AT524166A1

AT524166A1 - Converter comprising an intermediate circuit

Info

Publication number: AT524166A1
Application number: ATA50763/2020A
Authority: AT
Original assignee: Ait Austrian Inst Tech Gmbh
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umrichter umfassend einen Zwischenkreis mit zwei in Serie geschalteten Gleichspannungsquellen (U1, U2), wobei der Zwischenkreis einen positiven, einen negativen (U+, U-) und einen Mittenanschluss (M) aufweist, umfassend - einen positiven Zweig zwischen dem positiven Anschluss (U+) und dem Ausgang (A) des Umrichters, in dem zwei elektronische Schalteinheiten Spp+, Spp in Serie angeordnet sind, - einen negativen Zweig zwischen dem negativen Anschluss (U-) und dem Ausgang (A) des Umrichters, in dem zwei elektronische Schalteinheiten Snn-, Snn in Serie angeordnet sind, und - einen mittleren Zweig zwischen dem Mittenanschluss (M) und dem Ausgang (A) des Umrichters, in dem zwei elektronische Schalteinheiten Snp, Spn in Serie, insbesondere mit umgekehrter Sperr-Stromflussrichtung zueinander, angeordnet sind, wobei die einzelnen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) nach einer Leit- Stromflussrichtung leitend sind und nach der anderen Sperr-Stromflussrichtung ansteuerbar sind, sodass sie entsprechend dem bei ihnen anliegenden Ansteuerungssignal (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+) durchlässig oder bis zu einer vorgegebenen maximalen Sperrspannung nicht durchlässig sind, wobei - der Umrichter einen Signalgenerator aufweist, der an die einzelnen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) angeschlossen ist und der dazu ausgebildet ist, Ansteuerungssignale an die einzelnen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) abzugeben, - der Umrichter einen PWM-Generator aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuerungssignal zu erstellen, das dem Betrag eines vorgegebenen Spannungsverlaufs entspricht, - der Umrichter dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass die vorgegebene Spannung positiv ist, durch Abgabe eines diesbezüglichen Ansteuerungssignals über den Signalgenerator: - die Schalteinheiten Spp+ und Snp auf durchlässig zu schalten, - die Schalteinheit Snn auf nicht durchlässig zu schalten, - die Schalteinheit Spp mit dem Ansteuerungssignal anzusteuern, - die Schalteinheit Spn mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern, - die Schalteinheit Snn- mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern oder während der gesamten Dauer, in der die vorgegebene Spannung positiv ist, auf nicht durchlässig zu schalten, und - der Umrichter dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass die vorgegebene Spannung negativ ist, durch Abgabe eines diesbezüglichen Ansteuerungssignals über den Signalgenerator: - die Schalteinheiten Snn- und Spn auf durchlässig zu schalten, - die Schalteinheit Spp auf nicht durchlässig zu schalten, - die Schalteinheit Snn mit dem Ansteuerungssignal anzusteuern, - die Schalteinheit Snp mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern, - die Schalteinheit Spp+ mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern, oder während der gesamten Dauer, in der die vorgegebene Spannung negativ ist, auf nicht durchlässig zu schalten.The invention relates to a converter comprising an intermediate circuit with two DC voltage sources (U1, U2) connected in series, the intermediate circuit having a positive, a negative (U+, U-) and a middle connection (M), comprising - a positive branch between the positive Connection (U+) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Spp+, Spp are arranged in series, - a negative branch between the negative connection (U-) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Snn, Snn are arranged in series, and - a middle branch between the middle connection (M) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Snp, Spn in series, in particular with reversed blocking current flow direction to each other, are arranged, with the individual switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) being conductive after a conducting current flow direction and after the other blocking current flow ric tion can be controlled so that they are permeable or not permeable up to a predetermined maximum blocking voltage according to the control signal applied to them (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+), where - the converter has a signal generator which is connected to the individual switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) is connected and which is designed to emit control signals to the individual switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+), - the converter has a PWM Has a generator that is designed to create a pulse-width-modulated control signal that corresponds to the magnitude of a specified voltage curve, - the converter is designed to, in the event that the specified voltage is positive, by delivering a relevant control signal via the signal generator: - to switch the switching units Spp+ and Snp to permeable, - to switch the switching unit Snn to non-permeable, - the switching elements nunit Spp with the drive signal, - drive the switching unit Spn with the inverse of the drive signal, - drive the switching unit Snn- with the inverse of the drive signal or switch to non-conducting during the entire period in which the specified voltage is positive, and - if the specified voltage is negative, the converter is designed to: - switch the switching units Snn and Spn to conducting, - switch the switching unit Spp to non-conducting, - by emitting a relevant control signal via the signal generator to drive the switching unit Snn with the drive signal, - to drive the switching unit Snp with the inverse of the drive signal, - to drive the switching unit Spp+ with the inverse of the drive signal, or to switch to non-conducting during the entire period in which the specified voltage is negative.

Description

Aus dem Stand der Technik sind Umrichter nach der konventionellen T-Typ-Topologie bekannt, die typischerweise aus vier aktiven Komponenten besteht, wie beispielsweise Silizium IGBT, SiI-MOSFET, SiC-MOSFET oder GaN-Transistoren. Converters based on the conventional T-type topology are known from the prior art, which typically consists of four active components, such as silicon IGBT, SiI-MOSFET, SiC-MOSFET or GaN transistors.

In Fig. 1 ist ein bekannter Umrichter nach der T-Typ-Topologie näher dargestellt. Ein Umrichter dieser Topologie weist eine Zwischenkreisspannungsquelle mit Mittenanschluss M auf, wobei drei Schaltzweige vorgesehen sind, die zu einem gemeinsamen Ausgang führen. Die Schaltzweige umfassen jeweils Schalter, die mit modulierten Signalen angesteuert werden, sodass sich am Ausgang ein Ausgangssignal ergibt, das nach Filterung bzw Gilättung einem vorgegebenen Spannungsverlauf entspricht. In Fig. 1, a known converter according to the T-type topology is shown in more detail. A converter of this topology has an intermediate circuit voltage source with a center connection M, with three switching branches being provided which lead to a common output. The switching branches each include switches that are controlled with modulated signals, so that an output signal results at the output that corresponds to a predetermined voltage profile after filtering or smoothing.

Aufgrund seiner Vorteile wie zum Beispiel der relativ geringen Komplexität und einfachen Regelung im Vergleich zu vergleichbaren kompetitiven Topologien wie z.B. der FlyingCapacitor Topologie, ist der T-Typ-Umrichter eine Schaltung die industriell breite Anwendung findet. Due to its advantages, such as relatively low complexity and simple control compared to comparable competitive topologies such as the flying-capacitor topology, the T-type converter is a circuit that is widely used industrially.

Diese Topologie hat allerdings einen wesentlichen Nachteil und zwar, dass aufgrund der Schalteranordnung nicht alle Schalter mit der gleichen Zwischenkreisspannung pulsweitenmoduliertes belastet sind. Dies führt dazu, dass bei einer Zwischenkreisspannung Vpc von beispielsweise 800 V die äußeren Schalter mit maximal 800 V, die inneren Schalter mit der halben Zwischenkreisspannung Vpc,p, Vocn, also 400 V, belastet werden. Dadurch werden für Anwendungen mit einer Zwischenkreisspannung However, this topology has a significant disadvantage, namely that, due to the switch arrangement, not all switches are loaded with the same pulse width modulated intermediate circuit voltage. This means that with an intermediate circuit voltage Vpc of 800 V, for example, the outer switches are loaded with a maximum of 800 V and the inner switches with half the intermediate circuit voltage Vpc,p, Vocn, ie 400 V. This means that for applications with an intermediate circuit voltage

von 800 V Schalter mit einer Blockierspannung von 900 V oder mehr benötigt. of 800 V Switches with a blocking voltage of 900 V or more are required.

Aufgrund der aktuell am Markt verfügbaren Halbleiterbauelemente kann eine solche TTyp-Topologie mit IGBT, SI-MOSFET, SiC-MOSFET umgesetzt werden, nicht jedoch mit GaN-Transistoren. Dies liegt daran, dass derzeit solche Halbleiterbauelemente nur bis zu einer Sperrspannung von 650 V verfügbar sind. Eine konventionelle T-Typ-Topologie ausgestattet mit 650 V GaN Transistoren kann also nur für eine Gesamtzwischenkreisspannung Vpoc von bis zu zirka 550 V realisiert werden. Das vorliegende Problem besteht jedoch auch für die anderen Typen von Transistoren, zB Due to the semiconductor components currently available on the market, such a T-type topology can be implemented with IGBT, SI-MOSFET, SiC-MOSFET, but not with GaN transistors. This is because such semiconductor components are currently only available up to a blocking voltage of 650 V. A conventional T-type topology equipped with 650 V GaN transistors can therefore only be implemented for a total intermediate circuit voltage Vpoc of up to around 550 V. However, the present problem also exists for the other types of transistors, e.g

Möchte man also GaN-Transistoren in die T-Typ-Topologie für Zwischenkreisspannungen Voc mit zum Beispiel 800 V einbringen, funktioniert dies nur bei Verwendung bidirektionaler Schalter im horizontalen Pfad oder über eine Serienschaltung von mehreren Transistoren. Beim klassischen Modulationsverfahren bei identischer Ansteuerung beider in Serie geschalteten Transistoren tragen allerdings auch beide GaNTransistoren für die Bildung der Schaltfrequenz der Verlustanteile bei. So if you want to integrate GaN transistors into the T-type topology for intermediate circuit voltages Voc with, for example, 800 V, this only works when using bidirectional switches in the horizontal path or via a series connection of several transistors. In the classic modulation method with identical control of both series-connected transistors, however, both GaN transistors also contribute to the formation of the switching frequency of the loss components.

Die Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe, die hier dargestellten Probleme zu lösen und eine effiziente Ansteuerung einer T-Typ-Topologie auch dann zu ermöglichen, wenn einzelne Zweige aufgrund einer zu geringen Blockierspannung mit mehreren Transistoren The object of the invention is therefore to solve the problems presented here and to enable efficient control of a T-type topology even when individual branches are connected to a plurality of transistors because the blocking voltage is too low

ausgeführt werden. to be executed.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Umrichter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, - dass der Umrichter einen Signalgenerator aufweist, der an die einzelnen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) angeschlossen ist und der dazu ausgebildet ist, Ansteuerungssignale an die einzelnen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) abzugeben, - dass der Umrichter einen PWM-Generator aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuerungssignal zu erstellen, das dem Betrag eines vorgegebenen Spannungsverlaufs entspricht, - dass der Umrichter dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass die vorgegebene Spannung positiv ist, durch Abgabe eines diesbezüglichen Ansteuerungssignals über den Signalgenerator: die Schalteinheiten Spp+ und Snp auf durchlässig zu schalten, die Schalteinheit Snn auf nicht durchlässig zu schalten, die Schalteinheit Spp mit dem Ansteuerungssignal anzusteuern, die Schalteinheit Spn mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern, die Schalteinheit Snn- mit dem Inversen des Ansteuerungssignal anzusteuern oder während der gesamten Dauer, in der die vorgegebene Spannung positiv ist, auf nicht durchlässig zu schalten, und The invention solves this problem in a converter of the type mentioned with the characterizing features of patent claim 1. According to the invention it is provided that the converter has a signal generator which is connected to the individual switching units (Snn, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) and which is designed to emit control signals to the individual switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+), - that the converter has a PWM generator which is designed to transmit a pulse width modulated control signal create that corresponds to the magnitude of a specified voltage curve, - that the converter is designed, in the event that the specified voltage is positive, by issuing a relevant control signal via the signal generator: to switch the switching units Spp+ and Snp to conducting, the switching unit To switch Snn to non-permeable, to control the switching unit Spp with the control signal ern driving the switching unit Spn with the inverse of the driving signal, driving the switching unit Snn- with the inverse of the driving signal or switching to non-conducting during the entire period in which the predetermined voltage is positive, and

Ebenso löst die Erfindung diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 6. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, - dass ein pulsweitenmoduliertes Ansteuerungssignal erstellt wird, das dem Betrag eines vorgegebenen Spannungsverlaufs entspricht, wobei für den Fall, dass die vorgegebene Spannung positiv ist, die Schalteinheiten Spp+ und Snp auf durchlässig geschaltet wird, die Schalteinheit Snn auf nicht durchlässig geschaltet wird, die Schalteinheit Spp mit dem Ansteuerungssignal angesteuert wird, die Schalteinheit Spn mit dem Inversen des Ansteuerungssignal angesteuert wird, die Schalteinheit Snn- mit dem Inversen des Ansteuerungssignal angesteuert wird, oder während der gesamten Dauer, in der die vorgegebene Spannung positiv ist, auf nicht durchlässig geschaltet wird, und wobei für den Fall, dass die vorgegebene Spannung negativ ist, die Schalteinheiten Snn- und Spn auf durchlässig geschaltet wird, die Schalteinheit Spp auf nicht durchlässig geschaltet wird, die Schalteinheit Snn mit dem Ansteuerungssignal angesteuert wird, die Schalteinheit Snp mit dem Inversen des Ansteuerungssignal angesteuert wird, die Schalteinheit Spp+ mit dem Inversen des Ansteuerungssignal angesteuert wird, oder während der gesamten Dauer, in der die vorgegebene Spannung negativ ist, auf nicht durchlässig geschaltet wird. The invention also solves this problem in a method of the type mentioned at the outset with the characterizing features of patent claim 6. According to the invention, it is provided that a pulse-width-modulated control signal is generated that corresponds to the amount of a predetermined voltage curve, with the case that the predetermined voltage is positive, the switching units Spp+ and Snp are switched to conducting, the switching unit Snn is switched to non-conducting, the switching unit Spp is activated with the activation signal, the switching unit Spn is activated with the inverse of the activation signal, the switching unit Snn- with the inverse of the drive signal, or is switched to non-conducting during the entire period in which the predetermined voltage is positive, and wherein in the event that the predetermined voltage is negative, the switching units Snn and Spn are switched to conducting, the switching unit S pp is switched to non-conducting, the switching unit Snn is controlled with the control signal, the switching unit Snp is controlled with the inverse of the control signal, the switching unit Spp+ is controlled with the inverse of the control signal, or during the entire period in which the specified voltage is negative is switched to non-permeable.

Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Umrichterschaltung strukturell nicht Of particular advantage is that the converter circuit is not structurally

abgeändert werden braucht und lediglich die Ansteuerung der einzelnen Schalter abgeändert wird. Dadurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass der vom needs to be modified and only the control of the individual switches is modified. This can be achieved in a simple way that the dated

Insbesondere können beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Umrichters Silizium IGBT, SIi-MOSFET, SiC-MOSFET oder GaN-Transistoren verwendet werden. In particular, silicon IGBT, SIi-MOSFET, SiC-MOSFET or GaN transistors can be used in the construction of a converter according to the invention.

Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung, der einen einfachen Aufbau erlaubt, sieht vor, dass in den einzelnen Zweigen der Topologie des Umrichters lediglich ein einzelner Transistor enthalten ist. A preferred aspect of the invention, which allows a simple structure, provides that only a single transistor is contained in the individual branches of the topology of the converter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektronischen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) jeweils aus einem einzelnen Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT oder Bipolartransistor, bestehen. According to a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the electronic switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) each consist of a single transistor, in particular MOSFET or IGBT or bipolar transistor.

Zur Erhöhung der blockierten Spannung kann vorgesehen sein, dass jeder Schalter eine Serienschaltung von gleichartigen Transistoren aufweist, denen jeweils dieselbe Schaltanweisung zugeführt ist. In order to increase the blocked voltage, it can be provided that each switch has a series connection of transistors of the same type, each of which is supplied with the same switching instruction.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektronischen Schalteinheiten (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) eine Anordnung einer Vielzahl, insbesondere gleichartiger, Transistoren umfassen, According to a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the electronic switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) comprise an arrangement of a large number of transistors, in particular of the same type,

- die in Serie geschaltet sind und mit demselben Ansteuerungssignal (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+) angesteuert sind, und - connected in series and controlled with the same control signal (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+), and

- deren Sperr-Stromflussrichtungen in der Serienschaltung gleich orientiert sind. - whose blocking current flow directions are oriented in the same way in the series circuit.

Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Steuersignal entkoppelt an die einzelnen Transistoren der Schalter gelangt, sodass mehreren, demselben Schalter zugeordnete, Transistoren zwar dieselbe Schaltanweisung zukommt, die für die Übermittlung dieser Schaltanweisung erforderlichen Schaltsignale jedoch auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau basieren. Insbesondere kann zu diesem Zweck vorgesehen sein, dass der Umrichter eine Anzahl von Ausgangstreibern aufweist, wobei ein Ausgangstreiber jeweils einer Schalteinheit oder einem Transistor einer Schalteinheit zugeordnet ist und wobei die Ausgangstreiber dazu ausgebildet sind, das Ansteuerungssignal bei der jeweiligen Schalteinheit oder dem jeweiligen Transistor, spannungsmäßig entkoppelt von Provision can preferably be made for a control signal to reach the individual transistors of the switches in a decoupled manner, so that although several transistors assigned to the same switch receive the same switching instruction, the switching signals required for transmitting this switching instruction are based on a different voltage level. In particular, for this purpose it can be provided that the converter has a number of output drivers, with an output driver being assigned to a respective switching unit or a transistor of a switching unit, and the output drivers being designed to transmit the control signal in the respective switching unit or the respective transistor in terms of voltage decoupled from

den jeweils anderen Ansteuerungssignalen, zur Verfügung zu stellen. the respective other control signals.

Eine einfache schaltungstechnische Realisierung sieht vor, A simple circuit implementation provides that

- dass die Schalteinheit Snn- mit ihrem negativen Anschluss am negativen Anschluss des Zwischenkreises angeschlossen ist. - that the switching unit Snn- is connected with its negative connection to the negative connection of the intermediate circuit.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften, aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch In the following, the invention is illustrated schematically in the drawings with the aid of particularly advantageous, but non-limiting, embodiments

dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben. shown and will be described by way of example with reference to the drawings.

Im Folgenden zeigen: Show below:

Fig. 2 zeigt eine Schaltanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Umrichters. Fig. 3 zeigt eine erste Ansteuerung des in Fig. 2 dargestellten Umrichters. 2 shows a circuit arrangement of a first exemplary embodiment of a converter. FIG. 3 shows a first activation of the converter shown in FIG.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ansteuerung des in Fig. 2 dargestellten Umrichters. FIG. 4 shows an alternative control of the converter shown in FIG.

Fig. 5 zeigt eine Schaltanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Umrichters. 5 shows a circuit arrangement of a second exemplary embodiment of a converter.

In Fig. 2 ist ein Umrichter nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung näher dargestellt. Dieser Umrichter weist eine T-Typ-Topologie auf. Der Umrichter umfasst zwei in Serie geschaltete Gleichspannungsquellen U1, U2 mit einem positiven Anschluss U+, einem negativen Anschluss U- und einem Mittenanschluss UM. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die an den Gleichspannungsquellen U1, U2 anliegenden Gleichspannungen Vpce jeweils 400 V und die Gesamtzwischenkreisspannung daher 800 V. 2 shows a converter according to a first embodiment of the invention in more detail. This converter has a T-type topology. The converter includes two DC voltage sources U1, U2 connected in series with a positive connection U+, a negative connection U- and a middle connection UM. In the present exemplary embodiment, the DC voltages Vpce present at the DC voltage sources U1, U2 are each 400 V and the total intermediate circuit voltage is therefore 800 V.

Entsprechend der T-Typ-Topologie weist der Umrichter einen positiven Zweig zwischen dem positiven Anschluss U+ und dem Ausgang A des Umrichters auf. Ebenso weist der Umrichter einen negativen Zweig zwischen dem negativen Anschluss U- und dem Ausgang des Umrichters auf. Schließlich weist der Umrichter einen mittleren Zweig zwischen dem Mittenanschluss M der Gleichspannung und dem Ausgang A des Umrichters auf. According to the T-type topology, the converter has a positive branch between the positive terminal U+ and the output A of the converter. Likewise, the converter has a negative branch between the negative connection U- and the output of the converter. Finally, the converter has a middle branch between the middle connection M of the DC voltage and the output A of the converter.

Der positive Zweig des Umrichters umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei elektronische Schalteinheiten Spp+, Spp, die in Serie angeordnet sind. Im vorliegenden In the present exemplary embodiment, the positive branch of the converter comprises two electronic switching units Spp+, Spp, which are arranged in series. In the present

Der negative Zweig des Umrichters umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei elektronische Schalteinheiten Snn-, Snn, die in Serie angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird diejenige Schalteinheit, die unmittelbar am negativen Anschluss der Zwischenkreis-Gleichspannung Vpoc angeschlossen ist, mit Snn- bezeichnet. In the present exemplary embodiment, the negative branch of the converter comprises two electronic switching units Snn-, Snn, which are arranged in series. In the present exemplary embodiment, that switching unit which is connected directly to the negative connection of the intermediate circuit direct voltage Vpoc is denoted by Snn-.

Sowohl im positiven wie auch im negativen Zweig sind die einzelnen, durch Transistoren ausgebildeten, Schalteinheiten Snn, Snn-, Spp, Spp+ jeweils so angeordnet, dass diese eine an ihnen anliegende Spannung grundsätzlich sperren, solange für den jeweiligen einzelnen Transistor eine blockierte Spannung nicht überschritten ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden GaN-Transistoren verwendet, die eine Blockierspannung von 650 V aufweisen. Die Source-Kontakte der einzelnen Transistoren der Schalteinheiten sind dabei jeweils zur negativen Spannung hin ausgerichtet. Both in the positive and in the negative branch, the individual switching units Snn, Snn-, Spp, Spp+, formed by transistors, are each arranged in such a way that they generally block a voltage applied to them as long as a blocked voltage is not exceeded for the respective individual transistor is. In the present exemplary embodiment, GaN transistors are used which have a blocking voltage of 650 V. The source contacts of the individual transistors of the switching units are each aligned with the negative voltage.

Im mittleren Zweig des Umrichters sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls zwei elektronische Schalteinheiten Snp, Spn enthalten, die in Serie angeordnet sind. Anders als beim positiven und negativen Zweig des Umrichters sind die Schalteinheiten, bzw. die ihnen zugeordneten Transistoren, im Mittleren Zweig des Umrichters entgegengesetzt, dh mit entgegengesetzter Vorzugs- oder Sperrrichtung, angeordnet, sodass Im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beiden Source-Kontakte der Transistoren der Schalteinheiten Snp, Spn miteinander verbunden sind, während die beiden Drain-Kontakte der Transistoren bzw Schalteinheiten bzw Snp, Spn die Anschlüsse des mittleren Zweigs bilden. In the present exemplary embodiment, the central branch of the converter likewise contains two electronic switching units Snp, Spn, which are arranged in series. In contrast to the positive and negative branches of the converter, the switching units, or the transistors assigned to them, are arranged in opposite directions in the middle branch of the converter, ie with the opposite preferred or blocking direction, so that in the present exemplary embodiment the two source contacts of the transistors of the switching units Snp, Spn are connected to one another, while the two drain contacts of the transistors or switching units or Snp, Spn form the terminals of the middle branch.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass der mittlere Zweig spannungsfest sowohl in positiver wie auch in negativer Richtung ist. Die Spannungsfestigkeit entspricht jedoch dabei nur der einfachen blockierten Spannung des jeweiligen Transistors bzw der jeweiligen Schalteinheit. Sowohl der positive wie auch der negative Zweig sind damit bis zu einer Spannung von 1300 V spannungsfest nach der durch die T-Typ-Topologie vorgegebenen Spannungsrichtung. Entgegen dieser Spannungsrichtung besteht keine Entspannungsfestigkeit; eine solche ist jedoch aufgrund der vorliegenden Topologie auch nicht erforderlich. This measure ensures that the middle branch is voltage-resistant both in the positive and in the negative direction. However, the dielectric strength only corresponds to the simple blocked voltage of the respective transistor or the respective switching unit. Both the positive and the negative branch are voltage-proof up to a voltage of 1300 V according to the voltage direction specified by the T-type topology. Contrary to this stress direction, there is no relaxation strength; however, due to the existing topology, such is not required either.

Während die gleichgerichteten Serienschaltungen im positiven bzw. negativen Zweig zur Verdoppelung der Spannungsfestigkeit nach der entsprechenden Spannungsrichtung While the rectified series circuits in the positive or negative branch double the dielectric strength according to the corresponding voltage direction

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Source-Kontakte der Transistoren der Schalter Snp, Spn im mittleren Zweig miteinander verbunden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass zur Ansteuerung der Transistoren Steuersignale verwendet werden können, In the present exemplary embodiment, the source contacts of the transistors of the switches Snp, Spn in the middle branch are connected to one another. This has the particular advantage that control signals can be used to control the transistors,

die gegenüber dem gleichen Bezugspotenzial festgelegt sind. which are set to the same reference potential.

In Fig. 2 liegt die Ausgangsspannung zwischen dem Ausgang A des Umrichters und dem Mittelpunkt M der Zwischenkreisspannung an. Am Ausgang A des Umrichters ist eine Drossel- und Filterschaltung LO, CO, LN angeordnet, an deren Ausgang ein gefiltertes Spannungssignal UA anliegt. In FIG. 2, the output voltage is present between the output A of the converter and the midpoint M of the intermediate circuit voltage. A choke and filter circuit LO, CO, LN is arranged at the output A of the converter, at the output of which a filtered voltage signal UA is present.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ansteuerung für die in Fig. 2 dargestellte Schaltung dargestellt. Für die Ansteuerung ist ein in den Fig. nicht dargestellter Signalgenerator vorgesehen. Dem Signalgenerator kann der gewünschte Signalverlauf extern in Form eines Signals zugeführt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass im Signalgenerator ein entsprechender Signalverlauf gespeichert ist. FIG. 3 shows a preferred control for the circuit shown in FIG. A signal generator, not shown in the figures, is provided for the control. The desired signal curve can be supplied to the signal generator externally in the form of a signal. Alternatively, there is also the possibility that a corresponding signal curve is stored in the signal generator.

Der Signalgenerator ist an die einzelnen Steueranschlüsse der elektronischen Schalteinheiten angeschlossen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt der Signalgenerator die Steuerspannungen an den Gates der einzelnen Transistoren der Schalteinheiten vor. Bei dieser Vorgabe der Steuerspannungen ist stets zu beachten, dass die Steuerspannung für jeden einzelnen der Transistoren gegenüber einem The signal generator is connected to the individual control connections of the electronic switching units. In the present exemplary embodiment, the signal generator specifies the control voltages at the gates of the individual transistors of the switching units. With this specification of the control voltages, it should always be noted that the control voltage for each individual transistor compared to a

unterschiedlichen Bezugspotenzial vorzugeben ist. different reference potential is to be specified.

Ausgehend vom vorgegebenen Spannungsverlauf vy erstellt der Signalgenerator ein pulsweitenmoduliertes Ansteuerungssignal. Dieses Ansteuerungssignal entspricht dem Betrag des vorgegebenen Signalverlaufs. In Fig. 3 wird ein sinusförmiger Signalverlauf vorgegeben. The signal generator creates a pulse width modulated control signal based on the specified voltage curve vy. This control signal corresponds to the amount of the predetermined signal curve. In Fig. 3, a sinusoidal waveform is specified.

Den Symbolen der einzelnen Schaltsignale, die zur Ansteuerung der Schalteinheiten The symbols of the individual switching signals used to control the switching units

verwendet werden, ist jeweils ein „g“ vorangestellt, beispielsweise dient also das Schaltsignal gSnn der Ansteuerung der Schaltteinheit Snn, usw. are used, a "g" is put in front, for example the switching signal gSnn is used to control the switching unit Snn, etc.

Die Schalteinheit Spp wird mit dem Ansteuerungssignal, das durch Pulsweiten-Modulation des Signalverlaufs erstellt wurde, angesteuert. Dies bedeutet, dass die Schalteinheit Spp statistisch gesehen umso länger auf durchlässig geschaltet ist, je höher der Betrag des Ansteuerungssignals ist. The switching unit Spp is driven with the drive signal that was created by pulse width modulation of the signal curve. This means that, statistically speaking, the switching unit Spp is switched to conducting for longer, the higher the absolute value of the activation signal.

Die Schalteinheiten Spn und Snn- werden mit dem Ansteuerungssignal, das durch Modulation des Signalverlaufs erstellt wurde, angesteuert. Dies bedeutet, dass die Schalteinheit statistisch gesehen umso länger auf durchlässig geschaltet ist, je kleiner der Betrag des Ansteuerungssignals ist. The switching units Spn and Snn- are controlled with the control signal that was created by modulating the signal curve. This means that, viewed statistically, the switching unit is switched to conducting for longer, the smaller the absolute value of the control signal.

Entsprechend einer alternativen, in Fig. 4 dargestellten, Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, das Signal Snn- während eines Zeitraums, in dem die vorgegebene Spannung positiv ist, auch nicht durchlässig zu schalten. According to an alternative embodiment of the invention shown in FIG. 4, it is also possible to switch the signal Snn- not conductive during a period in which the predetermined voltage is positive.

Für den Fall, dass die vorgegebene Spannung entsprechend dem vorgegebenen Spannungsverlauf negativ ist, leitet die Steuereinheit den Schalteinheiten Snn- und Spn ein Ansteuerungssignal zu, das diese Schalteinheiten Snn-, Spn durchlässig schaltet. Ebenso wird in diesem Fall ein Ansteuerungssignal für die Schalteinheit Spp erzeugt, das diese auch nicht durchlässig schaltet. In the event that the specified voltage is negative according to the specified voltage profile, the control unit sends the switching units Snn- and Spn a control signal which switches these switching units Snn-, Spn on. In this case, too, a control signal is generated for the switching unit Spp, which also does not switch it on.

Die Schalteinheit Snn wird mit dem Ansteuerungssignal, das durch Modulation des Signalverlaufs erstellt wurde, angesteuert. Dies bedeutet, dass die Schalteinheit statistisch gesehen umso länger auf durchlässig geschaltet ist, je höher der Betrag des Ansteuerungssignals ist. The switching unit Snn is driven with the drive signal created by modulating the waveform. This means that, viewed statistically, the switching unit is switched to conducting for longer, the higher the absolute value of the control signal.

Die Schalteinheiten Snp und Spp+ werden mit dem Ansteuerungssignal, das durch Modulation des Signalverlaufs erstellt wurde, angesteuert. Dies bedeutet, dass die Schalteinheiten statistisch gesehen umso länger auf durchlässig geschaltet ist, je kleiner der Betrag des Ansteuerungssignals ist. The switching units Snp and Spp+ are driven with the drive signal created by modulating the waveform. This means that, statistically speaking, the switching units are switched to conducting for longer, the smaller the absolute value of the control signal.

Wendet man dieses Schaltschema bei einer Zwischenkreisspannung von 800 V an, so ergibt sich, dass an keiner der Schalteinheiten eine Spannung von mehr als 400 V anliegt. If this circuit diagram is used with an intermediate circuit voltage of 800 V, it is found that there is no voltage of more than 400 V at any of the switching units.

In den vorstehend genannten, in Fig. 3 und 4 dargestellten, Ausführungsbeispielen wurden für die beiden Schalteinheiten bzw Transistoren am positiven bzw negativen Zweig jeweils abhängig von der Position im Schaltkreis unterschiedliche Ansteuerungsschemata vorgesehen. Die Ansteuerungssignale für die Schalteinheiten Snn, Snn- im negativen Zweig des Umrichters können untereinander vertauscht sein. Ebenso können auch die für die Schalteinheiten Spp, Spp+ im positiven Zweig des Umrichters untereinander vertauscht sein, ohne dass sich hierdurch eine Änderung der erfindungsgemäß erreichten Effekte ergibt. In the above-mentioned exemplary embodiments illustrated in FIGS. 3 and 4, different control schemes were provided for the two switching units or transistors on the positive or negative branch, each depending on the position in the circuit. The control signals for the switching units Snn, Snn- in the negative branch of the converter can be interchanged. Likewise, the switching units Spp, Spp+ in the positive branch of the converter can also be interchanged with one another, without this resulting in a change in the effects achieved according to the invention.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde jeweils immer nur ein Transistor pro Schalteinheit verwendet. Eine Schalteinheit verfügt über einen Steueranschluss, im vorliegenden Fall, den Gate-Anschluss, über den festgelegt werden kann, ob die Schalteinheit Strom leitet, oder nicht leitet. Die Steuereinheit kann im nicht leitenden Zustand Spannungen nur bis zu einer bestimmten Sperrspannung halten. Wird diese Sperrspannung überschritten, wird die Steuereinheit leitend, was typischerweise auch zur Zerstörung der Steuereinheit führt. In the exemplary embodiments described above, only one transistor was ever used per switching unit. A switching unit has a control connection, in this case the gate connection, which can be used to determine whether the switching unit conducts current or not. In the non-conducting state, the control unit can only withstand voltages up to a certain blocking voltage. If this blocking voltage is exceeded, the control unit becomes conductive, which typically also leads to the destruction of the control unit.

Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 5 dargetellt, mehrere Transistoren Snn-,1, ... Snn-,4, ... pro Schalteinheit Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+ zu verwenden, um die Spannungsfestigkeit weiter zu erhöhen. In diesem Fall ist es auch möglich, eine Schalteinheit Snn-, Snn, Snap, Spn, Spp, Spp+ durch mehrere, gleich ausgerichtete, Transistoren Snn-,1, ... Snn-,4, ... auszubilden. Diese Transistoren Snn-,1, ... Snn-,4, ... erhalten dabei von der Steuereinheit jeweils denselben Steuerbefehl, dh werden synchron auf durchlässig bzw nicht durchlässig geschaltet. However, it is also possible, as illustrated in FIG. 5, to use a plurality of transistors Snn-,1, ... Snn-,4, ... per switching unit Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+ in order to to further increase the dielectric strength. In this case, it is also possible to form a switching unit Snn-, Snn, Snap, Spn, Spp, Spp+ using a plurality of transistors Snn-,1, . . . Snn-,4, . These transistors Snn-,1, . . . Snn-,4, .

Zu beachten ist auch, dass die Darstellung der gemeinsamen Ansteuerung, zB der Transistoren Spp1, ..., Spp4 der Schalteinheit Spp logisch zu verstehen ist, dh alle Transistoren gemeinsam leitfähig bzw nicht leitfähig geschaltet werden. Die einzelnen an die Transistoren zu Übermittelnden und auf den Steuerbefehlen beruhenden It should also be noted that the representation of the common activation, for example of the transistors Spp1, . The individual to be transmitted to the transistors and based on the control commands

Steuerleitungen liegen jedoch auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau liegen und je nach Anwendung voneinander spannungsmäßig bzw galvanisch entkoppelt vor. However, control lines are at different voltage levels and, depending on the application, are decoupled from one another in terms of voltage or galvanic.

Der Umrichter weist eine Anzahl von nicht dargestellten Ausgangstreibern auf, wobei ein Ausgangstreiber jeweils einer Schalteinheit oder einem Transistor einer Schalteinheit zugeordnet ist und wobei die Ausgangstreiber dazu ausgebildet sind, das Ansteuerungssignal bei der jeweiligen Schalteinheit oder dem jeweiligen Transistor, spannungsmäßig entkoppelt von den jeweils anderen Ansteuerungssignalen, zur The converter has a number of output drivers (not shown), one output driver being assigned to a switching unit or a transistor of a switching unit, and the output drivers being designed to decouple the drive signal in the respective switching unit or the respective transistor from the other drive signals in terms of voltage , to the

Verfügung zu stellen To make available

In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst jede der Schalteinheiten Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+ jeweils vier Transistoren Snn-,1, ... Snn-,4, ... die einzeln jeweils eine Spannungsfestigkeit von 10 kV aufweisen. Jede Schalteinheit hat damit eine Spannungsfestigkeit von 40 kV, sodass sich insgesamt die Möglichkeit ergibt, Spannungshübe von bis 80 kV zu schalten. Bei einer Zwischenkreisspannung von insgesamt 70 kV verfügt die vorliegende Schaltung somit In the exemplary embodiment of the invention illustrated in FIG. 5, each of the switching units Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+ comprises four transistors Snn-, 1, . . . Snn-, 4, of 10 kV. Each switching unit thus has a dielectric strength of 40 kV, so that it is possible to switch voltage swings of up to 80 kV. With an intermediate circuit voltage of 70 kV in total, the present circuit thus has

über genug Reserven, um ein Versagen der einzelnen Transistoren zu vermeiden. enough reserves to avoid failure of the individual transistors.

Claims

1. Converter comprising an intermediate circuit with two DC voltage sources (U1, U2) connected in series, the intermediate circuit having a positive, a negative (U+, U-) and a middle connection (M), comprising a positive branch between the positive connection (U+ ) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Spp+, Spp are arranged in series, a negative branch between the negative terminal (U-) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Snn- , Snn are arranged in series, and a middle branch between the middle connection (M) and the output (A) of the converter, in which two electronic switching units Snp, Spn are arranged in series, in particular with reverse blocking current flow direction to one another, the individual switching units (Snn-, Snn, Snap, Spn, Spp, Spp+) are conductive in one conducting current flow direction and can be controlled in the other blocking current flow direction, so that si e according to the control signal applied to them (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+) are transparent or not transparent up to a predetermined maximum blocking voltage, characterized in that - the converter has a signal generator which is connected to the individual switching units ( Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) is connected and is designed to emit control signals to the individual switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+), - that the converter has a PWM generator which is designed to generate a pulse-width-modulated control signal that corresponds to the amount of a specified voltage profile, - that the converter is designed to, in the event that the specified voltage is positive, by outputting a relevant control signal via the signal generator: the to switch switching units Spp+ and Snp to conducting, to switch switching unit Snn to non-conducting, to switch the switching unit to control Spp with the control signal, to control the switching unit Spn with the inverse of the control signal,

2. Converter according to claim 1, characterized in that the electronic switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) each consist of a single transistor, in particular a MOSFET or IGBT or bipolar transistor.

3. Converter according to Claim 1 or 2, characterized in that the electronic switching units (Snn-, Snn, Snp, Spn, Spp, Spp+) comprise an arrangement of a large number of transistors, in particular of the same type,

- connected in series and controlled with the same control signal (gSnn-, gSnn, gSnp, gSpn, gSpp, gSpp+), and

- whose blocking current flow directions are oriented in the same way in the series circuit.

4. The converter as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the converter has a number of output drivers, with each output driver being assigned to a switching unit or a transistor of a switching unit, and the output drivers being designed to transmit the control signal to the respective switching unit or the respective transistor, voltage-wise decoupled from

the respective other control signals.

5. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that

- that the switching unit Spp+ is connected with its positive connection to the positive connection of the intermediate circuit, and/or

- that the switching unit Snn- is connected with its negative connection to the negative connection of the intermediate circuit.