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1. WO2020114818 - MEASURING SHUNT

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[ DE ]

Beschreibung

Messshunt

Die Erfindung betrifft einen Messshunt, insbesondere für Schaltungsanordnungen mit parallel geschalteten Halbbrücken elektronischer Schalter und Stromrichter mit derartigen Schaltungsanordnungen .

Parallelschaltungen von Halbbrücken elektronischer Schalter werden insbesondere in Stromrichtern verwendet, um eine aus reichende Stromrichterleistung zu erzielen. Bei derartigen Parallelschaltungen werden elektronische Schalter räumlich nahe benachbart angeordnet, wodurch die elektronischen Schal ter gekoppelt werden. Zur Entkoppelung der elektronischen Schalter können Induktivitäten verwendet werden, auf die aus Kostengründen jedoch häufig verzichtet wird. Messshunts wer den in Stromrichtern unter anderem zur Messung von Phasen strömen eingesetzt, beispielsweise für eine Drehzahlregelung von Motoren, die über Stromrichter angetrieben werden.

US 2008/074225 Al offenbart einen Induktor mit einem In duktorkörper. Durch den Induktorkörper verläuft ein Hohlraum zwischen zwei sich gegenüberliegenden Endoberflächen des In duktorkörpers. Durch den Hohlraum verläuft ein thermisch stabiles Widerstandselement, das einer oberen Oberfläche des Induktorkörpers zugewandt ist und oberflächenmontierbare An schlüsse aufweist.

US 2014/292458 Al offenbart eine magnetische Vorrichtung mit einem Magnetkern und einer leitenden Wicklung, die induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt ist. Die leitende Wicklung ent hält ein erstes Anschlusssegment, ein zweites Anschlussseg ment und ein induktives Segment, das elektrisch in Reihe zwi schen die Anschlusssegmente geschaltet ist. Das erste An schlusssegment umfasst ein Stromerfassungselement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messshunt an zugeben, der insbesondere für Schaltungsanordnungen mit pa rallel geschalteten Halbbrücken elektronischer Schalter und Stromrichter mit derartigen Schaltungsanordnungen verbessert ist .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Messshunt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und einen Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erfindungsgemäßer Messshunt umfasst ein Widerstandsele ment mit zwei Hauptkontakten und einem zwischen den Hauptkon takten verlaufenden Mittelabschnitt zur Leitung eines

elektrischen Stroms zwischen den beiden Hauptkontakten durch den Mittelabschnitt. Ferner weist der Messshunt einen magne tischen Kern auf, der ringartig um den Mittelabschnitt des Widerstandselements verläuft.

Der um das Widerstandselement verlaufende magnetische Kern verleiht dem Messshunt eine Induktivität, die zur Entkoppe lung elektronischer Schalter in parallelgeschalteten Halbbrü cken verwendet werden kann. Ein erfindungsgemäßer Messshunt ermöglicht daher neben einer Strommessung auch die Entkopp lung elektronischer Schalter in parallelgeschalteten Halbbrü cken. Außerdem ermöglicht ein erfindungsgemäßer Messshunt durch die Filterwirkung seiner Induktivität eine Begrenzung von Unsymmetrien und Spannungssteilheiten an den Ausgängen parallelgeschalteter Halbbrücken. Dadurch wird die Funktiona lität des Messshunt vorteilhaft erhöht.

Der Messshunt weist außerdem zwei Hilfskontakte zum Abgreifen einer Messspannung auf, die zwischen zwei auf verschiedenen Seiten des magnetischen Kerns liegenden Messstellen des Wi derstandselements abfällt. Dieser Aspekt der Erfindung ermög- licht eine Verbesserung der Messgenauigkeit des Messshunt durch eine Vierleitermessung, bei der ein durch das Wider standselement fließender Strom über ein Messspannung gemessen wird, die an den Hilfskontakten abgegriffen wird.

Einer der Hilfskontakte verläuft von einer der Messstellen durch den magnetischen Kern. Dies verhindert, dass die an den Hilfskontakten abgegriffene Messspannung eine Spannung ent hält, die durch den magnetischen Kern induziert wird und das Messsignal verfälscht.

Der Mittelabschnitt des Widerstandselements ist U-förmig aus gebildet. Dadurch kann der Messshunt in einfacher Weise mit den Hauptkontakten auf einem ebenen Schaltungsträger angeord net werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der magneti sche Kern aus zwei aneinandergefügten Kernteilen besteht. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine einfache Montage des magnetischen Kerns um das Widerstandselement durch Zusammenfügen der beiden Kernteile.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der magnetische Kern von dem Widerstandselement durch einen Luft spalt beabstandet ist. Durch den Luftspalt kann vorteilhaft eine Induktivität des Messshunt beeinflusst werden.

Eine zu den beiden vorgenannten Ausgestaltungen alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der magnetische Kern um den Mittelabschnitt des Widerstandselements spritzge gossen ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine einfache serienmäßige Fertigung des Messshunt durch Spritz gießen des magnetischen Kerns.

Der magnetische Kern ist vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität, einer hohen Sätti gungsmagnetisierung und/oder geringen frequenzabhängigen mag netischen Verlusten gefertigt. Beispielsweise ist der magne- tische Kern aus Eisen oder einem ferrimagnetischen Material gefertigt. Wenn der magnetische Kern spritzgegossen wird, wird er beispielsweise aus einem Gemisch eines Trägermateri als, beispielsweise eines Kunststoffs, und eines magnetischen Materials, beispielsweise eines magnetischen Pulvers wie Ei senpulver oder eines ferrimagnetischen Pulvers, gefertigt.

Das Widerstandselement ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das einen geringen spezifischen elektrischen Wi derstand und eine geringe Temperaturabhängigkeit seines elektrischen Widerstands aufweist. Beispielsweise ist das Wi derstandselement aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung ge fertigt .

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist wenigstens zwei zueinander parallel geschaltete Halbbrücken auf, in de ren Brückenarmen jeweils wenigstens ein elektronischer Schal ter angeordnet ist, wobei in dem Brückenzweig jeder Halbbrü cke ein erfindungsgemäßer Messshunt angeordnet ist. Durch die Messshunts können einerseits die in den Brückenzweigen flie ßenden Ströme gemessen werden und andererseits werden die pa rallel geschalteten Halbbrücken entkoppelt, ohne weitere Bau elemente verwenden zu müssen. Außerdem wird durch die Filter wirkung des Messshunt eine Spannungssteilheit an dem Ausgang der Schaltungsanordnung begrenzt.

Ein erfindungsgemäßer Stromrichter weist wenigstens eine er findungsgemäße Schaltungsanordnung parallel geschalteter Halbbrücken mit elektronischen Schaltern auf. Die Vorteile eines derartigen Stromrichters ergeben sich aus den oben ge nannten Vorteilen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei- spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 eine erste perspektivische Darstellung eines Messs hunt,

FIG 2 eine zweite perspektivische Darstellung des in FIG 1 gezeigten Messshunt,

Fig 3 eine Schaltungsanordnung mit zwei zueinander paral lel geschalteten Halbbrücken elektronischer Schal ter,

FIG 4 einen Schaltplan eines Stromrichters.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ben Bezugszeichen versehen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei verschiedene perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsge mäßen Messshunt 1, wobei zur Verdeutlichung der dargestellten Perspektiven jeweils ein kartesisches Koordinatensystem mit Koordinaten X, Y, Z gezeichnet ist. Der Messshunt 1 weist ein Widerstandselement 3 und einen magnetischen Kern 5 auf.

Das Widerstandselement 3 weist zwei Hauptkontakte 7, 9, einen Mittelabschnitt 11 und zwei Hilfskontakte 13, 15 auf. Der Mittelabschnitt 11 verläuft zwischen den Hauptkontakten 7, 9. Der Mittelabschnitt 11 ist U-förmig mit zwei Schenkeln 17, 19 und einem zwischen den Schenkeln 17, 19 verlaufenden Zentral abschnitt 21 ausgebildet. Jeder Hauptkontakt 7, 9 ist von ei nem der Schenkel 17, 19 abgewinkelt, so dass die Hauptkontak te 7, 9 an einander gegenüberliegenden Seiten und voneinander weggerichtet von dem Mittelabschnitt 11 abstehen.

Der magnetische Kern 5 verläuft ringartig um den Zentralab schnitt 21 des Widerstandselements 3 und ist von dem Zentral abschnitt 21 durch einen Luftspalt 23 beabstandet. Der magne tische Kern 5 besteht aus zwei aneinandergefügten Kerntei len 25, 27, die jeweils U-förmig ausgebildet sind. Der magne tische Kern 5 hat die Form eines Quaders mit einer Öffnung, durch die der Zentralabschnitt 21 des Widerstandselements 3 verläuft .

Jeder Hilfskontakt 13, 15 verläuft von einer Messstelle 29,

31 in dem Zentralabschnitt 21 zu einem Ende des Widerstandse lements 3 in dem Bereich eines ersten Hauptkontaktes 7. Dabei sind die beiden Messstellen 29, 31 auf voneinander verschie denen Seiten des magnetischen Kerns 5 angeordnet. Ein erster Hilfskontakt 13 verläuft von einer ersten Messstelle 29 voll ständig auf einer dem ersten Hauptkontakt 7 zugewandten Seite des magnetischen Kerns 5. Der zweite Hilfskontakt 15 verläuft von der zweiten Messstelle 31, die auf einer dem zweiten Hauptkontakt 9 zugewandten Seite des magnetischen Kerns 5 liegt, durch den magnetischen Kern 5 zu der dem ersten Haupt kontakt 7 zugewandten Seite des magnetischen Kerns 5.

Die Hilfskontakte 13, 15 des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Messshunt 1 werden durch zwei Schlitze 33, 35 in dem Widerstandselement 3 erzeugt, die je weils durch einen Teilbereich des Zentralabschnitts 21 und einen ersten Schenkel 17 des Mittelabschnitts 11 zu dem Ende des Widerstandselements 3 in dem Bereich des ersten Hauptkon taktes 7 verlaufen. Die Schlitze 33, 35 trennen die beiden Hilfskontakte 13, 15 voneinander und von dem ersten Hauptkon takt 7, wobei ein erster Schlitz 33 den ersten Hilfskontakt 13 von dem ersten Hauptkontakt 7 trennt und der zweite

Schlitz 35 die beiden Hilfskontakte 13, 15 voneinander trennt .

Das Widerstandselement 3 dient der Messung eines elektrischen Stroms, der zwischen den Hauptkontakten 7, 9 durch den Mit telabschnitt 3 fließt. Der elektrische Strom wird nach dem Prinzip einer Vierleitermessung über eine zwischen den beiden Messstellen 29, 31 anliegende elektrische Messspannung gemes sen, die an den Hilfskontakten 13, 15 abgegriffen wird.

Der magnetische Kern 5 dient der Entkoppelung parallel ge schalteter elektronischer Schalter 43 wie bei der in FIG 3 gezeigten Schaltungsanordnung 37.

In alternativen Ausführungsbeispielen des Messshunt 1 können die Hilfskontakte 13, 15 in anderer Weise als in dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. Wesentlich ist dabei jedoch, dass einer der beiden Hilfskontakte 13 oder 15 parallel zu einer Fließrichtung ei nes durch das Widerstandselement 3 fließenden elektrischen Stroms durch den magnetischen Kern 5 verläuft. Ferner kann der magnetische Kern 5 in anderer Weise ausgeführt sein als in dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann der magnetische Kern 5 um den Mittelab schnitt 11 des Widerstandselements 3 spritzgegossen werden, beispielsweise aus einem Gemisch eines Trägermaterials, bei spielsweise eines Kunststoffs, und eines magnetischen Materi als, beispielsweise eines magnetischen Pulvers.

FIG 3 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 37 mit zwei zueinander parallel geschalteten Halbbrücken 39, 41, in deren Brückenar men jeweils ein elektronischer Schalter 43 angeordnet ist. In dem Brückenzweig jeder Halbbrücke 39, 41 ist ein wie in den Figuren 1 und 2 ausgebildeter Messshunt 1 angeordnet, mit dem ein in dem Brückenzweig und durch das Widerstandselement 3 des Messshunt 1 fließender elektrischer Strom II, 12 über ei ne elektrische Messspannung Ul, U2 gemessen wird, die an den Hilfskontakten 13, 15 des Messshunt 1 abgegriffen wird. Ein erster Brückenarm jeder Halbbrücke 39, 41 ist mit einem ers ten Gleichspannungsanschluss 45 der Schaltungsanordnung 37 verbunden. Der zweite Brückenarm jeder Halbbrücke 39, 41 ist mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 47 der Schaltungs anordnung 37 verbunden. Die Messhunts 1 sind ausgangsseitig mit einem Wechselspannungsanschluss 49 der Schaltungsanord nung 37 verbunden. Die elektronischen Schalter 43 sind in dem in FIG 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä ßen Schaltungsanordnung 37 Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), können in anderen Ausführungsbeispie len jedoch auch andere Halbleiterschalter sein, beispielswei se Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) .

FIG 4 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stromrichters 51. Der Stromrichter 51 weist zwei Stromrichtergleichspannungsanschlüsse 53, 55, drei

Stromrichterwechselspannungsanschlüsse 57 bis 59 und drei je weils wie in FIG 3 ausgebildete Schaltungsanordnungen 37 auf. Der erste Gleichspannungsanschluss 45 jeder Schaltungsanord nung 37 ist mit einem ersten Stromrichtergleichspannungsan schluss 53 verbunden. Der zweite Gleichspannungsanschluss 47 jeder Schaltungsanordnung 37 ist mit dem zweiten Strom richtergleichspannungsanschluss 55 verbunden. Der Wechsel spannungsanschluss 49 jeder Schaltungsanordnung 37 ist mit einem Stromrichterwechselspannungsanschluss 57 bis 59 verbun den .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.