DE10010957A1 - Three-phase converter simultaneously switches on the MOSFET and IGBT of a power switch and switches off the MOSFET with a delay relative to the IGBT - Google Patents
Three-phase converter simultaneously switches on the MOSFET and IGBT of a power switch and switches off the MOSFET with a delay relative to the IGBTInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mindestens einer elektrischen Halbbrücke, die zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter besitzt, deren elektrische Verbindung einen Ausgang des Wechselrichters darstellt, wobei die Leistungsschalter jeweils eine Parallelschaltung mindestens eines MOSFET und mindestens eines IGBT aufweisen und zu jedem Leistungsschalter ein mit einer Diode versehener Freilaufzweig parallel geschaltet ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Umrichten eines elektrischen Gleichstromsystems in ein Wechselstromsystem mittels eines Wechselrichters, der mindestens eine elektrische Halbbrücke aufweist, die zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter besitzt, wobei an deren elektrischer Verbindung eine Ausgangsspannung des Wechselrichters abgegriffen wird, wobei mindestens ein MOSFET, mindestens ein IGBT und ein Freilaufzweig parallel zueinander geschaltet werden, um einen der Leistungsschalter zu bilden.The invention relates to an inverter with at least one electrical Half bridge, which has two circuit breakers connected in series, their electrical Connection represents an output of the inverter, the circuit breaker in each case a parallel connection of at least one MOSFET and at least one IGBT have and for each circuit breaker provided with a diode Freewheeling branch is connected in parallel. The invention further relates to Method for converting a DC electrical system into a AC system using an inverter that has at least one electrical Has half bridge, which has two series circuit breakers, being on whose electrical connection is an output voltage of the inverter is tapped, with at least one MOSFET, at least one IGBT and one Freewheeling branch can be connected in parallel to one of the circuit breakers to build.
Elektronische Leistungsschalter zählen zu den wesentlichen Bestandteilen von elektronischen Leistungsstellern, die zur Speisung von elektrischen Antriebsmaschinen eingesetzt werden. Bei niedrigen Versorgungsspannungen und damit verbundenen hohen Motorströmen werden bisher hauptsächlich MOSFETs ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor") verwendet. Durch die Parallelschaltung vieler einzelner MOSFET-Chips lassen sich große Motorströme steuern. Den Vorteilen der MOSFETs, nämlich geringe Steuerleistung und hohe Schaltfrequenzen, steht allerdings als Nachteil ein relativ hoher Durchlaßwiderstand im eingeschalteten Zustand gegenüber.Electronic circuit breakers are one of the essential components of electronic power controllers used to power electrical drive machines be used. At low supply voltages and related Up to now, high motor currents have mainly been MOSFETs ("metal oxides Semiconductor Field Effect Transistor "). Through the parallel connection of many Individual MOSFET chips can control large motor currents. The benefits of MOSFETs, namely low control power and high switching frequencies however, the disadvantage of a relatively high forward resistance when switched on State opposite.
Im Hochspannungsbereich haben sich IGBTs ("Insulated-Gate Bipolar Transistor") bewährt. IGBTs verbinden die Vorteile herkömmlicher bipolarer Transistoren, nämlich geringe Durchlaßverluste, mit den niedrigen Steuerleistungen von Feldeffekttransistoren. Bei gleicher Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeit können IGBTs außerdem mit wesentlich weniger Silizium als MOSFETs realisiert werden und sind damit kostengünstiger. In the high voltage range, IGBTs ("Insulated-Gate Bipolar Transistor") proven. IGBTs combine the advantages of conventional bipolar transistors, namely low forward loss, with the low tax rates of Field effect transistors. With the same dielectric strength and current carrying capacity IGBTs can also be realized with much less silicon than MOSFETs and are therefore cheaper.
Bei niedrigen Versorgungsspannungen benötigt man, beispielsweise in einem mit IGBTs aufgebauten Leistungssteller, IGBT-Chips mit sehr geringer Durchlaßspannung, um die Durchlaßverluste ähnlich niedrig zu halten wie in einem aus MOSFETs aufgebauten Leistungssteller. Derartige IGBTs haben aber den Nachteil, daß sie eine relativ große Abschaltverzögerung besitzen und daher große Schaltverluste verursachen. In Nicht-Hochspannungsanwendungen sah man deshalb bei hohen Schaltfrequenzen oberhalb 5 kHz bisher vom Einsatz von IGBTs ab.With low supply voltages you need, for example, in one with IGBTs built power controllers, IGBT chips with very low forward voltage, to keep the conduction losses as low as in one made of MOSFETs assembled power controller. Such IGBTs have the disadvantage that they are have a relatively large switch-off delay and therefore large switching losses cause. In non-high voltage applications, therefore, one saw at high Switching frequencies above 5 kHz previously depended on the use of IGBTs.
Gegenüber MOSFETs haben IGBTs den weiteren Nachteil, daß sie beim Einsatz als elektronische Schalter in Leistungsstellern entgegen ihrer Durchschaltrichtung mit einer parallelen Diode beschaltet werden müssen, um auftretende Freilaufströme führen zu können. Bei MOSFETs ist die Beschaltung mit einer zusätzlichen Freilaufdiode nicht notwendig, da MOSFETs ohnehin strukturbedingt eine zwischen Drain und Source liegende Diode, die sogenannte Körperdiode, aufweisen, die dem stromführenden Kanal des FET parallel geschaltet ist.Compared to MOSFETs, IGBTs have the further disadvantage that they can be used as electronic switches in power controllers against their switching direction with a parallel diode must be connected to lead to freewheeling currents can. In the case of MOSFETs, an additional free-wheeling diode is not used necessary, because MOSFETs have a structure between drain and source anyway have lying diode, the so-called body diode, the current carrying Channel of the FET is connected in parallel.
Die JP-A-10-80152 befaßt sich mit einem dreiphasigen Umrichter, in dem Leistungsschalter mit einer parallelen Anordnung von IGBTs und MOSFETs vorgesehen sind. Der Siliziumbedarf für diesen Leistungsschalter kann auf diese Weise gegenüber einer Realisierung mit ausschließlich MOSFETs reduziert werden. Die IGBTs sind mit einem separaten Freilaufzweig versehen, um die Freilaufströme durch die Körperdioden der MOSFETs gering zu halten. Die MOSFETs dienen dazu, bei kleinen Strömen die Spannung möglichst niedrig zu halten. Der oben beschriebene Nachteil großer Schaltverluste bei hohen Frequenzen bleibt bei dieser Schaltung jedoch bestehen.JP-A-10-80152 is concerned with a three-phase converter in which Circuit breakers with a parallel arrangement of IGBTs and MOSFETs are provided. The silicon requirement for this circuit breaker can be met in this way compared to an implementation using only MOSFETs. The IGBTs are provided with a separate freewheeling branch to circulate the freewheeling currents to keep the body diodes of the MOSFETs low. The MOSFETs are used to small currents to keep the voltage as low as possible. The one described above The disadvantage of large switching losses at high frequencies remains with this circuit however exist.
IGBTs haben sich bisher, wie bereits erwähnt, vor allem bei Hochspannungsanwendungen durchgesetzt. So ist beispielsweise aus der EP-A- 0 502 715 eine Gleichspannungsversorgung für hohe Spannungen von ±380 V bekannt, bei der ebenfalls eine Parallelschaltung aus MOSFET und IGBT als Leistungsschalter eingesetzt wird. Die IGBTs und MOSFETs eines Leistungsschalters werden dabei gleichzeitig eingeschaltet, die MOSFETs jedoch zeitverzögert zu den IGBTs ausgeschaltet. Dadurch fließt nach dem Abschalten der IGBTs weiterhin Strom über die parallel geschalteten MOSFETs, wodurch der Spannungsabfall über den IGBTs und damit die Verlustleistung der IGBTs minimiert werden. So far, IGBTs, as already mentioned, have mainly contributed to High voltage applications prevailed. For example, from EP-A- 0 502 715 a DC voltage supply for high voltages of ± 380 V known in which also a parallel connection of MOSFET and IGBT as Circuit breaker is used. The IGBTs and MOSFETs of a circuit breaker are switched on at the same time, but the MOSFETs are delayed in time IGBTs turned off. As a result, current continues to flow after the IGBTs have been switched off via the parallel connected MOSFETs, whereby the voltage drop across the IGBTs and thus the power loss of the IGBTs can be minimized.
Bei dieser Hochspannungsapplikation erscheint es wesentlich zu sein, Freilaufströme durch die Körperdiode des MOSFETs völlig zu vermeiden. Daher ist eine Schottky- Diode in Reihe mit dem Leistungsschalter geschaltet, die in Sperrichtung einen Stromfluß durch die Körperdiode des MOSFETs verhindert. Eine zusätzlich parallel zu der Serienschaltung aus Leistungsschalter und Schottky-Diode geschaltete Freilaufdiode führt auftretende Freilaufströme.With this high-voltage application, freewheeling currents appear to be essential completely avoided by the body diode of the MOSFET. Therefore a Schottky Diode connected in series with the circuit breaker, the one in the reverse direction Current flow through the body diode of the MOSFET prevented. One in addition to parallel the series circuit of circuit breaker and Schottky diode Freewheeling diode leads to freewheeling currents.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Wechselrichter der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, daß bei relativ niedrigen Versorgungsspannungen und hohen Schaltfrequenzen eine große Stromtragfähigkeit erreicht wird.The object of the present invention is to provide an inverter of the type mentioned Art to develop so that at relatively low supply voltages and high switching frequencies a large current carrying capacity is achieved.
Diese Aufgabe wird durch einen Wechselrichter der eingangs genannten Art gelöst, bei dem sich die Körperdioden der MOSFETs in dem Freilaufzweig befinden und bei dem eine Ansteuerung für die Leistungsschalter vorgesehen ist, welche den/die IGBT und MOSFET eines Leistungsschalters gleichzeitig einschaltet und den/die MOSFET zeitverzögert zu dem/den IGBT ausschaltet.This problem is solved by an inverter of the type mentioned at the beginning which are the body diodes of the MOSFETs in the freewheeling branch and in which a control for the circuit breaker is provided, which the / the IGBT and The MOSFET of a circuit breaker switches on simultaneously and the MOSFET (s) with a time delay to the IGBT switches off.
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Umrichten eines elektrischen Gleichstromsystems in ein Wechselstromsystem mittels eines Wechselrichters gerichtet, der mindestens eine elektrische Halbbrücke aufweist, die zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter besitzt, wobei an deren elektrischer Verbindung eine Ausgangsspannung des Wechselrichters abgegriffen wird, wobei mindestens ein MOSFET, mindestens ein IGBT und ein Freilaufzweig parallel zueinander geschaltet werden, um einen der Leistungsschalter zu bilden.The invention further relates to a method for converting an electrical DC system in an AC system using an inverter directed, which has at least one electrical half-bridge, the two in series has switched circuit breakers, with a Output voltage of the inverter is tapped, with at least one MOSFET, at least one IGBT and one freewheeling branch connected in parallel to form one of the circuit breakers.
Erfindungsgemäß werden hierbei die Körperdioden der MOSFETs in den Freilaufzweig geschaltet und die IGBT und MOSFET eines Leistungsschalters gleichzeitig eingeschaltet und der/die MOSFET eines Leistungsschalters zeitverzögert zu dem/den IGBT des Leistungsschalters ausgeschaltet.According to the invention, the body diodes of the MOSFETs are in the freewheeling branch switched and the IGBT and MOSFET of a circuit breaker simultaneously switched on and the MOSFET (s) of a circuit breaker delayed to the (s) Circuit breaker IGBT switched off.
Wie eingangs erwähnt, ist es bei der Verwendung von IGBTs erforderlich, diese entgegen ihrer Durchschaltrichtung mit einer Freilaufdiode zu beschalten. Im Rahmen von umfangreichen, der Erfindung vorausgehenden Untersuchungen hat sich überraschenderweise gezeigt, daß sich die bei einem aus IGBTs aufgebauten Wechselrichter benötigten Freilaufdioden durch die Körperdioden von parallel geschalteten MOSFETs ersetzen lassen.As mentioned at the beginning, when using IGBTs, it is necessary to be connected with a freewheeling diode against their switching direction. As part of of extensive investigations preceding the invention Surprisingly it was shown that the one built from IGBTs Inverters need freewheeling diodes through the body diodes from parallel have switched MOSFETs replaced.
Bei den aus der EP-A-0 502 715 für eine Gleichstrom- und der JP-A-10-80152 für eine Wechselstromanwendung bekannten Umrichtern wird der Freilaufzweig durch eine eigene zusätzliche Diode realisiert Bisher war man der Auffassung, daß eine zu enge Kopplung von IGBTs und MOSFETs aufgrund ihrer unterschiedlichen charakteristischen Verhaltensweisen zu Problemen führt. Die unterschiedlichen Strom- Spannungs-Kennlinien der beiden Halbleiterbauelemente in Verbindung mit den deutlich voneinander abweichenden Schaltzeiten (Totzeiten, Ansprechzeiten, Abschaltverzögerungen) können bei einer unsachgemäßen Zusammenschaltung zur Zerstörung eines der Bauelemente führen. Bisher wurden deshalb die IGBTs und MOSFETs einzeln an die zu schaltenden Ströme und Spannungen angepaßt und optimiert. Insbesondere wurden die IGBTs mit einem separaten Freilaufzweig versehen, um die Freilaufströme von den MOSFETs fern zu halten.In those from EP-A-0 502 715 for a direct current and JP-A-10-80152 for a Known AC application converters is the freewheel branch by a own additional diode realized So far it was believed that a too narrow Coupling of IGBTs and MOSFETs due to their different characteristic behavior leads to problems. The different electricity Voltage characteristics of the two semiconductor components in connection with the switching times that differ significantly from one another (dead times, response times, Switch-off delays) can result in improper interconnection Destruction of one of the components. So far, the IGBTs and MOSFETs individually adapted to the currents and voltages to be switched and optimized. In particular, the IGBTs with a separate freewheel branch to keep the freewheeling currents away from the MOSFETs.
Erfindungsgemäß hat sich dagegen gezeigt, daß die Freilaufströme, beispielsweise nach dem Ausschalten des IGBT, von der Körperdiode des parallel geschalteten MOSFET übernommen werden können, obwohl sich die beiden Bauelemente hinsichtlich ihrer maximal zulässigen Spannungs- und Strombelastungen deutlich unterscheiden. Diese enge Kopplung von IGBT und MOSFET erlaubt es, auf eine separate Freilaufdiode zu verzichten. Für den Aufbau eines derartigen Leistungsschalters wird daher eine geringere Montagefläche benötigt, so daß die Siliziumkosten reduziert werden können.In contrast, it has been shown according to the invention that the freewheeling currents, for example after switching off the IGBT, from the body diode of the parallel MOSFET can be taken over, even though the two components in terms of their maximum permissible voltage and current loads differentiate. This close coupling of IGBT and MOSFET allows one to dispense with a separate freewheeling diode. For building such Circuit breaker is therefore required a smaller mounting area, so that Silicon costs can be reduced.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Ansteuerung für die Leistungsschalter vorgesehen, die es erlaubt, die IGBTs und MOSFETs eines Leistungsschalters gleichzeitig einzuschalten, jedoch die MOSFETs zeitverzögert zu den IGBTs auszuschalten. Mit einer derartigen Ansteuerung kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters bei hohen Frequenzen, insbesondere ab 5 kHz, deutlich gesteigert werden.According to the invention, a control for the circuit breakers is also provided, which allows the IGBTs and MOSFETs of a circuit breaker to be operated simultaneously switch on, but switch off the MOSFETs with a time delay to the IGBTs. With Such a control can increase the efficiency of the inverter at high Frequencies, especially from 5 kHz, can be increased significantly.
Nach dem Ausschalten eines IGBTs fließt durch diesen aufgrund seiner relativ trägen Schaltcharakteristik eine Zeitlang der Strom weiter, während zugleich der Spannungsabfall über dem IGBT ansteigt. Da sich die elektrische Verlustleistung direkt aus dem Produkt von Strom und Spannung ergibt, sind bei einem IGBT während der Abschaltphase, in der der Strom abklingt, die Verluste relativ hoch.After switching off an IGBT flows through it due to its relatively slow Switching characteristics for a while the current continues while the Voltage drop across the IGBT increases. Because the electrical power loss is direct resulting from the product of current and voltage are at an IGBT during the Switch-off phase, in which the current decays, the losses are relatively high.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung der IGBTs und MOSFETs fließt nach dem Abschalten der IGBTs weiterhin Strom über die parallel geschalteten MOSFETs, wodurch der Spannungsabfall über den IGBTs und damit die Verlustleistung der IGBTs minimiert werden. Die Zeitverzögerung in der Ansteuerung der MOSFETs wird bevorzugt so eingestellt, daß diese dann ausgeschaltet werden, wenn der Strom im IGBT auf etwa 2 bis 10%, bevorzugt etwa 5% seines Maximalwertes abgefallen ist.When driving the IGBTs and MOSFETs according to the invention flows after Switching off the IGBTs continues to use the parallel MOSFETs, whereby the voltage drop across the IGBTs and thus the power loss of the IGBTs be minimized. The time delay in driving the MOSFETs will preferably set so that they are turned off when the current in IGBT has dropped to about 2 to 10%, preferably about 5% of its maximum value.
Die zeitverzögerte Abschaltung der MOSFETs in Kombination mit der Verwendung der Körperdioden der MOSFETs im Freilaufzweig erlaubt die Herstellung schnell schaltender Wechselrichter für hohe Ströme bei deutlich reduzierten Herstellungskosten gegenüber den bisher bekannten Wechselrichtern für derartige Anwendungen. Insbesondere wenn die Leistungsschalter auf DCB-Substraten realisiert werden, werden die Kosten stark gesenkt, da die ansonsten notwendige kostenintensive Montage von separaten Freilaufdioden entfallen kann.The delayed shutdown of the MOSFETs in combination with the use of the Body diodes of the MOSFETs in the freewheeling branch allow production to be carried out quickly switching inverter for high currents with significantly reduced Manufacturing costs compared to the previously known inverters for such Applications. Especially when the circuit breakers are implemented on DCB substrates the costs are greatly reduced since the otherwise necessary costly assembly of separate freewheeling diodes can be omitted.
Besonders bewährt hat sich die Erfindung in einem Drei-Phasen-Wechselrichter, der aus drei Halbbrücken mit je zwei Leistungsschaltern besteht. Jeder Leistungsschalter wird vorzugsweise durch die Parallelschaltung von einem oder mehreren IGBTs und MOSFETs realisiert, wobei die Körperdioden der MOSFETs als Freilaufdioden der IGBTs verwendet werden.The invention has proven particularly useful in a three-phase inverter, the consists of three half bridges, each with two circuit breakers. Any circuit breaker is preferably by the parallel connection of one or more IGBTs and MOSFETs realized, the body diodes of the MOSFETs as freewheeling diodes IGBTs are used.
Das für die Realisierung eines elektronischen Leistungsstellers eingesetzte Silizium bestimmt den Großteil der Kosten eines Umrichters. Dreiphasige Umrichter, beispielsweise für den Antrieb von Drehstrommotoren, benötigen wesentlich mehr Silizium als Umrichter für Gleichstrommotoren. Mit anderen Worten: Umrichter für Drehstrommotoren sind wesentlich teurer als Umrichter für Gleichstrommotoren. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Körperdiode der MOSFETs als Freilaufdiode für die IGBTs und den daraus resultierenden Verzicht auf eine zusätzliche Diode, kann der Siliziumanteil deutlich gesenkt werden. Die Kosten eines Drei-Phasen- Wechselrichters lassen sich wesentlich reduzieren. The silicon used for the realization of an electronic power controller determines the majority of the costs of an inverter. Three-phase converters, for example for driving three-phase motors, require considerably more Silicon as converter for DC motors. In other words: converter for AC motors are much more expensive than converters for DC motors. By the inventive use of the body diode of the MOSFETs as a freewheeling diode for the IGBTs and the resulting elimination of an additional diode the silicon content can be significantly reduced. The cost of a three-phase Inverter can be significantly reduced.
Der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ist bei IGBTs im wesentlichen unabhängig von der Strombelastung, so daß IGBTs bei kleinen Strömen relativ hohe Durchlaßverluste aufweisen. Bei hohen Strömen sind dagegen die Durchlaßspannungen von IGBTs niedriger als die von MOSFETs. Von Vorteil werden die Durchlaßspannungen und Stromtragfähigkeiten der IGBTs und MOSFETs deshalb so ausgewählt, daß bei kleinen Strömen der Strom im wesentlichen durch die MOSFETs geführt wird, während bei hohen Strömen die IGBTs den größten Teil des Stromes übernehmen. Unter kleinen Strömen werden in diesem Zusammenhang Ströme kleiner als 100 A, unter großen Strömen solche mit Stromstärken von mehr als 300 A verstanden. Die Durchlaßverluste des Leistungsschalters werden so deutlich reduziert.The forward voltage drop in IGBTs is essentially independent from the current load, so that IGBTs are relatively high at low currents Have transmission losses. In contrast, at high currents Forward voltages of IGBTs lower than that of MOSFETs. Be an advantage the forward voltages and current carrying capacities of the IGBTs and MOSFETs therefore selected so that for small currents, the current essentially through the MOSFETs is conducted, while at high currents the IGBTs do most of the Take over electricity. Small streams are in this context Currents less than 100 A, under large currents those with currents of more than 300 A understood. The forward losses of the circuit breaker become clear reduced.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Leistungsschalter mit einer Frequenz zwischen 5 und 20 kHz, bevorzugt zwischen 8 und 16 kHz, geschaltet werden.The invention is particularly suitable for applications in which the Circuit breakers with a frequency between 5 and 20 kHz, preferably between 8 and 16 kHz.
Die im Zusammenhang mit der Erfindung durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß die im Hochspannungsbereich bereits eingesetzten IGBTs auch bei kleinen Spannungen vorteilhaft genutzt werden können. Besonders beim Schalten von kleinen Spannungen von weniger als 150 V, insbesondere weniger als 100 V hat sich die erfindungsgemäße Schaltung bewährt. Ganz besonders günstig ist der Einsatz der Erfindung bei Anwendungen, bei denen hohe Ströme von mehr als 250 A, insbesondere mehr als 300 A, geführt werden müssen, die Versorgungsspannung dagegen relativ niedrig, d. h. kleiner als 150 V oder sogar kleiner als 100 V, ist. Die Erfindung findet somit bevorzugt als Wechselrichter in batteriebetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Flurförderzeugen, mit Drehstromantrieb Verwendung.The tests carried out in connection with the invention have shown that the IGBTs already used in the high voltage range, even for small ones Tensions can be used to advantage. Especially when switching small ones Voltages of less than 150 V, especially less than 100 V, have become Circuit proven according to the invention. The use of the Invention in applications where high currents of more than 250 A, in particular more than 300 A, the supply voltage on the other hand, relatively low, d. H. is less than 150 V or even less than 100 V. The The invention is therefore preferably used as an inverter in battery-operated vehicles, in particular industrial trucks, with three-phase drive use.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention and further details of the invention are described below of exemplary embodiments illustrated in the drawings. Here demonstrate:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Drei-Phasen-Wechselrichters, Fig. 1 shows the basic construction of a three-phase inverter,
Fig. 2 die herkömmliche Realisierung der darin eingesetzten Leistungsschalter mittels IGBTs, Fig. 2, the conventional realization of the power switches employed therein by means of IGBTs,
Fig. 3 eine Halbbrücke des erfindungsgemäßen Wechselrichters und Fig. 3 is a half bridge of the inverter according to the invention and
Fig. 4 den Verlauf der Gatespannungen der IGBTs und der MOSFETs einer Halbbrücke. Fig. 4 shows the profile of the gate voltages of the IGBTs and the MOSFETs of a half-bridge.
In Fig. 1 ist der konventionelle Aufbau eines Drei-Phasen-Wechselrichters gezeigt, wie er in einem batteriebetriebenen Gabelstapler mit Drehstromantrieb eingesetzt wird. Die Anschlußpunkte B des Wechselrichters werden mit der Stromversorgung des Fahrzeugs verbunden. Die Fahrzeugbatterie liefert je nach Ausführung eine Versorgungsspannung von 48 V oder 80 V. Die zu schaltenden Ströme liegen im Bereich zwischen 300 und 400 Ampere. Der dreiphasige Wechselrichter enthält sechs Leistungsschalter S1 bis S6, wobei jeweils die oberen Leistungsschalter S1, S3 und S5 mit den jeweiligen unteren Leistungsschaltern S2, S4 und S6 eine elektrische Halbbrücke bilden. An den elektrischen Verbindungen zwischen den zwei Leistungsschaltern S1, S2 bzw. S3, S4 und S5, S6 einer Halbbrücke werden die verschiedenen Phasen u, v, w abgegriffen und dem Drehstrommotor M zugeführt.In Fig. 1, the conventional construction of a three-phase inverter is shown, as it is used in a battery-powered forklift with AC drive. The connection points B of the inverter are connected to the power supply of the vehicle. Depending on the version, the vehicle battery supplies a supply voltage of 48 V or 80 V. The currents to be switched are in the range between 300 and 400 amperes. The three-phase inverter contains six circuit breakers S1 to S6, the upper circuit breakers S1, S3 and S5 in each case forming an electrical half bridge with the respective lower circuit breakers S2, S4 and S6. The various phases u, v, w are tapped at the electrical connections between the two circuit breakers S1, S2 or S3, S4 and S5, S6 of a half bridge and fed to the three-phase motor M.
Bei einem herkömmlichen Wechselrichter wird jeder der Schalter S1 bis S6 durch eine Schaltung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, realisiert. Die Leistungsschalter S1 bis S6 bestehen jeweils aus mehreren parallel geschalteten IGBTs I1 bis In, um die nötige Stromtragfähigkeit zu erreichen. Parallel zu den IGBTs I1 bis In sind Freilaufdioden D1 bis Dm geschaltet, die die bei Wechselrichtern auftretenden Freilaufströme übernehmen.In a conventional inverter, each of the switches S1 to S6 is implemented by a circuit as shown in FIG. 2. The circuit breakers S1 to S6 each consist of several IGBTs I 1 to I n connected in parallel in order to achieve the necessary current carrying capacity. In parallel with the IGBTs I 1 to I n , freewheeling diodes D 1 to D m are connected, which take over the freewheeling currents occurring in inverters.
Erfindungsgemäß wird auf die separaten Freilaufdioden D1 bis Dm verzichtet und diese werden durch die parallel zu den IGBTs geschalteten Körperdioden von MOSFETs ersetzt. Die Anzahl der IGBTs und der MOSFETs kann, aber muß nicht übereinstimmen. In Fig. 3 ist eine Halbbrücke eines erfindungsgemäßen Wechselrichters dargestellt.According to the invention, the separate freewheeling diodes D 1 to D m are dispensed with and these are replaced by the body diodes of MOSFETs connected in parallel with the IGBTs. The number of IGBTs and MOSFETs may or may not match. In Fig. 3 is a half-bridge is shown an inverter according to the invention.
Der Schalter S1 aus Fig. 1 wird durch die Parallelschaltung der IGBTs I11 bis I1n und der MOSFETs M11 bis M1m, der Leistungsschalter S2 entsprechend durch die IGBTs I21 bis I2n und der MOSFETs M21 bis M2m verwirklicht. Die in den MOSFETs M11 bis M1m bzw. M21 bis M2m strukturbedingt immer vorhandenen Körperdioden sind mit K11 bis K1m bzw. K21 bis K2m bezeichnet. Der Abgriff der Phase u erfolgt an der Verbindungsstelle der Schalter S1 und S2. The switch S1 from FIG. 1 is realized by the parallel connection of the IGBTs I 11 to I 1n and the MOSFETs M 11 to M 1m , the power switch S2 accordingly by the IGBTs I 21 to I 2n and the MOSFETs M 21 to M 2m . The body diodes which are always present in the MOSFETs M 11 to M 1m and M 21 to M 2m due to their structure are designated K 11 to K 1m and K 21 to K 2m . Phase u is tapped at the junction of switches S1 and S2.
Die IGBTs I11 bis I1n bzw. I21 bis I2n und die MOSFETs M11 bis M1m bzw. M21 bis M2m werden entsprechend Fig. 4 angesteuert. Die Schaltfrequenz beträgt 10 kHz. Fig. 4 zeigt die Gatespannungen, die an die IGBTs und MOSFETs der beiden Schalter S1 und S2 angelegt werden. Die Abkürzung VGS(I1x) steht dabei für die Gatespannung an einem der IGBTs I11 bis I1n des oberen Leistungsschalters S1. Die Bezeichnungen VGS(I2x), VGS(M1x) und VGS(M2x) sind entsprechend zu verstehen.The IGBTs I 11 to I 1n or I 21 to I 2n and the MOSFETs M 11 to M 1m or M 21 to M 2m are driven in accordance with FIG. 4. The switching frequency is 10 kHz. Fig. 4 shows the gate voltages which are applied to the IGBTs and MOSFETs of the two switches S1 and S2. The abbreviation V GS (I 1x ) stands for the gate voltage at one of the IGBTs I 11 to I 1n of the upper circuit breaker S1. The designations V GS (I 2x ), V GS (M 1x ) and V GS (M 2x ) are to be understood accordingly.
Erfindungsgemäß werden die IGBTs I1x und die MOSFETs M1x gleichzeitig eingeschaltet, d. h. an alle Bauelemente des Schalters S1 wird gleichzeitig eine entsprechende Gatespannung VGS(I1x) bzw. VGS(M1x) angelegt. Aufgrund der kurzen Einschaltzeiten von IGBTs und MOSFETs erreicht der Stromfluß schnell seinen Maximalwert, wobei die Schaltung vorzugsweise so ausgelegt ist, d. h. die Anzahl der IGBT-Chips und MOSFET-Chips so ausgewählt wird, daß etwa 20 bis 35% des Gesamtstromes von den MOSFETs M1x und der Rest von den IGBTs I1x übernommen wird.According to the invention, the IGBTs I 1x and the MOSFETs M 1x are switched on simultaneously, ie a corresponding gate voltage V GS (I 1x ) or V GS (M 1x ) is applied to all components of the switch S1 at the same time. Due to the short turn-on times of IGBTs and MOSFETs, the current flow quickly reaches its maximum value, the circuit preferably being designed so that the number of IGBT chips and MOSFET chips is selected such that approximately 20 to 35% of the total current from the MOSFETs M 1x and the rest is taken over by the IGBTs I 1x .
Am Ende eines Schalttaktes wird zunächst die Gatespannung VGS(I1x) der IGBTs I1x abgeschaltet, während die MOSFETs M1x weiter im leitenden Zustand verbleiben. Der Stromfluß durch die IGBTs I1x nimmt aufgrund der Abschaltcharakteristik der IGBTs nur allmählich ab. Der Strom durch die MOSFETs M1x steigt im Gegenzug entsprechend an. Da sich die MOSFETs M1x im leitenden Zustand befinden, ist der Spannungsabfall über den den MOSFETs M1x parallel geschalteten IGBTs I1x relativ niedrig, so daß die Durchlaßverluste in den IGBTs I1x vernachlässigbar klein sind. Nachdem der Strom in den IGBTs I1x auf etwa 5% abgefallen ist, wird auch die Gatespannung der MOSFETs M1x auf Null reduziert. Aufgrund der geringen Abschaltverzögerung der MOSFETs M1x bricht der Stromfluß durch den Leistungsschalter S1 dann schnell zusammen.At the end of a switching cycle, the gate voltage V GS (I 1x ) of the IGBTs I 1x is first switched off, while the MOSFETs M 1x remain in the conductive state. The current flow through the IGBTs I 1x decreases only gradually due to the shutdown characteristics of the IGBTs. In turn, the current through the MOSFETs M 1x increases accordingly. Since the MOSFETs M 1x are in the conducting state, the voltage drop across the MOSFETs M 1x parallel-connected IGBTs I 1x is relatively low, so that the on-state losses are negligibly small in the IGBTs I 1x. After the current in the IGBTs I 1x has dropped to about 5%, the gate voltage of the MOSFETs M 1x is also reduced to zero. Because of the low switch-off delay of the MOSFETs M 1x , the current flow through the circuit breaker S1 then quickly breaks down.
Kurz nach dem Abschalten der MOSFETs M1x werden die IGBTs I2x und MOSFETs M2x des unteren Leistungsschalters S2 eingeschaltet, um am Ausgang u die negative Halbwelle zu erzeugen.Shortly after switching off the MOSFETs M 1x , the IGBTs I 2x and MOSFETs M 2x of the lower power switch S2 are switched on in order to generate the negative half-wave at the output u.
Die bei den Schaltvorgängen auftretenden Freilaufströme werden von den Körperdioden der MOSFETs M1x und M2x übernommen. Zusätzliche Freilaufdioden sind nicht notwendig.The freewheeling currents that occur during the switching processes are taken over by the body diodes of the MOSFETs M 1x and M 2x . Additional free-wheeling diodes are not necessary.
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