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Title:
VOLTAGE PROTECTION CIRCUIT FOR AT LEAST ONE BRANCH OF A HALF-BRIDGE, INVERTER, DC/DC VOLTAGE CONVERTER AND A CIRCUIT ARRANGEMENT FOR OPERATION OF AN ELECTRICAL MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/013375
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an overvoltage protection circuit for at least one arm (10a_1; 10a_2) of a half-bridge (10a; 10b; 10c; 60-1, 60-2; 60-3), which comprises a controllable semiconductor switching element (3a-3f) and a freewheeling diode (4a-4f) which is connected in series therewith, with these items being arranged on a common circuit mount (20). In this case, a commutation arm (30; 61-1; 61-2; 61-3) is connected in parallel with the half-bridge arm (10a_1; 10a_2) comprising at least one commutation capacitor (C_Kom), which is likewise arranged on the circuit mount (20). The invention also relates to an inverter, to a DC/DC voltage converter and to a circuit arrangement for operation of an electrical machine having overvoltage protection circuits according to the invention.

Inventors:
SCHWARZ ALBRECHT (DE)
JACOBS HEINER (DE)
Application Number:
EP2011/057760
Publication Date:
February 02, 2012
Filing Date:
May 13, 2011
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
SCHWARZ ALBRECHT (DE)
JACOBS HEINER (DE)
International Classes:
H02M3/158; H02M1/34; H02M7/797
Domestic Patent References:
WO2007025946A12007-03-08
Foreign References:
DE4037348C11992-02-13
US4167776A1979-09-11
EP1450475A12004-08-25
DE3036663A11981-04-16
US5127085A1992-06-30
DE4210443A11992-10-08
Other References:
NICOLAI U ET AL: "APPLIKATIONSHANDBUCH IGBT- UND MOSFET-LEISTUNGMODULE / SEMIKRON INTERNATIONAL", APPLIKATIONSHANDBUCH IGBT- UND MOSFET-LEISTUNGSMODULE, XX, XX, 1 January 1998 (1998-01-01), pages 208 - 210, XP002247411
FRATELLI L ET AL: "POWER TRACTION CONVERTER WITH 3.3 KV IGBT MODULES", EPE '97. 7TH. EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS. TRONDHEIM, SEPT. 8 - 10, 1997; [EPE . EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS], BRUSSELS, EPE ASSOCIATION, B, vol. 1, 8 September 1997 (1997-09-08), pages 1232 - 1237, XP000768063, ISBN: 978-90-75815-02-3
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (DE)
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Claims:
Ansprüche 1. Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig (10a_1 ; 10a_2) einer Halbbrücke (10a; 10b; 10c; 60-1 , 60-2; 60-3), welcher ein steuerbares

Halbleiterschaltelement (3a-3f) und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode (4a- 4f) umfasst, welche auf einem gemeinsamen Schaltungsträger (20) angeordnet sind, wobei parallel zum dem Halbbrückenzweig (10a_1 ; 10a_2) ein Kommutierungszweig (30; 61-1; 61-2; 61-3) geschaltet ist, der mindestens einen Kommutierungskondensator (C_Kom) umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.

2. Überspannungsschutzschaltung gemäß. Anspruch 1 , wobei der

Kommutierungszweig (30; 61-1 ; 61-2; 61-3) mindestens einen in Reihe zu dem

Kommutierungskondensator (C_Kom) geschalteten Kommutierungswiderstand

(R_Kom) umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.

3. Überspannungsschutzschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der

Kommutierungszweig (30; 61-1; 61-2; 61-3) mindestens eine parallel zu dem

Kommutierungswiderstand (R_Kom) geschaltete Kommutierungsdiode (D_Kom) umfasst, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger (20) angeordnet ist.

4. Überspannungsschutzschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der

Kommutierungszweig (30; 61-1 ; 61-2; 61-3) mindestens eine in Reihe zu dem

Kommutierungskondensator (C_Kom) und dem Kommutierungswiderstand geschaltete Kommutierungsspule (L_kom) umfasst, welche ebenfalls auf dem

Schaltungsträger (20) angeordnet ist.

5. Wechselrichter (2), welcher Halbleiterschaltelemente (3a-3f, 4a-4f) in Form mindestens einer Halbbrücke (10a; 10b; 10c) mit jeweils zwei parallel geschalteten

Halbbrückenzweigen (10a_1 , 10a_2) aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig (10a_1 , 10a_2) ein steuerbares Halbleiterschaltelement (3a; 3d) und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode (4a; 4d) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (10a; 10b; 10c) jeweils eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.

6. Gleichspannungswandler (50), welcher Halbleiterschaltelemente in Form

mindestens einer Halbbrücke (60-1 , 60-2; 60-3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares

Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (60-1, 60-2; 60-3) jeweils eine

Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine (1), welche über einen Wechselrichter (2), insbesondere einen Pulswechselrichter, angesteuert wird, wobei jeweils eine Halbbrücke (10a; 10b; 10c) des Wechselrichters (2) elektrisch mit einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine verbunden ist, dadurch

gekennzeichnet, dass für jede Halbbrücke (10a; 10b; 10c) des Wechselrichters (2) jeweils eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.

8. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 , wobei parallel zu dem Wechselrichter (2) ein Zwischenkreiskondensator (6) und parallel dazu ein Gleichspannungswandler (50) geschaltet sind, wobei der Gleichspannungswandler (50) Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke (60_1; 60_2; 60_3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und für die Halbbrücke (60_1 ; 60_2; 60_3) des Gleichspannungswandlers (50) eine Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8 , wobei der Gleichspannungswandler (50) als mehrphasiger Gleichspannungswandler ausgebildet ist, wobei mehrere

Gleichspannungswandler (50_1 , 50_2, 50_3) parallel geschaltet sind, welche jeweils Halbleiterschaltelemente in Form einer Halbbrücke (60_1 , 60_2, 60_3) mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und wobei für jede Halbbrücke (60_1 , 60_2, 60_3) des mehrphasigen Gleichspannungswandlers eine

Überspannungsschutzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.

Description:
Beschreibung Titel

Uberspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, Wechselrichter, Gleichspannungswandler und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, einen Wechselrichter, einen Gleichspannungswandler sowie eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein Antriebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden mittels einer Regeleinheit über den Wechselrichter eingestellt.

Bekannte Wechselrichter umfassen pro Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine, wobei die Anzahl der Phasen 1-n sein kann, eine Halbbrücke, mit Hilfe derer die jeweilige Phase der elektrischen Maschine wahlweise gegen ein hohes Potential, die so genannte Zwischenkreisspannung, oder gegen ein niedriges Bezugspotential, insbesondere Masse, geschaltet wird. Jede Halbbrücke umfasst dabei zwei parallel geschaltete Halbbrückenzweige, welche jeweils eine Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterschaltelements (Leistungsschalters), z.B. in Form eines MOSFETs oder IGBTs, und eines nicht steuerbaren Halbleiterschaltelements in Form einer Freilaufdiode umfassen. Die Leistungsschalter in den einzelnen

Halbbrückenzweigen werden von einem externen Steuergerät angesteuert, das in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Beschleunigen oder Bremsen) einen Soll- Betriebspunkt für die elektrische Maschine berechnet.

Je nach dem, ob ein Leistungsschalter in einem Halbbrückenzweig geöffnet oder geschlossen wird, kommutiert ein Laststrom in Form des Phasenstromes innerhalb des Halbbrückenzweiges von dem Leistungsschalter auf die in Reihe geschaltete

Freilaufdiode bzw. umgekehrt. Bei diesen Kommutierungen treten an den jeweils abkommutierenden Halbleiterschaltelementen, das heißt denjenigen

Halbleiterschaltelemente, an welchen der Stromfluss beendet wird, Überspannungen auf, deren Größe von der Schaltgeschwindigkeit der Leistungsschalter und von der

Größe parasitärer Induktivitäten, welche durch elektrische Verbindungen zwischen den Bauelementen gebildet werden, abhängig ist. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters liegt bei der in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzten Leistungsklasse gegenwärtig im Bereich um 10 kHz und ist bei Pulswechselrichtern durch den maximalen Ansteuergrad begrenzt, welcher wiederum von der Schaltgeschwindigkeit und/oder der Schaltzeit der Leistungsschalter abhängig ist. Die Schaltzeiten derzeit üblicher Leistungsschalter liegen beim Einschalten (Schließen) im Bereich von 150 bis 200 ns und beim Ausschalten (Öffnen) im bereich von 500 bis 1000 ns. Aus der DE 42 10 443 A1 ist eine Schutzschaltung für eine Fahrmotor-

Ansteuervorrichtung bekannt, welche den Schutz des Wechselrichters einer üblichen Kommutierungs-Anordnung ermöglicht, aber auch Fehlerströme, begrenzt oder beseitigt, welche die internen Elemente des Wechselrichters belasten. Dazu ist zwischen einem Kommutierungs-Thyristor und der Wechselrichterschaltung ein Reihen-Schutzthyristor zum Sperren von Motorfehlerströmen angeschlossen.

Außerdem sind RC-Elemente in Reihe mit dem Kommutierungs-Thyristor zum begrenzen von Wechselrichter-Fehlerströmen geschaltet.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, welcher ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst, welche auf einem gemeinsamen

Schaltungsträger angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist parallel zum dem

Halbbrückenzweig ein Kommutierungszweig geschaltet, der mindestens einen

Kommutierungskondensator umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Erfindung schafft auch einen Wechselrichter, welcher Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke mit jeweils zwei parallel geschalteten

Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares

Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße

Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.

Die Erfindung schafft weiterhin einen Gleichspannungswandler, welcher

Halbleiterschaltelemente in Form mindestens einer Halbbrücke mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen aufweist, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße

Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.

Die Erfindung schafft außerdem eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine, welche über einen Wechselrichter angesteuert wird, wobei der Wechselrichter Schaltelemente in Form von Halbbrücken mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und jeweils eine Halbbrücke elektrisch mit einer Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Dabei ist für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung vorgesehen.

Vorteile der Erfindung Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Überspannungen an den

Halbleiterschaltelementen eines Halbbrückenzweiges, welche bei Kommutierung des Laststromes von dem Leistungsschalter auf die Freilaufdiode und umgekehrt auftreten, durch Parallelschaltung eines Kommutierungszweiges, welcher zumindest einen Kommutierungskondensator umfasst, zu bedampfen. Dabei ist aber zu beachten, dass Überspannungen einen Halbleiterchip eines Halbleiterschaltelementes, also eines Leistungsschalters oder einer Freilaufdiode insbesondere bei hohen

Schaltgeschwindigkeiten um so mehr belasten, je weiter der Kommutierungszweig von dem Halbleiterchip entfernt ist. Deshalb ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Kommutierungskondensator auf dem Schaltungsträger anzuordnen, auf welchem auch der Leistungsschalter und die Freilaufdiode des entsprechenden Halbbrückenzweiges angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Kommutierungszweig in unmittelbarer Nähe zu dem Halbbrückenzweig angeordnet werden und damit äußerst

niederimpedant an den Halbbrückenzweig angeschlossen werden.

Die Anordnung des Kommutierungszweiges in unmittelbarer Nähe zu dem

Halbbrückenzweig hat darüber hinaus den Vorteil, dass auf diese Weise eine EMV- gerechte (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) Schaltungsauslegung gewährleistet ist, da der Halbbrückenzweig und der Kommutierungszweig nur eine geringe Fläche einschließen. Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung kann dabei sowohl für einen einzelnen Halbbrückenzweig eingesetzt werden, wie er zürn Beispiel in einem

Tiefsetzsteller auftritt, als auch für eine gesamte Halbbrücke mit zwei parallelen Halbbrückenzweigen, wie er zum Beispiel in einem Wechselrichter oder einem

Gleichspannungswandler Anwendung findet.

Umfasst der Kommutierungszweig lediglich einen oder mehrere

Kommutierungskondensatoren, so bilden diese zusammen mit parasitären

Induktivitäten, welche durch die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen der jeweiligen Schaltungsanordnung hervorgerufen werden, parasitäre Schwingkreise, diese parasitären Schwingkreise können aber abhängig von den jeweiligen konkreten Schaltungsanordnungen zu einer inakzeptablen EMV-Belastung führen.

Zur Bedämpfung derartiger parasitärer Schwingungen kann der Kommutierungszweig mindestens einen in Reihe zu dem Kommutierungskondensator geschalteten

Kommutierungswiderstand umfassen, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist.

Um einen maximalen Spannungsanstieg am Kommutierungskondensator und damit auch an den Halbleiterschaltelementen weiter zu verringern, kann der

Kommutierungszweig gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mindestens eine parallel zu dem Kommutierungswiderstand geschaltete

Kommutierungsdiode umfassen, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Eine derartige Kommutierungsdiode führt zu einer Beschleunigung des Ladezyklus und zu einer Verlangsamung des Entladezyklus und damit zu einer weiteren Bedämpfung von Überspannungen. Um unerwünschte EMV-Belastungen durch den Kommutierungszweig zu vermeiden kann der Kommutierungszweig auch mindestens eine in Reihe zu dem

Kommutierungskondensator und dem Kommutierungswiderstand geschaltete

Kommutierungsspule umfassen, welche ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Durch diese Beschaltung wird im Kommutierungszweig ein

Serienschwingkreis gebildet, welcher durch geeignete Auslegung der einzelnen Schaltungskomponenten dem parasitären Schwingkreis, welcher durch den

Kommutierungskondensator und die parasitären Induktivitäten gebildet wird, entgegen wirkt.

Für eine Schaltungsanordnung, bei der eine elektrische Maschine über einen

Wechselrichter angesteuert wird, wobei der Wechselrichter Halbleiterschaltelemente in Form von Halbbrücken mit jeweils zwei parallel geschalteten Halbbrückenzweigen umfasst und jeweils eine Halbbrücke elektrisch mit einer Phase der elektrischen Maschine verbunden ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, für jede Halbbrücke jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung vorzusehen .

Gemäß einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb einer über einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine sind parallel zu dem Wechselrichter ein Gleichspannungswandler und parallel dazu ein Zwischenkreiskondensator geschaltet, wobei der Gleichspannungswandler vorteilhaft mehrphasig ausgebildet ist. Dabei sind 1 bis n Phasen realisierbar, je nach

Anforderungen an den Wirkungsgrad des Wandlers. Die Wandler können auch in ihrer Leistung unterschiedlich sein, um speziell den Wirkungsgrad in den Teillastbereichen zu optimieren.

Wechselrichter, welche zur Steuerung einer elektrischen Maschine eingesetzt werden, werden in der Regel mit einer Zwischenkreisspannung betrieben, welche in einem Bereich von z.B. +/- 40% der Nennspannung eines Energiespeichers, wie z.B. einer Traktionsbatterie, liegt. Eine hohe Zwischenkreisspannung hat den Vorteil, dass eine vorgegebene Leistungsanforderung mit geringeren Phasenströmen und

Versorgungsströmen erreichbar ist. Da die Nennspannungen der einsetzbaren Energiespeicher aber aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig steigerbar sind, kann ein Gleichspannungswandler eingesetzt werden, welcher je nach Betriebsart der elektrischen Maschine das Spannungsniveau des Energiespeichers auf ein höheres Zwischenkreisspannungsniveau anhebt oder umgekehrt.

Wird dazu ein mehrphasiger Gleichspannungswandler eingesetzt, welcher mehrere 5 parallel geschaltete und vorteilhaft identisch ausgeführte Gleichspannungswandler umfasst, so birgt das den Vorteil, dass jeder Wandler nur einen Teil des

Gesamtstromes zu tragen hat, so dass die Größe von Ladedrosseln und sonstigen passiven Bauelementen der Gleichspannungswandler deutlich reduziert werden können. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines mehrphasigen

10 Gleichspannungswandlers kann auch eine höhere Schaltfrequenz angelegt werden, was auch dazu führt, dass kleinere Bauelementen für Zwischenkreiskondensator und Drosselspulen eingesetzt werden können. Eine höhere Schaltfrequenz erfordert jedoch ein schnelleres Schalten und führt damit zu höheren Stromgradienten in den Leistungsschaltern und Freilaufdioden der Halbbrückenzweige. Die höheren

15 Stromgradienten führen aber wiederum zu einer Erhöhung der Überspannungen an den Halbleiterschaltelementen. Aus diesem Grund ist bei einer derartigen Schaltungsanordnung die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung besonders vorteilhaft einsetzbar.

20 Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen 25 Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten

elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik,

: ig. 2

eine Halbbrücke eines Wechselrichters mit parasitären Induktivitäten,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung für die Halbbrücke gem. Fig.

2, lg 4 eine beispielhafte grafische Darstellung des Phasenstromes und des

Versorgungsstromes der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, (für eine Auslegung einer E-Maschine auf eine definierte mechanische Wellenleistung)

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten

elektrischen Maschine mit Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 eine detaillierte Darstellung des Gleichspannungswandlers aus Fig. 5 mit einer

erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltung.

10

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 , welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz-Maschine

15 ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der

Pulswechselrichter 2 umfasst steuerbare Halbleiterschaltelemente 3a-3f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes

Versorgungsspannungspotential in Form einer Zwischenkreisspannung U_ZK oder ein

20 niedriges Bezugspotential in Form von Masse schalten. Die mit der

Zwischenkreisspannung U_ZK verbundenen Leistungsschalter 3a-3c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die mit Masse verbundenen Leistungsschalter 3d-3f als„Low-Side-Schalter" bezeichnet und können beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

25 (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere nicht steuerbare Halbleiterschaltelemente in Form von Freilaufdioden 4a-4f, welche jeweils parallel zu einem der Leistungsschalter 3a-3f angeordnet sind. Die Leistungsschalter 3a und 3d, 3b und 3e sowie 3c und 3f bilden dabei zusammen mit den jeweils zugehörigen Freilaufdioden jeweils eine Halbbrücke 10a, 10b bzw. 10c. Die

30 Halbbrücken 10a bis 10c umfassen dabei jeweils zwei parallele Halbbrückenzweige, wobei ein Halbbrückenzweig jeweils eine Reihenschaltung eines High-Side- oder Low- Side-Schalters mit der parallel zu dem in der jeweiligen Halbbrücke liegenden zweiten Leistungsschalters, also Low-Side- bzw. High-Side-Schalters, angeordneten Freilaufdiode umfasst. Bei der dargestellten Ausführungsform ergibt sich somit für die

35 Halbbrücke 10a ein erster Halbbrückenzweig 10a_1 , welcher eine Reihenschaltung aus der Freilaufdiode 4a und dem Leistungsschalter 3d umfasst, und ein dazu parallel geschalteter zweiter Halbbrückenzweig 10a_2, welcher eine Reihenschaltung aus dem Leistungsschalter 3a und der Freilaufdiode 4d umfasst. Für die übrigen Halbbrücken 10b und 10c ergeben sich die jeweiligen Halbbrückenzweige in analoger Weise.

Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem Steuergerät 5, welches in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist und auch in den Wechselrichter 2 integriert sein kann, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann dabei wahlweise im Motor- oder

Generatorbetrieb betrieben werden. Der Pulswechselrichter 2 umfasst außerdem einen sogenannten

Zwischenkreiskondensator 6, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer

Spannung eines Energiespeichers, also beispielsweise einer Batteriespannung dient. Das Bordnetz des Fahrzeugs mit dem Energiespeicher in Form einer Batterie 7 ist parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 6 geschaltet. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann der Zwischenkreiskondensator 6 selbstverständlich auch außerhalb des Pulswechselrichters 2 angeordnet sein.

Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen, wobei für jede Phase jeweils eine Halbbrücke in dem Pulswechselrichter 2 vorzusehen ist.

Jede elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen der Halbbrücken sowie die Verbindungsleitungen zum Zwischenkreiskondensator 6 bilden parasitäre Induktivitäten, welche in Figur 2 in Form der Induktivitäten L1 bis L10 beispielhaft für die Halbbrücke 10a eingezeichnet sind. Dabei ist die Halbbrücke 10a mit ihren parallel geschalteten Halbbrückenzweigen 10a_1 und 10a_2 entgegen der Darstellung in Fig. 1 derart dargestellt, dass die Halbbrückenzweige 10a_1 und 10a_2 besser erkennbar sind. Die elektrischen Bauelemente der Halbbrücke 10a, also die Leistungsschalter 3a und 3d sowie die Freilaufdioden 4a und 4d sind dabei auf einem gemeinsamen

Schaltungsträger 20 - häufig auch als Printed Circuit Board (PCB) oder bei höheren Leistungen als DCB-Substrat (direct copper bond) bezeichnet - angeordnet. Ein derartiger Schaltungsträger 10 inkl. der aufgebrachten Bauelemente wird häufig auch als Halbbrückenmodul oder auch Fertigungsmodul bezeichnet, das Halbbrückenmodul weist dementsprechend Anschlüsse K1 bis K7 auf, über welche das Modul mit anderen Schaltungsmodulen oder Bauelementen elektrisch verbindbar ist.

Wenn der Phasenstrom l_U von einem der Leistungsschalter 3a oder 3d auf die in dem entsprechenden Halbbrückenzweig liegende Freilaufdiode 4d bzw. 4a kommutiert, treten an den Leistungsschaltern 3a bzw. 3d Überspannungen auf, welche von der Größe der parasitären Induktivitäten und dem Stromgradienten, also der

Schaltgeschwindigkeit mit welcher sich der Strom ändert, ab. Umgekehrt treten an den Freilaufdioden 4a und 4d Überspannung auf, wenn der Phasenstrom l_U von der Freilaufdiode 4a oder 4d auf den in dem entsprechenden Halbbrückenzweig liegenden Leistungsschalter 3d bzw. 3a kommutiert. Auch dabei sind die auftretenden

Überspannungen von der Größe der parasitären Induktivitäten und dem

Stromgradienten, also der Schaltgeschwindigkeit mit welcher sich der Strom ändert, abhängig.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung beispielhaft für die Halbbrücke 10a gemäß Fig. 2. Dabei ist parallel zu den beiden

Halbbrückenzweigen 10a_1 und 10a_2, ein Kommutierungszweig 30 geschaltet, welcher einen Kommutierungskondensator C_Kom einen dazu in Reihe geschalteten Kommutierungswiderstand R_Kom und eine zu dem Kommutierungswiderstand

R_Kom parallel geschaltete Kommutierungsdiode D_Kom aufweist. Außerdem ist in Figur 3 auch der zwischen Versorgungsspannungsanschlüssen K1 und K2

angeschlossene Zwischenkreiskondensator 6 in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. In den Zuleitungen zum Zwiaschenkreiskondensator 6 sind außredem weitere parasitäre Induktivitäten (Anschaltinduktivitäten) L11 und L12 dargestellt.

Um die Funktion des Kommutierungszweiges 30 besser zu verstehen, wird im

Folgenden von einer Situation ausgegangen, in welcher der Low-Side Schalter 3d gerade öffnet, das heißt ein Laststrom in Form des Phasenstromes l_U vom

Ausgangsanschlusses K3 in Richtung des Leistungsschalters 3d fließt. In diesem Fall kommutiert der Laststrom auf die Freilaufdiode 4a des betroffenen

Halbbrückenzweiges 10a_1 über. Dabei geben die noch stromführenden parasitären Induktivitäten ihre Energie ab. Ist kein Kommutierungszweig vorgesehen, so wird die gesamte Energie an das schließende Halbleiterschaltelement, also die Freilaufdiode 4a abgegeben. Nach dem Induktionsgesetz steigt dabei die Spannung an dem

abkommutierendem Schaltelement, also dem Leistungsschalter 3d so hoch an, wie es der momentan fließende Laststrom erfordert. Zeitlich parallel dazu beginnt die

Freilaufdiode 4a Laststrom zu übernehmen, wobei die in dem entsprechenden Zweig liegenden parasitären Induktivitäten den Stromanstieg verzögern. Die Spannung am Leistungsschalter 3d nimmt erst wieder ab, wenn die in den noch stromführenden

Induktivitäten gespeicherte Energie und damit der der Strom im Leistungsschalter 3d abnimmt. Die Höhe der entstehenden Überspannung wird dabei von der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 3d und von der Größe der beteiligten parasitären Induktivitäten bestimmt.

Ist dagegen ein erfindungsgemäßer Kommutierungszweig 30 parallel zu dem

Halbbrückenzweig 10a_1 oder, wie in diesem Fall, der Halbbrücke 10a geschaltet, so wird ein Teil der Energie aus den noch stromführenden parasitären Induktivitäten in den Kommutierungskondensator C_Kom geladen und an dem

Kommutierungswiderstand R_Kom in Wärme umgesetzt. Da der Strom beim Laden des Kommutierungskondensators C_Kom über die parallel zum

Kommutierungswiderstand R_Kom geschaltete Kommutierungsdiode D_Kom fließt, wird der maximale Spannungsanstieg am Kommutierungskondensator C_Kom und damit auch am Leistungsschalter 3d zusätzlich verringert.

Die Größe des Kommutierungswiderstandes R_Kom wird dabei vorteilhaft nahe des aperiodischen Grenzfalles im beteiligten Schwingkreis, welcher durch den

Kommutierungskondensator in Verbindung mit den am Kommutierungsvorgang beteiligten parasitären Induktivitäten gebildet wird. Demnach ergibt sich

wobei L_Ges die Summe aller am Kommutierungsvorgang beteiligten Induktivitäten ist. dadurch erreicht man, dass der Strom in dem Kommutierungskondensator C_Kom nach 1 bis 2 Perioden mit einer Frequenz abklingt.

Neben der dargestellten Ausführung des Kommutierungszweiges 30 mit einem

Kommutierungskondensator C_Kom, einem Kommutierungswiderstand R_Kom und einer Kommutierungsdiode D_Kom sind auch weitere Ausführungsformen denkbar. So kann der Kommutierungszweig 30 lediglich einen oder mehrere

Kommutierungskondensatoren aufweisen. Ebenso ist eine Ausführungsform mit mindestens einem Kommutierungskondensator und mindestens einem dazu in Reihe geschalteten Kommutierungswiderstand, aber ohne eine oder mehrer zu dem

Kommutierungswiderstand geschaltete Kommutierungsdioden denkbar. Der

Kommutierungszweig 30 kann aber auch eine Reihenschaltung aus mindestens einem Kommutierungskondensator, mindestens einem Kommutierungswiderstand und mindestens einer Kommutierungsspule L_kom umfassen, welche gemeinsam einen Serienschwingkreis bilden.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Kommutierungszweiges 30 ist es aber erfindungswesentlich, dass der Kommutierungszweig 30 möglichst

niederimpedant an den Halbbrückenzweig 10a_1 oder die Halbbrücke 0a

angeschlossen wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die

Bauelemente C_Kom, R_Kom, D_Kom oder auch L_kom des Kommutierungszweiges 30 auf demselben Schaltungsträger 20 angeordnet werden, auf welchem auch die Bauelemente des Halbbrückenzweiges 0a-1 oder der Halbbrücke 10a angeordnet sind.

Figur 4 zeigt eine grafische Darstellung des zur Erreichung einer vorgegebenen Leistung erforderlichen Phasenstromes l_Ph (l_U, l_V, l_W) und Versorgungsstromes l_DC in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der

Zwischenkreisspannung U_ZK. Man erkennt, dass mit zunehmender

Zwischenkreisspannung U_ZK geringere Phasenströme und Versorgungsströme ausreichen, um eine vorgegebene Leistungsanforderung zu erfüllen.

Da die Nennspannung der Batterie 7 aber nicht beliebig gesteigert werden kann, können höhere Zwischenkreisspannungen nur mit Hilfe eines

Gleichspannungswandlers - häufig auch als DC-DC-Wandler bezeichnet - realisiert werden.

Figur 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschine mit Gleichspannungswandler, wie es zum Beispiel aus der WO 2007/025946 A1 bekannt ist. Die Anordnung unterscheidet sich dabei von der in Fig. 1 dargestellten Anordnung lediglich dadurch, dass zwischen der Batterie 7 und dem Zwischenkreiskondensator 6 ein Gleichspannungswandler 50 geschaltet ist, welcher im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 die

Zwischenkreisspannung U_ZK auf das niedrigere Niveau der Batteriespannung U_Bat absenkt und im motorischen Betrieb die Batteriespannung U_Bat entsprechend auf das höhere Niveau der Zwischenkreisspannung U_ZK anhebt. Es ist anzustreben, den Zwischenkreiskondensator 6 sowie Ladedrosseln innerhalb des Gleichspannungswandlers 50 möglichst klein zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wechselrichter 2 mit einer erhöhten Schaltfrequenz betrieben wird, was jedoch ein schnelleres Schalten und folglich einen größeren Stromgradienten in den Leistungsschaltern und Freilaufdioden zur Folge hat. Dadurch steigt aber der Betrag der durch die parasitären Induktivitäten bewirkten

Überspannungen, so dass bei einer derartigen Anordnung der Einsatz eines

erfindungsgemäßen Kommutierungszweiges besonders vorteilhaft ist. Dabei kann ein Kommutierungszweig selbstverständlich nicht nur an den Halbbrücken des Wechselrichters 2, sondern auch an Halbbrücken des Gleichspannungswandlers 50 vorgesehen sein. Generell ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße

Überspannungsschutzschaltung unabhängig von der konkreten Anwendung für jede Schaltungseinheit einsetzbar ist, welche einen Halbbrückenzweig mit einer

Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterschaltelements und einer Freilaufdiode aufweist, da parasitäre Induktivitäten trotz fortschreitender Technologie nicht beliebig verkleinert werden können.

Figur 6 zeigt den Gleichspannungswandler 50 gemäß Fig. 3 in etwas detaillierterer Darstellung. Der Gleichspannungswandler 50 ist dabei als mehrphasiger, in diesem Fall drei-phasiger Gleichspannungswandler ausgeführt. Dabei sind drei identische Gleichspannungswandler 50-1 , 50-2 und 50-3 parallel geschaltet, welche jeweils eine Halbbrücke 60-1 , 60-2 bzw. 60-3 sowie eine vorgeschaltete Ladedrossel L_L1 , L_L2 bzw. LJL3 umfassen. Die Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 umfassen dbei weiderum jeweils zwei parallel geschaltete Halbbrückenzweige, wobei jeder Halbbrückenzweig ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete

Freilaufdiode umfasst. Eingangsseitig ist der Gleichspannungswandler 50 mit der Batterie 7 verbunden, welchem zur Spannungsstabilisierung ein Kondensator C_Bat parallel geschaltet ist. Ausgangsseitig ist der Gleichspannungswandler 50 an den Zwischenkreiskondensator 6 angeschlossen. Die Begriffe "eingangsseitig" und

"ausgangsseitig" beziehen sich dabei auf den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1. Die Ausführungsform als mehrphasiger Gleichspannungswandler hat dabei den Vorteil, dass jeder der Wandler 50-1 , 50-2 und 50-3 nur einen Bruchteil des Gesamtstromes zu tragen hat, so dass die Ladedrosseln L_L1 , L_L2 und L_L3 sowie die übrigen passiven Bauelemente des Gleichspannungswandlers dementsprechend kleiner ausgelegt werden können, dazu werden die einzelnen Gleichspannungswandler 50-1 , 50-2 und 50-3 zeitversetzt nacheinander getaktet, das heißt für ein von einem Regler vorgegebenes Tastverhältnis wird die Einschaltzeit T_E in drei gleiche Abschnitte aufgeteilt und dann jede der drei Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 nacheinander jeweils für eine Zeitspanne von T_E/3 eingeschaltet. Aufgrund der in Figur 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten parasitären Induktivitäten, treten auch in den Zweigen der Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 des

Gleichspannungswandlers die oben erwähnten Überspannungen auf. Daher ist parallel zu jeder der Halbbrücken 60-1 , 60-2 und 60-3 jeweils ein Kommutierungszweig 61-1 , 61-2 bzw. 61-3 geschaltet, welcher beispielhaft jeweils einen

Kommutierungskondensator C_Kom1 , C_Kom2 bzw. C_Kom3 umfasst, wobei die Kommutierungskondensatoren C_Kom1 , C_Kom2 bzw. C_Kom3 auf den

Schaltungsträgem der jeweils zugeörigen Halbbrücken 60-1 , 60-2 bzw. 60-3 angeordnet sind.