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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur verlustarmen Symmetrierung der Kondensatorspannungen bei leistungselektronischen Konvertern mit Spannungszwischenkreis wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
Im Bereich der industriellen Elektronik werden heute vielfach leistungselektronische Konverter zur effizienten Umformung elektrischer Energie eingesetzt. Als Anwendungsbeispiele seien etwa Umrichter der Drehstrom-Antriebstechnik, Versorgungseinrichtungen in der Computertechnik sowie für Telekommunikationsanlagen (z. B. Telekom-Gleichrichter, Computer-/Server-Netzteile), Speisegeräte der industriellen Prozesstechnik (z. B. elektronische Schweissgeräte oder PlasmaBeschichtungs- bzw. -Schneidanlagen) etc. genannt. Vielfach sind derartige Konverter mit Gleichspannungszwischenkreisen ausgestattet, wobei üblicherweise Elektrolytkondensatoren zur Spannungsstützung eingesetzt werden.
Mit Ausnahme des Bereiches kleiner Leistung werden derartige Geräte meist an das öffentliche 400V-Dreiphasennetz angeschlossen, woraus ein Zwischenkreisspannungsniveau im Bereich von typisch 500V...800V resultiert. Weil Elektrolytkondensatoren aber derzeit aus technologischen Gründen auf Nennspannungen kleiner als etwa 500V limitiert sind, sind im Zwischenkreis meist zwei Kondensatoren bzw. Kondensatorgruppen in Serie geschaltet.
Wegen ihres, auf elektro-chemischen Vorgängen basierenden Grundprinzips weisen Elektrolytkondensatoren leider einen nicht unerheblichen, stark von den jeweiligen Alterungs-, Temperatur- bzw. Betriebsbedingungen abhängigen Leckstrom auf. Ohne entsprechende Vorkehrungsmassnahmen ist es deshalb keineswegs gewährleistet, dass sich - auch bei einer Serienschaltung von zwei typengleichen Kondensatoren - die gesamte eingeprägte Zwischenkreisspannung gleichmässig auf beide Bauteile aufteilt. Es bestünde vielmehr die Gefahr, dass ein Kondensator spannungsmässig nicht ausgenützt, der zweite aber überlastet wird, wobei es im Extremfall dadurch sogar zu einer Explosion des Bauteils kommen kann.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik schreiben die Hersteller deshalb stets vor, bei Serienschaltung den Elektrolytkondensatoren ohmsche Widerständen zur Spannungssymmetrierung parallelzuschalten. Die beiden gleichen ohmschen Widerstände bilden einen Spannungsteiler, der das Potential des Verbindungspunktes der beiden Kondensatoren auf halbe Zwischenkreisspannung definiert. Allerdings müssen dazu die beiden Widerstände so niedrohmig dimensioniert sein, dass der durch sie fliessende "Ruhestrom" deutlich grösser (typ. 10x so gross) als der Kondensatorleckstrom im Worst-Case-Fall ist. Daraus resultiert leider ein beträchtliche Symmetrierungsverlustleistung, die selbst dann auftritt, wenn beide Kondensatoren im Idealfall gleiche Leckströme aufweisen würden.
Der signifikante Nachteil dieser Symmetrierungsmethode ist also der, dass Verluste auftreten, die durch den Kondensator-Worst-Case bestimmt sind, die sich aber nicht merklich verringern, wenn dieser Worst-Case nicht eintritt. Diese Verhältnisse sollen durch ein Zahlenbeispiel verdeutlicht werden : Zwischenkreis eines 10kVA Pulsumrichters für einen Drehstromantrieb sei etwa mit einer Serienschaltung von zwei 10000uF/350V Kondensatoren bestückt. Der Hersteller empfiehlt gemäss Datenblatt den Kondensatoren 5kOhm-Widerstände zur Spannungssymmetrierung parallelzuschalten. Bei einer Zwischenkreisspannung von typ. 500V fliesst also durch die Widerstände ein Ruhestrom von 500V/ (2x5kOhm) 50mA, woraus permanen- te Verluste von 25W resultieren.
Unter Voraussetzung, dass der Umrichter dauernd an Netzspannung liegt (was im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik oft der Fall ist) bedeutet dies einen jährlichen zusätzlichen Energieverbrauch von fast 220kWh allein zur Symmetrierung des Zwischenkreises !
Zur Vermeidung dieser Zusatzverluste wurde in AT 406 432 B, EP 1 107 438 A2 sowie WO 01/97368 vorgeschlagen, die Zwischenkreiskondensatoren über eine spezielle Ausgestaltung des Hilfsenergie-Schaltnetzteiles (welches im Umrichter zur Versorgung der Regelungs- und Steuerungselektronik ohnehin benötigt wird) zu symmetrieren. Nachteilig an diesem Konzept ist allerdings, dass die Symmetriereinrichtung damit keine eigenständige, völlig autarke Einheit mehr darstellt. Es besteht die Gefahr, dass die Symmetrierungwirkung nicht in allen Betriebszuständen garantiert werden kann (z.
B. etwa dann, wenn der zur Symmetrierung benötigte Energiefluss grösser ist, als die Ausgangsleistung des Hilfsenergie-Schaltnetzteiles bzw. auch beim Hochlauf des Schaltnetzteils). Die erläuterten getakteten Schaltungen zeigen deshalb nicht die Robustheit einer passiven Symmetrierung mit ohmschem Spannungsteiler und werden in der Praxis deshalb nur zögerlich eingesetzt.
Eine einfache, robuste aber verlustarme Alternative zur konventionellen Widerstands-
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Symmetrierung ist in US 4 686 619 A beschrieben. Die Spannungssymmetrierung erfolgt dabei über einen ohmschen Widerstand in Verbindung mit einem als 1:1-Spartrafo realisierten induktiven Spannungsteiler. Diese Schaltung ist allerdings nur dann anwendbar, wenn der Zwischenkreis aus dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz gespeist ist (also nicht bei Gleichstromspeisung). Nachteilig ist hier auch, dass selbst im Fall vollständiger Spannungssymmetrie Restverluste im Symmetrierwiderstand verbleiben (hervorgerufen durch eine Wechselstromkomponente dreifacher Netzfrequenz).
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine autarke, hilfsenergiefreie und nur am Zwischenkreis selbst angeschlossene Anordnung zu schaffen, mit welcher die Symmetrierung der Spannung an den Kondensatoren mit vergleichbarer Robustheit wie bei einer Symmetriereung mittels ohmschem Spannungsteiler, aber unter weitgehender Vermeidung von Zusatzverlusten erreicht werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Steuerverfahren für die erfindungsgemässe Schaltung werden durch die Unteransprüche 2 bis 5 beschrieben.
Grundidee der Erfindung ist es, den das Potential am Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren definierenden Spannungsteiler von den eigentlichen Leckströmen der Kondensatoren durch Zwischenschaltung eines Transistor-Impedanzwandlers zu "entkoppeln". Dadurch können die Widerstandswerte des Spannungsteilers wesentlich höher gewählt werden, was die auftretenden Verluste durch den Querstrom des Spannungsteilers signifikant reduziert. Die nun im Impedanzwandler auftretenden Verluste sind nurmehr durch die tatsächlichen Leckströme der Kondensatoren bestimmt und nicht mehr durch deren Worst-Case Kennwerte.
Die Erfindung wird in Form vorteilhafter Realisierungsvarianten anhand von Fig. 1 bis Fig.5 näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 : Passive Symmetrierung der Kondensatorspannungen eines SpannungszwischenkreisUmrichters nach dem derzeitigen Stand der Technik mittels paralellgeschalteter Widerstände (a) sowie Grundstruktur der erfindungsgemässen Anordnung zur aktiven Symmetrierung basierend auf einem Impedanzwandler aus zwei komplementären Bipolar-Transistoren (b).
Fig.2 : Ausführungsvariante einer aktiven Symmetrierung unter Verwendung von MOSTransistoren.
Fig.3 : Ausführungsvariante wie Fig. 2, jedoch mit getrennten Spannungsteilern.
Fig.4 : Ausführungsvariante mit Begrenzung des Symmetrierungsstromes.
Fig.5: Ausführungsvariante unter Verwendung einer Ketten- (Kaskode-) Schaltung von Niederspannungstransistoren.
In Fig.1a ist die derzeit von den Herstellern empfohlene Methode zur Symmetrierung der Teilspannungen einer Serienschaltung von zwei Elektrolytkondensatoren gezeichnet, bei welcher parallel zu jedem Kondensator ein ohmscher Widerstand geschaltet ist. Die beiden üblicherweise gleichen Widerstände bilden einen Spannungsteiler welcher, unter Voraussetzung dass sein Querstrom wesentlich grösser ist wie die Kondensator-Leckströme, für eine gleichmässige Aufteilung der gesamten Zwischenkreisspannung auf beide Kondensatoren erfolgt.
Gemäss Fig.1b ist die Grundstruktur der erfindungsgemässen Vorrichtung (1) ebenfalls autark, d. h. unabhängig von externen Energieversorgungs- oder Steuerungseinrichtungen, sondern ausschliesslich über drei Anschlüsse mit der positiven Zwischenkreisschiene (2), der negativen Zwischenkreisschiene (3) und dem gemeinsamen Mittelpunkt (4) der Zwischenkreiskondensatoren verbunden. Die Vorrichtung (1) beinhaltet einen aus zwei Widerständen (5), (6) gebildeten hochohmigen Spannungsteiler. Der gemeinsame Punkt (7) der Widerstände (5), (6) ist mit den Basisanschlüssen von zwei komplementären Transistoren (8), (9) verbunden, wobei der Kollekteranschluss des NPN-Transistors (8) an den positiven Zwischenkreispunkt (2), der Kollektoranschluss des PNPTransistors (9) jedoch an den negativen Zwischenkreispunkt (3) geschaltet ist.
Die beiden Emitteranschlüsse der Transistoren (8), (9) sind an den gemeinsamen Mittelpunkt (4) der Zwischenkreiskondensatoren geschaltet. Mit der beschriebenen Anordnung treten die Leckströme der beiden Elektrolytkondensatoren im Spannungsteiler (5), (6) nurmehr um die Stromverstärkung der Transistoren reduziert als Belastung des Spannungsteilers auf. Dieser kann somit wesentlich hochohmiger als bei der rein passiven Lösung nach Fig.1 a dimensioniert werden, wodurch die dissipativen Verluste vorteilhafterweise deutlich reduziert werden.
Die benötigten komplementären Transistoren (8), (9) müssen eine zulässige Betriebsspannung
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von mindestens halber Zwischenkreisspannung aufweisen. Berücksichtigt man Überspannungen im Störfall bzw. entsprechende Spannungsreserven um einen langlebigen, zuverlässigen Dauerbetrieb garantieren zu können, sind sogar Halbleiterbauelemente mit einer Sperrspannung in Höhe der gesamten Zwischenkreisspannung gefordert. Leider weisen konventionelle Bipolartransistoren im geforderten Spannungsbereich von bis zu 500V und mehr technologisch bedingt eine nur äusserst geringe Stromverstärkung (etwa 20...40) auf, wodurch sich die Attraktivität der erfindungsgemässen Schaltung nach Fig.1 b merklich reduziert.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles können die Transistoren (8), (9) deshalb, wie in Fig.2 dargestellt, vorteilhaft auch als komplementäre MOSTransistoren (MOSFETs) ausgeführt werden. Der im Vergleich zum Basistrom von Hochspannungs-Bipolartransistoren deutlich geringere Gate-Strom von MOSFETs erlaubt eine wesentlich leistungssparendere Dimensionierung der Spannungsteilerwiderstände (5),(6).
MOSFETs weisen allerdings wiederum eine deutlich höhere Schwellspannung als Bipolartransistoren auf (z. B. ca. 4V im Vergleich zu etwa 0. 7V). Da die Schwellspannung der Transistoren (8), (9) aber die erreichbare Genauigkeit der Spannungssymmetrierung beeinflusst, kann es von Vorteil sein, wie in Fig.3 dargestellt, anstelle eines gemeinsamen Spannungsteilers (gebildet aus den Widerständen (5),(6)) jedem Transistor (8) bzw. (9) einen eigenen Spannungsteiler (5), (6) bzw.
(5'),(6') zuzuordnen und bei der Dimensionierung die Transistor-Schwellspannungen miteinzubeziehen. Dabei ist es auch vorteilhaft, die Transistoren durch Trenn-Dioden (10),(11) bzw. GateSource-Klemmdioden (10a),(11a) vor Überspannungen und Inversstrom zu schützen.
Zum Schutz der Schaltung ist es weiters vorteilhaft, diese auch mit einer Strombegrenzung auszustatten, sodass im Störungsfall die Verlustleistung der Transistoren (8), (9) auf zulässige Werte begrenzt bleibt. Dazu kann die Grundschaltung, wie in Fig. 4 gezeigt, so erweitert werden, dass in die Emitteranschlüsse der Transistoren (8),(9) Strommesswiderstände (12), (13) eingefügt werden. Mit den strom proportionalen Spannungsabfällen werden komplementäre Regeltransistoren (14), (15) angesteuert, welche im Überstromfall die Basisströme der Transistoren zurücknehmen, sodass der in den Mittelpunkt (4) der Kondensator-Serienschaltung abgegebene bzw. daraus aufgenommene Strom limitiert bleibt.
Im Bereich höherer Spannungen sind allerdings auch dem Einsatz von MOSFETs Grenzen gesetzt, weil MOSFETs in p-Kanal Bauform nicht bzw. nur sehr eingeschränkt für hohe Sperrspannung zur Verfügung stehen. In diesem Falle ist die in Fig.5 gezeigte Ausführung der Transistoren (8), (9) als Ketten- (Kaskode-) Schaltung von mehreren Transistoren mit niedriger Spannungsfestigkeit vorteilhaft. Dies insbesondere auch deshalb, weil Niederspannungstransistoren üblicherweise eine wesentlich höhere Stromverstärkung aufweisen (typ. z. B. bis zu 400 und mehr) und so der Einsatz von zwar mehreren, doch extrem kostengünstigen Allzwecktransistoren möglich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Ersatz von rein passiven ohmschen Widerständen zur Symmetrierung der
Kondensatorteilspannungen einer Serienschaltung von zwei Elektrolytkondensatoren bzw. zwei Gruppen von derartigen Kondensatoren dadurch gekennzeichnet, dass vom positi- ven Anschluss (2) zum negativen Anschluss (3) der Kondensator-Serienschaltung ein aus zwei ohmschen Widerständen (5),(6) gebildeter Spannungsteiler geschaltet ist und der gemeinsame Schaltungspunkt (7) der Widerstände (5),(6) mit den Basisanschlüssen eines
NPN-Transistors (8) sowie eines PNP-Transistors (9) verbunden ist und der Kollektor- anschluss des Transistors (8) an den positiven Anschluss (2), der Kollektoranschluss des
Transistors (9) aber an den negativen Anschluss (3) der Kondensator-Serienschaltung ge- schaltet ist, während die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren (8), (9)
verbunden und an den gemeinsamen Mittelpunkt (4) der Kondensator-Serienschaltung geschaltet sind.