfragen für den Treiber und/oder den Leistungsteil. Ebenso kann diese Ansteuerung erfolgen bei einem charakteristischen Spannungsanstieg oder charakteristischen Spannungsmustern, wie beispielsweise Halbwellen der passiven Gleichrichtung.

Es ist beispielsweise auch möglich, eine Ansteuerung vorzunehmen durch einen Steuerbefehl von außen, um beispielsweise in bestimmten Moden Energie zu sparen oder wenn ein anderes oder ein zentrales Steuergerät eine Fehlfunktion anderer Komponenten im System erkannt hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Die Figur zeigt den Leistungsteil eines als Wechselrichter ausgebildeten Frequenzumrichters 101.

In diesen integriert, jedoch von dessen Funktion unabhängig ist eine separate Überwachungselektronik 102 zu sehen, mittels der die Zwischenkreisspannung überwacht wird.

Wenn der zulässige Wert der Zwischenkreisspannung überschritten wird, steuert die Überwachungselektronik 102 die low-side Leistungsschalter 103,104,105 des Frequenzumrichters 101 auf und schließt über diese und die Freilaufdioden die Wicklungen U, V, W der Elektromaschine und damit die unter Umständen gefährlich hohen Spannungen kurz. In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispiels können auch die high-side Leistungsschalter angesteuert werden.

Vom Erkennen der Überschreitung der maximal zulässigen Spannung bis zum Kurzschluß über die Leitungsschalter 103,104,105 vergehen bei entsprechender Auslegung nur us. Die zulässige maximale Betriebsspannung des Frequenzumrichters wird durch die Nennspannung der Elektrolytkondensatoren vorgegeben und kann beispielsweise 400 V betragen. Diese darf entsprechend der DIN kurzzeitig überschritten werden (10% für 60s). Die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter muß ohnehin deutlich höher gewählt werden als die zulässige maximale Betriebsspannung des Frequenzumrichters, da im geschalteten Betrieb (z. B. Betrieb mit Pulsbreitenmodulation mit Taktfrequenzen üblicherweise in der Größenordnung von 4- 12 kHz) durch parasitäre Induktivitäten kurzfristige Überspannungen an den Leistungshalbleitern entstehen (Überschwinger, Spikes bis über 100 V). Für eine zulässige Nennspannung des Frequenzumrichters werden üblicherweise Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 V eingesetzt. Da im Fehlerfall der Frequenzumrichter nicht mehr arbeitet, dürfen an die Leistungshalbleiter Spannungen bis zur genannten Sperrspannung angelegt werden.

Die Geschwindigkeit des Spannngsanstiegs im Fehlerfall wird durch die genannten Kondensatoren mit ihren hohen Kapazitäten im Frequenzumrichter begrenzt und ergibt sich aus dem in den Zwischenkreis fließenden Strom und der Kapazität der genannten Kondensatoren. Typische Werte für die Anstiegsgeschwindigkeit liegen jedoch im Bereich von einigen zehn Volt je ms, also weit über der Reaktionszeit der Überwachungselektronik. Die Abschaltung wird also eingeleitet, lange bevor eine Gefährdung der Komponenten gegeben wäre.

Durch den Kurzschluß nur der low-side bzw. nur der high-side Leistungsschalter der drei Halbbrücken wirkt sich der Kurzschluß nicht auf den Zwischenkreis aus. Die Batterie oder andere an den Zwischenkreis angeschlossene Komponenten werden nicht beeinträchtigt. Beispielsweise wird eine vom Zwischenkreis versorgte Lenkhilfepumpe weiter funktionsfähig bleiben, was hinsichtlich des Sicherheitsaspekts im automobilen Anwendungsbereich von Vorteil ist.

Bei Systemen mit mehreren Maschinen und Frequenzumrichtern können die Überwachungselektroniken miteinander verbunden sein, um das Einschalten der Kurzschlüsse zu koordinieren.

Die zur Anwendung im Traktionsfall vorgesehenen Maschinen haben auslegungsbedingt zwangsläufig relativ hohe Induktivitätswerte. Diese begrenzen- außer bei sehr niedrigen Drehzahlen, bei denen aber die Spannungen nicht mehr gefährlich sind und der Kurzschluß wieder abgeschaltet sein kann-die im Kurzschlußfall fließenden Ströme, die in erster Linie Blindströme sind.

Damit können auch keine gefährlichen Bremsmomente mehr auftreten. Das bei sehr niedrigen Drehzahlen (die maximale Drehzahl derartiger Maschinen liegt typisch bei 6.000-10.000 1/Min) auftretende maximale Moment im kurzgeschlossenen Betrieb liegt typischerweise bei 50-100 % des maximalen Moments im aktiven Umrichterbetrieb. Dies erweist sich insbesondere bei einer Anwendung im Fahrzeug als wichtig.

Die beschriebene Kurzschlußschaltung kann aber auch im Normalbetrieb gezielt aktiviert werden, um beispielsweise in bestimmten Betriebsbereichen durch die "passive"Betriebsart Sicherheits-und/oder Effizienzvorteile zu erzielen. Diese können beispielsweise darin bestehen, daß keine Schaltverluste im Umrichter auftreten wie im aktiven Betrieb. Dies zeigt sich beispielsweise bei einem mit einem Parallelhybrid- Antrieb ausgestatteten Fahrzeug. Bei einer Konstantfahrt mit hoher Abtriebsdrehzahl, ohne daß die Elektromaschine aktiv sein soll, ist es weniger verlustbehaftet, die Maschine in den geschilderten Kurzschluß zu schalten als im aktiven Umrichterbetrieb mit der Drehmomentvorgabe 0 laufen zu lassen. Bei anderen Hybridkonzepten wie beispielsweise bei einer Leistungsverzweigung mit Differential kann die kurzgeschlossene permanenterregte Synchronmaschine in bestimmten Betriebspunkten (Generator festgelegt->"5. Gang") eine mechanische Haltebremse ersetzen bzw. gegenüber dem aktiven Umrichterbetrieb in diesem Fall die Verluste drastisch reduzieren (50%-70%).

Die Überwachungselektronik verfügt vorteilhaft über einen Energiespeicher wie beispielsweise einen Kondensator, einen Superkondensator oder eine Batterie, der im normalen Betrieb über eine geeignete Versorgungsschaltung aufgeladen wird und den Betrieb der Überwachungselektronik über den Kurzschluß hinweg sicher stellt. Die Versorgungsschaltung kann beispielsweise durch einen DC/DC-Wandler aus dem Zwischenkreis oder dem Bordnetz gebildet werden. Andere Versorgungsarten sind auch möglich. Die Überwachungselektronik kann den Kurzschluß aufrecht erhalten, bis der Antrieb bzw. das Fahrzeug zum Stillstand gekommen ist. Ebenso kann der Kurzschluß auch nach kurzer Zeit aufgehoben werden. Diese kurze Zeit kann in der Größenordnung von einigen Sekunden liegen. Steigt die Spannung danach immer noch über die zulässige Maximalspannung an, wird der Kurzschluß wieder eingeschaltet.

Die Überwachungselektronik kann die Leistungsschalter direkt betätigen oder die im Frequenzumrichter vorhandenen Ansteuerschaltungen mitbenutzen.

Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der vorliegenden Erfindung, daß der Zusatzaufwand für die Anwendung dieser Erfindung minimal ist durch die Ausnutzung der vorhandenen Leistungskomponenten und deren Peripherie wie beispielsweise der Kühlung.

Abhängig vom Anwendungsfall kann die Überwachungselektronik den Kurzschluß nach verschiedenen Kriterien aufheben, um über den auslaufenden Antrieb bzw. das auslaufenden Fahrzeug den Zwischenkreis mit Energie zu versorgen für vorhandene Verbraucher.

Ebenso kann die Schaltungsanordnung auch so ausgebildet sein, daß die Überwachungselektronik die angeschlossene Synchronmaschine nur teilweise kurzschließt.

Abhängig von der Anwendung kann der gewünschte Effekt auch en eicht werden durch Öffnen aller sechs Leistungsschalter oder durch einen zusätzlichen Schalter im Zwischenkreis. Hierzu ist es erforderlich, daß der Zwischenkreis kurzgeschlossen werden darf. Dies bedingt wiederum, daß keine Batterie vorhanden ist oder eine Batterie mit einer schnell auslösenden Sicherung.

Außer bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Synchronmaschine kann die Erfindung auch bei allen anderen Maschinen zur Anwendung kommen, die im Fehlerfall und/oder bei Überdrehzahlen oder Lastabwurf zumindest vorübergehend Überspannungen generieren oder bei denen unerwünschte Momente auftreten können bzw. bei denen ein bestimmtes Momentenverhalten gewünscht ist.