Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder eine andere Gleichspannung und einen Prüfstand mit einer derartigen Umrichteranordnung.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Umrichteranordnungen zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung (Wechselrichter) oder in eine Gleichspannung mit anderem Spannungsniveau (Gleichspannungswandler) bekannt. Diese verwenden beispielsweise geschaltete Wechselrichter mit Halbleiter- Brückenschaltungen, die durch ein Modulationsverfahren, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation (PWM), eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige kHz bis über 20 kHz) nachbilden. Diese Wechselrichter werden auch als Sinus-Wechselrichter bezeichnet. Die Halbleiterschalter schalten die Gleichspannung mit hoher Frequenz ein und aus; der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung.

Derartige geschaltete Wechselrichter finden insbesondere bei Prüfständen für Fahrzeuge Anwendung. In derartigen Prüfständen wird die für die Belastungsmaschinen benötigte elektrische Leistung über einen zentralen Gleichspannungs-Zwischenkreis oder eine Batterie zur Verfügung gestellt, und Wechselrichter (sog. Maschinenumrichter) wandeln die Gleichspannung in die für die jeweilige elektrische Belastungsmaschine, beispielsweise einen Elektromotor, benötigte Wechselspannung um. Ebenso können geschaltete Gleichspannungswandler zur Generierung einer Gleichspannung mit anderer Polarität oder anderem Spannungsverlauf vorgesehen sein. Derartige Umrichter können insbesondere zum bidirektionalen Betrieb ausgebildet sein (sog. Active Front End Umrichter), sodass sie elektrische Leistung sowohl aus dem Gleichspannungszwischenkreis beziehen, als auch zurückübertragen können.

Im Gleichspannungszwischenkreis sind zur Stabilisierung der bereitgestellten Gleichspannung in der Regel Energiespeicherkondensatoren mit sehr hoher Kapazität angeordnet. Diese müssen für eine Gleichspannung im Bereich von etwa 850 V geeignet sein. Als Energiespeicherkondensatoren werden in der Regel langsame, also nicht für hohe Frequenzen geeignete Kondensatoren eingesetzt, die meist in Form eigener Kondensatorbänke in einem Schaltschrank angeordnet sind. Durch die Länge der Versorgungsleitungen ergeben sich relativ große Induktivitäten, sodass die Energiespeicherkondensatoren bei herkömmlicher Anordnung nur wenig durch hochfrequente Störungen (Rippelströme) belastet werden.

Bei der Verwendung derartiger Umrichteranordnungen in modernen Prüfständen tritt jedoch das Problem auf, dass die zu testenden dynamischen Prüfmuster, also die an den Prüfling zu übertragenden Nutzsignale, eine hohe Frequenz aufweisen, beispielsweise mehrere hundert Hertz bis zu 1000 Hz. Gleichzeitig sollen die Energiespeicherkondensatoren möglichst nahe beim geschalteten Wechselrichter angeordnet sein, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen. Dadurch beeinflussen die von den geschalteten Wechselrichtern erzeugten hochfrequenten Störungen die Energiespeicherkondensatoren.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einerseits sicherzustellen, dass die hochfrequenten Störungen abgeleitet werden, ohne die Energiespeicherkondensatoren zu belasten, und andererseits sicherzustellen, dass die Energiespeicherkondensatoren den vergleichsweise niederfrequenten Nutzsignalen folgen können. Es soll eine kompakte Umrichteranordnung ermöglicht werden, die als Maschinenumrichter (DC- AC-Wandler) oder Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) in einem Prüfstand für Fahrzeuge eingesetzt werden kann, ohne lange Anschlussleitungen zu den Energiespeicherkondensatoren zu benötigen, ohne den Gleichspannungs zwischenkreis übermäßig zu stören und ohne die angetriebene elektrische Maschine mit Rippelströmen zu belasten. Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Umrichteranordnung und einen Prüfstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis zur Bereitstellung einer Gleichspannung VDC, umfassend einen Pluspol und einen Minuspol, und zumindest einen Umrichter. Bei dem Umrichter kann es sich um einen Maschinenumrichter (DC-AC-Konverter) zur Umwandlung der Gleichspannung VDC in eine mehrphasige Wechselspannung handeln. Es kann sich aber auch um einen bidirektional betriebenen Netzumrichter (AC-DC- Wandler) handeln, der überschüssige elektrische Energie eines Gleichspannungszwischenkreises in ein mehrphasiges Netz zurück überträgt. Ebenso kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Umrichter um einen Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) handeln, der die Gleichspannung VDC in eine Gleichspannung anderer Polarität oder anderen Spannungsniveaus umwandelt.

Der Gleichspannungszwischenkreis kann bei Verwendung der Umrichteranordnung in einem Prüfstand eine Gleichspannung VDC im Bereich von etwa 850 V oder darüber aufweisen. In anderen Anwendungen kann der Gleichspannungszwischenkreis auch eine niedrigere Gleichspannung aufweisen, beispielsweise kann bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einem Fahrzeug (Automotive-Bereich) eine Spannung am Zwischenkreis VDC von etwa 48 V vorgesehen sein.

Im Gleichspannungszwischenkreis sind zwischen dem Pluspol und dem Minuspol ein oder mehrere Energiespeicherkondensatoren angeordnet, wobei in Serie zu den Energiespeicherkondensatoren ein frequenzabhängiger Widerstand angeordnet ist, der bei hohen Frequenzen einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, als bei niedrigen Frequenzen.

Dadurch wird erreicht, dass niederfrequente Nutzsignale durch die Energiespeicherkondensatoren aufgenommen und gepuffert werden können, während hochfrequente Störungen, wie sie typischerweise bei hochfrequent geschalteten Wechselrichtern, insbesondere bei Sinus-Wechselrichtern, auftreten, blockiert werden. Folglich werden die Energiespeicherkondensatoren geschont und es ist eine direkte Anordnung der Energiespeicherkondensatoren beim Wechselrichter möglich.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der frequenzabhängige Widerstand bei hohen Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen über 10kHz, über 16 kFIz oder über 20 kFIz, einen um ein Vielfaches, vorzugsweise um zumindest einen Faktor 10, einen Faktor 12, oder einen höheren Faktor höheren elektrischen Widerstand aufweist als bei niedrigen Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen unter 500 Hz. Der Widerstand bei Frequenzen unter 500 Hz kann insbesondere im Milliohm-Bereich sein.

Der frequenzabhängige Widerstand übernimmt somit die Funktion, die Energiespeicherkondensatoren vor hochfrequenten Strömen zu schützen, wobei jedoch die konkrete Grenzfrequenz vom Anwendungsfall abhängig sein kann. Beispielsweise können bestimmten Anwendungen der Umrichteranordnung in Fahrzeugen (Automotive-Bereich) Grenzfrequenzen von etwa 150 kFIz vorsehen, sodass der Widerstand auch bei Frequenzen von etwa 150 kFIz noch einen niedrigen Widerstand aufweist, und erst bei Frequenzen im Bereich von 2 MFIz einen deutlich höheren elektrischen Widerstand annimmt.

Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Energiespeicherkondensator ein besonders speicherfähiger Kondensator mit einer Kapazität von über 1mF, vorzugsweise 6mF ist, beispielsweise ein Elektrolytkondensator. Es sind aber auch andere Bautypen von Kondensatoren erfindungsgemäß vorgesehen. Insbesondere im Automotive-Bereich kann bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise Frequenzen über 150 kFIz, vorgesehen sein, dass die Energiespeicherkondensatoren nicht als Elektrolytkondensatoren, sondern als Folien- oder Keramikkondensatoren ausgebildet sind. In diesem Anwendungsfall sind vorzugsweise keine Elektrolytkondensatoren vorgesehen.

Erfindungsgemäß kann bei hohen Gleichspannungen im

Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere bei Gleichspannungen von über 500 V, vorgesehen sein, dass ein erster Energiespeicherkondensator und ein zweiter, in Serie geschalteter Energiespeicherkondensator vorgesehen sind. In diesem Fall kann der frequenzabhängige Widerstand in Serie zwischen dem ersten Energiespeicherkondensator und dem zweiten Energiespeicherkondensator angeordnet sein. Es können auch mehr als zwei Energiespeicherkondensatoren in Serie angeordnet sein. Ferner kann auch eine Parallelschaltung mehrerer Energiespeicherkondensatoren erfindungsgemäß vorgesehen sein.

Parallel zum Energiespeicherkondensator können ein oder mehrere besonders wechsellastfähige Zwischenkreiskondensatoren angeordnet sein. Diese dienen dazu, hochfrequente Störungen abzuleiten, insbesondere jene Störungen, die durch den geschalteten Wechselrichter erzeugt werden. Das Verhältnis der Kapazität des Energiespeicherkondensators zur Kapazität der Zwischenkreiskondensatoren kann vorzugsweise größer als 5, besonders bevorzugt größer als 10 sein. Beispielsweise können die Zwischenkreiskondensatoren eine Kapazität von 180 pF aufweisen, und die Energiespeicherkondensatoren eine Kapazität von 1 mF.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Zwischenkreiskondensatoren in Form von Folienkondensatoren und/oder keramischen Kondensatoren ausgeführt sind. Es sind jedoch auch andere Bautypen von Kondensatoren erfindungsgemäß vorgesehen. Die Zwischenkreiskondensatoren können insbesondere durch Parallel- und Serienschaltung von einzelnen Kondensatoren ausgeführt sein.

Beispielsweise können erste Zwischenkreiskondensatoren als Folienkondensatoren mit einer Grenzfrequenz von etwa 100 kFIz vorgesehen sein, und zweite Zwischenkreiskondensatoren als keramische Kondensatoren mit einer Grenzfrequenz von 1 MFIz und darüber. Bei letzteren kann es sich insbesondere um sogenannte Cera- Link Keramikkondensatoren handeln, die eine besonders niedrige Induktivität bei besonders hoher Grenzfrequenz aufweisen. Dadurch wird eine besonders gute Ableitung auch sehr hochfrequenter Störungen erreicht, ohne die Energiespeicherkondensatoren zu belasten. Diese Ausführungsformen empfehlen sich bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einem Prüfstand. Erfindungsgemäß kann in diesem Fall vorgesehen sein, dass die Kondensatoren für eine Gleichspannung von über 350V, vorzugsweise über 500V, besonders bevorzugt etwa 850 V oder etwa 1400 V, ausgeführt sind.

Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einem Fahrzeug liegt hingegen die Zwischenkreisspannung wesentlich niedriger, beispielsweise im Bereich von 48 V, und die Schaltfrequenzen wesentlich höher, sodass keine Elektrolytkondensatoren, sondern erfindungsgemäß lediglich Keramikkondensatoren und Folienkondensatoren zum Einsatz kommen. In diesem Fall können die ersten und/oder zweiten Zwischenkreiskondensatoren als Folienkondensatoren oder Keramikkondensatoren mit einer Grenzfrequenz im Bereich von etwa 2 MFIz vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei in Serie geschaltete Energiespeicherkondensatoren vorgesehen, die auf einer Leiterplatte oder einem anderen Träger angeordnet sind, wobei der frequenzabhängige Widerstand zwischen diesen Bauteilen angeordnet ist, und zwar auf der Unterseite der Leiterplatte oder des Trägers. Dadurch ergibt sich eine besonders platzsparende Integration der erfindungsgemäßen Anordnung.

Der frequenzabhängige Widerstand kann eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Längserstreckung L und einem Durchmesser D aufweisen. Der Durchmesser D kann entlang der Längserstreckung L um einen Mittelwert Do +/- AD periodisch variieren, wobei Do vorzugsweise etwa 10mm und AD vorzugsweise etwa 1mm ist.

Es kann eine die Gleichspannung VDC bereitstellende Gleichspannungsquelle vorgesehen sein, beispielsweise eine Batterie oder ein Netzumrichter in Form eines geschalteten Gleichrichters, der zur Umwandlung einer mehrphasigen Netzspannung in eine Gleichspannung ausgeführt ist.

Die Erfindung umfasst ferner einen Prüfstand für ein Fahrzeug oder einen beliebigen Antrieb, beispielsweise einen Industrieantrieb mit einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. Ein derartiger Prüfstand kann einen Netzumrichter, eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung und eine, durch die erzeugte Wechselspannung angetriebene elektrische Maschine umfassen. Dabei kann die Zwischenkreisspannung im Bereich von etwa 850 V liegen und es können Energiespeicherkondensatoren in Form von Elektrolytkondensatoren sowie erste und zweite Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen sein.

Die Erfindung umfasst ferner einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. In diesem Fall liegt die Zwischenkreisspannung bei etwa 48 V und die Energiespeicherkondensatoren sind auf eine Signalfrequenz von bis zu 150 kFIz ausgelegt, das heißt der frequenzabhängige Widerstand blockiert Ströme erst ab einer Frequenz von mehr als 150 kFIz. Die Energiespeicherkondensatoren sind in diesem Fall vorzugsweise Folien- oder Keramikkondensatoren. Die Zwischenkreiskondensatoren sind hingegen für eine Frequenz im Bereich von etwa 2 MFIz ausgelegt und als besonders wechsellastfähige Folien- oder Keramikkondensatoren ausgeführt.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht-ausschließlichen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung; Fig. 1b: ein schematischer Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen frequenzabhängigen Widerstands;

Fig. 1c: ein Detail aus Fig. 1b.

Fig. 1a zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung zur Verwendung in einem Prüfstand für Fahrzeuge. Die Umrichteranordnung umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis 1 mit einer Gleichspannung in der Flöhe von etwa 850 V, die von einem Netzumrichter 7 zur Verfügung gestellt wird. Der Gleichspannungszwischenkreis 1 speist einen Maschinenumrichter 2, der als geschalteter Wechselrichter betrieben wird. Dieser stellt eine Wechselspannung zum Betrieb einer elektrischen Belastungsmaschine für den Prüfstand, beispielsweise eines Elektromotors, bereit.

Der Gleichspannungszwischenkreis hat einen Pluspol und einen Minuspol. Zwischen dem Pluspol und dem Minuspol sind zwei Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ in Serienschaltung angeordnet, wobei zwischen den beiden

Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ ein frequenzabhängiger Widerstand 4 angeordnet ist. Bei den Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um Elektrolytkondensatoren mit einer Kapazität von etwa 1 mF. Parallel zu den Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ sind Zwischenkreiskondensatoren 5, 5‘ angeordnet. Diese weisen eine geringere Kapazität auf, etwa im Bereich von 180 pF, und dienen zur Ableitung hochfrequenter Störungen.

Sowohl die Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘, als auch die

Zwischenkreiskondensatoren 5, 5‘ befinden sich in unmittelbarer Nähe der geschalteten Umrichter, nämlich des Netzumrichters 7 und des Maschinenumrichters 2. In der vorliegenden Ausführungsform werden zwei Typen von Zwischenkreiskondensatoren verwendet, nämlich einerseits keramische Cera-Link Kondensatoren für sehr schnelle Ströme bis zu einer Grenzfrequenz von 1 MFIz, und andererseits Folienkondensatoren für Ströme bis zu einer Grenzfrequenz von etwa 100 kFlz. Die

Zwischenkreiskondensatoren 5, 5‘ sind jeweils für eine Spannung von 850 V ausgelegt und werden induktivitätsarm, also unter Vermeidung langer Anschlussleitungen, direkt an den Zwischenkreis angebunden.

Auch die Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ sind in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar an den Zwischenkreis angebunden, sodass nur geringe Leitungsinduktivitäten auftreten. Um die Rippeistrombelastung der Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ klein zu halten, aber dennoch Prüfmuster mit Stromänderungen hoher Frequenz von bis zu etwa 1000 Hz zu ermöglichen, ist ein frequenzabhängiger Widerstand 4 in Serie zu den Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ geschaltet. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere parallele Zweige mit Energiespeicherkondensatoren und frequenzabhängigen Widerständen vorgesehen, um die gesamte Speicherkapazität des Umrichters noch zu erhöhen.

Der frequenzabhängige Widerstand 4 ist für Frequenzen unter 1000 Hz relativ niederohmig, und für schaltfrequenzproportionale Ströme, also Ströme mit einer Frequenz von 16 kHz oder darüber, relativ hochohmig. Das Verhältnis zwischen dem elektrischen Widerstand bei Frequenzen von 16 kHz und 500 Hz beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 12. So wird verhindert, dass die mit niedriger Induktivität angekoppelten Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ mit der hohen Schaltfrequenz belastet werden. Folglich kommt es zu keiner hohen Erwärmung der Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ und diese können besser ausgenutzt werden.

Fig. 1b zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen frequenzabhängigen Widerstands 4. In dieser Ausführungsform ist der frequenzabhängige Widerstand 4 derart ausgeführt, dass der elektrische Skin-Effekt ausgenutzt wird: bei hohen elektrischen Frequenzen wird der elektrische Strom an die Außenfläche des Widerstands verdrängt; die Außenfläche ist durch eine periodische Variierung des Durchmessers erhöht, sodass sich ein erhöhter elektrischer Widerstand ergibt. Diese Eigenschaft des Skin-Effekts wird hier vorteilhaft dazu verwendet, um einen nichtlinearen ohmschen Widerstand heranzuziehen, um den bereits erwähnten Energiespeicherkondensator vor hochfrequenten Strömen zu schützen. Der Vorteil einer solche Ausführungsform ist jener, dass der erfindungsgemäße frequenzabhängige Widerstand 4 als Schutz für den Energiespeicherkondensator 3 als nichtlinearer und nichtschwingungsfähiger Widerstand 4 ausgeführt wird und ohne schwingungsfähige Komponenten wie beispielsweise einer Impedanz oder einer Kapazität auskommt.

Somit ist die Kapazität des Energiespeicherkondensators 3 frei wählbar und nicht an eine Frequenz gekoppelt, wie dies beispielsweise bei einem Schwingkreis der Fall ist.

Es ist ein schematisch angedeuteter erster Energiespeicherkondensator 3 und ein zweiter, in Serie geschalteter Energiespeicherkondensator 3‘ vorgesehen, wobei der frequenzabhängige Widerstand 4 in Serie zwischen dem ersten Energiespeicherkondensator 3 und dem zweiten Energiespeicherkondensator 3‘ angeordnet ist. 11. Die beiden Energiespeicherkondensatoren 3, 3‘ sind auf einer Leiterplatte 6 angeordnet, und der frequenzabhängige Widerstand 4 ist auf der Unterseite dieser Leiterplatte 6 angeordnet.

Fig. 1c zeigt ein Detail aus Fig. 1b, nämlich die Formgebung des frequenzabhängigen Widerstands 4. Der frequenzabhängige Widerstand 4 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Längserstreckung L und einem Durchmesser D auf. Der Durchmesser D variiert entlang der Längserstreckung L um einen Mittelwert Do +/- AD periodisch, wobei Do etwa 10mm und AD etwa 1mm ist.

Ein nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Prüfstand für ein Fahrzeug mit einem Netzumrichter 7, eine erfindungsgemäßen Umrichteranordnung und einer durch die erzeugte Wechselspannung angetriebenen elektrischen Maschine.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.

Hierin verwendete Begriffe wie Umrichter, Netzumrichter oder Maschinenumrichter sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Unter einem erfindungsgemäßen Umrichter, sei es nun ein Maschinenumrichter oder ein Netzumrichter, kann jede gesteuerte elektrische und/oder elektronische Schaltung verstanden werden, die eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung oder Wechselspannung umwandelt, oder eine Wechselspannung in eine andere Wechselspannung oder Gleichspannung umwandelt. Bei einer derartigen Schaltung kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um einen Direktumrichter, einen Matrixumrichter, einen Wechselspannungswandler, einen Gleichspannungswandler, einen geschalteten Brückenwechselrichter, einen geschalteten Brückengleichrichter oder dergleichen handeln. Die konkrete schaltungstechnische Realisierung des Umrichters ist nicht wesentlich. Erfindungsgemäß vorgesehene Umrichter können auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 100 kW bei einer Gleichspannung von 850 V bzw. 300 kVA Wechselstromleistung. Bezugszeichenliste

1 Gleichspannungszwischenkreis

2 Maschinenumrichter

3, 3‘ Energiespeicherkondensator

4 Widerstand

5, 5‘ Zwischenkreiskondensator

6 Leiterplatte

7 Netzumrichter