(57)【要約】本発明はコンバータ、殊に直流電圧−交流電圧コンバータに関する。これは、電荷蓄積器を有している電圧中間回路に接続されている。コンバータはハーフブリッジ回路またはブリッジ回路を含んでいる。これら回路はケーシングに配置されているモジュールを形成している。電荷蓄積器は複数の中間回路コンデンサに分割されており、そのうちの１つ、複数個またはすべてが同様に、モジュールの集積されている構成部分である。
2004516781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積器を有している電圧中間回路に接続されているコンバータであって、
コンバータはハーフブリッジ回路またはブリッジ回路を含んでおりかつ該ハーフブリッジ回路またはブリッジ回路はケーシング内に配置されているモジュールの構成部分である
形式のものにおいて、
前記電荷蓄積器は複数の中間回路コンデンサ（ＣＺＫ，ＣＺＫ１，ＣＺＫ２，ＣＺＫ，ｅｘｔｅｒｎ）を有しており、該コンデンサのうち１つ、複数個またはすべてが、前記モジュール（Ｍ）の同様に集積された構成部分である
ことを特徴とするコンバータ。
【請求項２】
ハーフブリッジ回路は１つまたは複数のハイサイド・スイッチ（Ｔ１）および１つまたは複数のローサイド・スイッチ（Ｔ２）を有している請求項１記載のコンバータ。
【請求項３】
コンバータは、３つのハーフブリッジを備えた３相コンバータであり、該ハーフブリッジすべては唯一のモジュールの構成部分である
請求項１記載のコンバータ。
【請求項４】
それぞれのハイサイド・スイッチおよびそれぞれのローサイド・スイッチはこれらに並列接続されている逆ダイオード（Ｄ１，Ｄ２）を備えている
請求項２または３記載のコンバータ。
【請求項５】
それぞれの逆ダイオードにコンデンサ（ＣＨＳ，ＣＬＳ）が並列に接続されている
請求項４記載のコンバータ。
【請求項６】
モジュールはハーフブリッジ全体にわたって延在しておりかつ該ハーフブリッジに並列に配置されている中間回路コンデンサ（ＣＺＫ，ＣＺＫ１）を有している
請求項４または５記載のコンバータ。
【請求項７】
中間回路コンデンサ（ＣＺＫ１）に並列に第２の中間回路コンデンサ（ＣＺＫ２）が配置されている
請求項６記載のコンバータ。
【請求項８】
２つの中間回路コンデンサ（ＣＺＫ１，ＣＺＫ２）は異なっている容量を有している
請求項７記載のコンバータ。
【請求項９】
複数のハーフブリッジモジュールを有しており、該ハーフブリッジモジュールは低インダクタンスのブスバーを介して相互に接続されている請求項１から８までのいずれか１項記載のコンバータ。
【請求項１０】
ハーフブリッジモジュールの、中間回路に対する接続は従来の接続線路または母線を介して行われる
請求項９記載のコンバータ。
【請求項１１】
接続線路のインダクタンスはフィルタインダクタンスとして用いられる
請求項１０記載のコンバータ。
【請求項１２】
ハーフブリッジモジュールは低インダクタンスのブスバーを介して外部の中間回路コンデンサ（ＣＺＫ，ｅｘｔｅｒｎ）に接続されている請求項９から１１までのいずれか１項記載のコンバータ。
【請求項１３】
複数のハーフブリッジを有しており、該ハーフブリッジはすべて、唯一のモジュールの構成部分である
請求項１から８までのいずれか１項記載のコンバータ。
【請求項１４】
モジュールは母線を介して中間回路に接続されている
請求項１３記載のコンバータ。
【請求項１５】
母線のインダクタンスは同時に、出力側フィルタのインダクタンスとして用いられる
請求項１４記載のコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載のコンバータに関する。その際これは有利には直流電圧−交流電圧コンバータである。
【０００２】
従来の技術
コンバータ技術において、電圧中間回路を有する中間回路コンバータを使用することは既に公知である。その際電圧中間回路は、例えば自動車の搭載電源バッテリーを含んでいる直流電圧網によっても形成することができる。電圧中間回路は更に中間回路コンデンサを有しており、これを使用してパルス電流が生成されるないし電流の交流成分が引き受けられる。この形式のパルス電流はコンバータブリッジがタイミング制御される都度発生する。コンバータブリッジは２段のスタチック・パワー・コンバータでは、出力側を交番的に正の中間回路電位または負の中間回路電位に接続する１つまたは複数のハーフブリッジから成っている。この目的のために、ハーフブリッジは正の中間回路電位への接続に対するハイサイド・スイッチおよび負の中間回路電位への接続に対する１つまたは複数のローサイド・スイッチとを有している。ハイサイド・スイッチおよびローサイド・スイッチは一緒にハーフブリッジを形成している。
【０００３】
コンパクトな構成を実現するために、ハーフブリッジの２つのスイッチを１つのケーシング、所謂モジュールにまとめることが既に公知である。３相コンバータの３つのハーフブリッジすべてを１つのモジュールにまとめることも既に公知である。
【０００４】
この形式のコンバータでは中間回路コンデンサとコンバータブリッジとの間の接続線路が発生する迅速な電流変化によって負荷される。ハーフブリッジのハイサイド・スイッチがスイッチオンされかつローサイド・スイッチが遮断されると、ハーフブリッジの出力側は正の中間回路電位にありかつ出力電流は中間回路から取り出される。ハーフブリッジが切り替わると、出力側は負の中間回路電位にありかつ中間回路コンデンサからコンバータブリッジに流れる中間回路電流は値零に降下するはずである。これにより生じる、大きな電流の立上がり（臨界オン電流上昇率＝ｄｉ／ｄｔ）変化率のために、中間回路コンデンサとハーフブリッジの半導体スイッチとの間の接続線路に過電圧が生じる。この過電圧は著しい値をとる可能性があり、この値に基づいて半導体スイッチを設計しなければならない。
【０００５】
半導体スイッチを絶縁耐力に関して過負荷しないようするために、スイッチング過程を緩慢化しかつこれにより、発生する電流の立上がり（臨界オン電流上昇率＝ｄｉ／ｄｔ）変化率を低減することは既に公知である。しかしこの形式の仕方では、半導体スイッチ中に著しい損失が生じる。
【０００６】
更に、中間回路コンデンサとコンバータブリッジとの間のインダクタンスをできるだけ小さく抑えようにとしてきた。この目的のために、半導体スイッチと中間回路コンデンサとの間の接続線路を低インダクタンスに実現する所謂ブスバー構造を使用することが公知である。更にこの目的のために、中間回路コンデンサを空間的にコンバータブリッジの領域に位置決めすることが既に公知である。しかしこのことはある程度までしか可能でない。というのは中間回路コンデンサ自体が大きな寸法を有しているからである。
【０００７】
ＤＥ１９７０９２９８Ｃ２号から、直流電圧中間回路インバータを有している、内燃機関用スタータシステムが公知である。これには、直流電圧−交流電圧コンバータ、短時間エネルギー蓄積器および搭載電源側の直流電圧変換器がある。これら構成要素の制御は制御装置によって行われる。制御装置はコンバータに、車両のスターターに供給すべき３相電流の振幅、位相および周波数を予め定める。直流電圧変換器に対して制御装置は電流絶対値、電流方向および電圧上昇ないし電圧下降の絶対値を予め与える。更に、制御装置は負荷制御装置に、該負荷制御装置が短時間エネルギー蓄積器からどの程度の大きさの電流を取り出すことができかつその際場合によってどの程度の電圧差を克服すべきであるのかを予め定める。スタート過程の期間中、スタータモータは短時間エネルギー蓄積器からのエネルギーが必要である。スタート過程後スタータモータはゼネレータとして動作しかつエネルギーをコンバータを介して中間回路に供給する。搭載電源側の直流電圧変換器は双方向の変換器として実現されていて、一方においてスタート過程ないしその準備のためにエネルギーを搭載電源バッテリーから中間回路にもっていくことができかつ他方においてスタータモータのゼネレータ作動の際エネルギーを中間回路から低電圧側に移送して、そこで搭載電源の負荷が給電されかつ搭載電源バッテリーが充電されるようにする。
【０００８】
発明の利点
これに対して本発明のコンバータは、中間回路の電荷蓄積器の、複数の中間回路コンデンサへの分割および該中間回路コンデンサの１つ、複数またはすべての、ハーフブリッジモジュールないしブリッジモジュールへの集積により、寄生線路インダクタンスを小さく抑えることができるという利点を有している。
【０００９】
中間回路コンデンサの１つまたは複数がモジュールに集積されかつ付加的に１つの別の外部の中間回路コンデンサが使用されると、この中間回路コンデンサの容量は従来技術のものより一層小さく設計することができる。
【００１０】
すべての中間回路コンデンサがモジュールに集積されると、別の、外部の中間回路コンデンサは省略することができる。
【００１１】
更に、本発明によって、半導体スイッチにスイッチング過程の期間に発生する過電圧を小さく抑えることができる。更に、半導体スイッチにおいて高いスイッチング速度がスイッチング損失を僅かにしておいて可能になる。というのは、スイッチング素子と中間回路容量との間のインダクタンスが空間的な接近のために低減されているからである。公知のインバータ装置において使用される、中間回路コンデンサと半導体スイッチとの間のブスバーは短縮できるかまたは完全に省略することができる。
【００１２】
有利には、ハーフブリッジ毎に、ハーフブリッジ全体に対して並列に延在している２つまたは複数のコンデンサがモジュールに集積される。これにより、コンバータブリッジの妨害放射は低減される。
【００１３】
図面
本発明は図面に示されておりかつ以下の記述において詳細に説明する。その際図１には本発明の実施例によるハーフブリッジが示されており、図２には図１のハーフブリッジの簡単化されたモジュールが示されており、図３にはハーフブリッジモジュールの等価回路が示されており、図４にはコンバータに対する第１の実施例が示されており、図５にはコンバータに対する第２の実施例が示されており、図６にはコンバータに対する第３の実施例が示されており、ここでこれら図には本発明の理解のために必要な構成要素だけが示されている。
【００１４】
説明
図１には本発明の実施例によるハーフブリッジが略示されている。ハーフブリッジはケーシングに配置されているモジュールＭの形において実現されている。このモジュールＭにおいてハイサイド・スイッチＴ１，ローサイド・スイッチＴ２および逆ダイオードＤ１およびＤ２の他に、コンデンサＣＨＳ，ＣＬＳ，ＣＺＫ１およびＣＺＫ２も集積されている。コンデンサＣＨＳおよびＣＬＳはそれぞれ、逆ダイオードおよびスイッチに並列に配置されている。これらは、スイッチング過程の期間の逆ダイオードのカレントラプチャー特性（Ｓｔｒｏｍａｂｒｉｓｓｖｅｒｈａｌｔｅｎ）の不都合な作用を低減するために用いられる。その際カレントラプチャーとは電流が非常に高速に変化することを意味し、このために寄生のインダクタンスにより相応の過電圧が生じることになる。全体のハーフブリッジにそれぞれ並列に配置されており、従って中間回路電圧に直接接続されている２つの別のコンデンサＣＺＫ１およびＣＺＫ２は、中間回路に対するブロックコンデンサとして用いられる。同時にこれらは高周波の電流成分を取り除くために設けられており、このために電磁適合性（ＥＭＶ）が改善されるようにしている。更にこれら２つのコンデンサＣＺＫ１およびＣＺＫ２は、全部または部分的に従来の中間回路コンデンサの役目を引き受ける。
【００１５】
有利にはブロックコンデンサとして、異なった容量の２つまたは複数のコンデンサが並列に接続される。種々異なった容量のコンデンサは種々異なった周波数特性を有しているので、これにより高周波の電流成分の広帯域のフィルタリングが可能である。
【００１６】
結果的に図１に図示のコンデンサＣＨＳおよびＣＬＳによって、逆ないしバックワードダイオードの逆方向カレントラプチャーに基づいた過電圧の低減が実現されかつコンデンサＣＺＫ１およびＣＺＫ２によって電磁適合性の改善が実現され、その際後者のコンデンサは全体でもまたは部分的にでも従来の中間回路コンデンサの役目を引き受ける。
【００１７】
図２には、図１のハーフブリッジの簡単化されたモジュールが図示されている。その際中間回路コンデンサＣＺＫ１およびＣＺＫ２はコンデンサＣＺＫによって示される。このコンデンサに対して直列に、オーミック抵抗ＲＤが図示されている。この抵抗はコンデンサの内部抵抗ないし減衰抵抗を表している。接続線路のインダクタンスＬＺＫはコンデンサＣＺＫとともに振動回路を形成している。
【００１８】
モジュールＭにおいて必要なコンデンサＣＺＫの大きさにとって、中間回路に対する接続線路のインダクタンスおよび半導体スイッチＴ１およびＴ２における許容過電圧が重要である。
【００１９】
図３にはハーフブリッジモジュールの等価回路が示されている。この回路から、半導体モジュールが減衰された直列振動回路であることが分かる。
【００２０】
半導体スイッチにおける電圧ＵＶｅｎｔｉｌは、コンデンサ電圧ＵＣプラス減衰抵抗ＲＤにおける電圧降下ＵＲから組み合わされて成る。半導体スイッチを妨害しないようにするために、電圧ＵＶｅｎｔｉｌは制限されておりかつ前以て決められている最大値ＵＶｅｎｔｉｌ，ｍａｘを上回るのは許されない。
【００２１】
スイッチング過程の前のスタート値として、コンデンサＣＺＫには中間回路電圧ＵＺＦが加わる。インダクタンスＬＺＫを介して負荷電流ＩＬａｓｔが流れる。スイッチング過程の期間、負荷電流は一定と見なすことができる。従ってエネルギー蓄積器のスタート値は次の通りである；
【００２２】
【数１】
2004516781.tif 000003
【００２３】
半導体スイッチにおける最大許容電圧を越えることがないように保証されているコンデンサＣＺＫに対する最小容量値ＣＺＫ，ｍｉｎの計算のために、無限の高いスイッチング速度が存在していること、すなわち接続されているスイッチが負荷電流を無限に短い時間において遮断することを前提とする。しかし実際の状態ではこのスイッチイング時間は有限である。コンデンサにおける電流上昇はこのスイッチング時間によって与えられている。
【００２４】
半導体スイッチにおける電圧はスイッチング過程の前のＵＺＫからスイッチング過程後のＵＺＫ＋Ｒ＊ＩＬａｓｔに上昇する。スイッチング過程後の電圧降下は次式で表される：
【００２５】
【数２】
2004516781.tif 000004
【００２６】
スイッチング過程後の電圧上昇は次式で表される：
【００２７】
【数３】
2004516781.tif 000005
【００２８】
非周期的な限界例（０＜Ｄ＜１）までの共振振動の領域において最小の容量値ＣＺＫ，ｍｉｎは次のように計算される：
【００２９】
【数４】
2004516781.tif 000006
【００３０】
この領域における過電圧はコンデンサＣＺＫによってのみ決められるので、減衰抵抗ＲＤによっては決められない。コンデンサが僅かしか減衰されないと、インダクタンスとコンデンサとの間に振動が生じる。減衰が小さい場合、２つのスイッチング過程の共振振動が重畳されることになり、これにより一層大きな過電圧が生じる。減衰抵抗が大きい場合（Ｄ＞１；非共振時に対応している）、過電圧はオーミック電圧降下に依存している。有利な減衰係数
【００３１】
【数５】
2004516781.tif 000007
【００３２】
として、０．５の数値を挙げることができる。
【００３３】
図４にはコンバータの第１実施例が示されている。ここでは複数のハーフブリッジが設けられている。これらはそれぞれモジュールとして実現されている。モジュール相互および付加的な外部の中間回路コンデンサＣＺＫ，ｅｘｔｅｒｎとの接続は低インダクタンスのブスバーＢを介して行われる。中間回路コンデンサＣＺＫ，ｅｘｔｅｒｎの容量は従来技術に比べてモジュールに集積されているコンデンサの容量分だけ低減されている。
【００３４】
図５にはコンバータに対する第２の実施例が図示されている。この実施例でも、それぞれがモジュールとして実現されている複数のハーフブリッジが設けられている。この実施例では、ハーフブリッジモジュールに集積されているコンデンサＣＺＫないしＣＺＫ１およびＣＺＫ２の容量の合計は中間回路にとって十分であるので、付加的な外部の中間回路コンデンサを省略することができる。このことは殊に、スイッチング時点の時間的なずれがある場合に起こりうることである。ブスバーＢを介する低インダクタンスの接続はこの実施例ではハーフブリッジモジュール間にだけ設けられている。コンバータの、中間回路に対する接続は従来の接続線路または母線を介して行うことができる。線路インダクタンスは付加的にフィルタインダクタンスとして利用するかまたは共用することができる。
【００３５】
図５に示されている実施例では、ハーフブリッジモジュール間に低インダクタンスのブスバーＢが必要なだけである。ハーフブリッジモジュール間のインダクタンスはできるだけ小さくしたい。というのは、モジュールないし半導体スイッチに発生する過電圧はこのインダクタンスに直接比例しているからである。
【００３６】
図６にはコンバータに対する第３の実施例が示されている。ここではすべての部分ブリッジは唯一のモジュールの構成部分である。この解決法では、ブスバーっを設ける必要はない。というのはハーフブリッジは相互に非常に低インダクタンスに接続されているからである。モジュールの、中間回路に対する接続は母線によって行うことができる。この母線のインダクタンスは同時に、出力フィルタのインダクタンスとして利用することができる。この解決法の利点は、モジュールに対する高周波ノイズが制限された状態を維持する点にあり、このことは電磁適合性に関連して有利になる。
【００３７】
いずれにせよ本発明では、従来の中間回路コンデンサの、一層小さい容量の複数の中間回路コンデンサへの分割が行われ、これらのうちのいくつかまたはすべては、ハーフブリッジモジュールまたはブリッジモジュールの集積された構成部分である。このために、発生する過電圧は低減されうことにあり、電磁適合性は改善され、半導体スイッチにおけるスイッチング損が僅かであってスイッチング速度が高くなりしかも従来技術において設けられているブスバーは縮小されるまたは省略されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例によるハーフブリッジの略図である。
【図２】
図１のハーフブリッジの簡単化されたモジュールの略図である。
【図３】
ハーフブリッジモジュールの等価回路である。
【図４】
コンバータに対する第１の実施例の略図である。
【図５】
コンバータに対する第２の実施例の略図である。
【図６】
コンバータに対する第３の実施例の略図である。
【国際公開パンフレット】
2004516781.tif 000008
2004516781.tif 000009
2004516781.tif 000010
2004516781.tif 000011
2004516781.tif 000012
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2004516781.tif 000014
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2004516781.tif 000024
2004516781.tif 000025
2004516781.tif 000026
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516781.tif 000027
【国際調査報告】
2004516781.tif 000028
2004516781.tif 000029
2004516781.tif 000030
2004516781.tif 000031