DE10011523A1

DE10011523A1 - Power supply circuit with silicon-carbide components especially for converter

Info

Publication number: DE10011523A1
Application number: DE10011523A
Authority: DE
Inventors: Susanne Gaksch; Walter Springmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-20
Also published as: WO2001067587A2; WO2001067587A3

Abstract

A power supply circuit, especially for a converter based on a rectifier, an intermediate circuit (link) and an inverter, includes silicon-carbide components as switching elements (1) and/or diode elements (2). The power supply circuit is specifically designed as a flyback- converter circuit, or as a single-ended forward converter circuit, or as a pushpull-forward converter. More specifically, the power supply is designed as a half-bridge circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung, insbe sondere für einen Umrichter mit einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem WechselrichterThe invention relates to a power supply circuit, in particular especially for a converter with a rectifier, a DC link and an inverter

Als Stand der Technik sind Stromversorgungsschaltungen (z. B. Sperrwandler-Schaltungen) bekannt, die als Schaltelemente und/oder Diodenelemente konventionelle Silizium-Bauelemente aufweisen. Stromversorgungsschaltungen für eine Elektronik in einem Spannungszwischenkreis-Umrichter, die auch als Fre quenzumrichter bezeichnet werden, werden beispielsweise ein gangsseitig direkt am Spannungszwischenkreis angeschlossen. Diese Umrichter sind für Netzspannungen bis zu 690 V geeig net, so daß im Zwischenkreis eine Spannung inklusive Toleran zen und zulässiger Arbeitsbereiche mit einem Wert von maximal 1300 V auftreten kann. In derartigen Schaltungen treten neben der Zwischenkreisspannung des Umrichters als Eingangsspannung auch Flyback-Spannungen von z. B. 300 V und Spannungsspitzen beim Ausschalten von über 100 V auf, so daß sich insgesamt eine geforderte Sperrspannung von über 1700 V ergeben kann. Bei einer konventionellen Sperrwandler-Schaltung wird als Schalter ein MOSFET oder ein IGBT in kleiner Bauform, z. B. TO 247, verwendet. Diese Schalterausführungen lassen eine Schaltfrequenz von einigen 10 kHz zu, können jedoch nur eine maximale Sperrspannung von 1500 V vertragen.Power supply circuits (eg flyback converter circuits) are known from the prior art which have conventional silicon components as switching elements and / or diode elements. Power supply circuits for electronics in a voltage intermediate circuit converter, which are also referred to as frequency converters, are connected, for example, directly to the voltage intermediate circuit on the input side. These inverters are suitable for mains voltages up to 690 V, so that a voltage including tolerances and permissible working areas with a maximum value of 1300 V can occur in the DC link. In such circuits, in addition to the intermediate circuit voltage of the converter as input voltage, flyback voltages of z. B. 300 V and voltage peaks when switching off of over 100 V, so that a total reverse voltage of over 1700 V can result. In a conventional flyback converter circuit, a MOSFET or an IGBT in a small design, e.g. B. TO 247 used. These switch designs allow a switching frequency of a few 10 kHz, but can only tolerate a maximum reverse voltage of 1500 V.

Wird als Schalter ein MOSFET verwendet, so hat dieser bei ei ner solch hohen Sperrspannung schon einen erheblichen Lei tungswiderstand, wodurch hohe Leitungsverluste erzeugt wer den. Will man eine aufwendige Parallelschaltung von mehreren MOSFETs vermeiden, so muß die Ausgangsleistung des Sperrwand lers begrenzt und der Schalter gekühlt werden. If a MOSFET is used as the switch, this has at ei ner such high reverse voltage already a considerable lei tion resistance, which generates high line losses the. If you want a complex parallel connection of several Avoid MOSFETs, so the output power of the barrier wall lers limited and the switch cooled.

Wird als Schalter der Sperrwandler-Schaltung ein IGBT mit ho her Sperrspannung verwendet, so ist eine Schaltfrequenz von einigen 10 kHz nicht zulässig, da ein IGBT mit hoher Sperr spannung große Schaltverluste hat. Bei niedrigen Frequenzen treten höhere Spitzenströme auf, wodurch sich die Qualität der Ausgangsspannung verschlechtert.If the flyback converter circuit is an IGBT with ho Her reverse voltage used, so is a switching frequency of some 10 kHz not allowed because of an IGBT with high blocking voltage has large switching losses. At low frequencies higher peak currents occur, which affects the quality the output voltage deteriorates.

Somit ist eine konventionelle Sperrwandler-Schaltung bei der artigen Sperrspannungen nicht mehr verwendbar.Thus, a conventional flyback converter circuit is in the like blocking voltages can no longer be used.

Diese geschilderte Problematik wurde bisher dadurch gelöst, daß entweder die Schaltüberspannung am Schalter oder die Ein gangsspannung des Spannungswandlers reduziert werden. Die Re duzierung der Schaltspitzen wird dadurch erreicht, daß bei einer Sperrwandler-Schaltung mit einem Schalter 1, zusätzlich eine Diode 2, ein Widerstand 3 und ein Kondensator 4 vorgese hen ist. Ein konventioneller Sperrwandler mit einer derarti gen Schaltung ist in der Fig. 1 näher dargestellt. Diese zu sätzliche Schaltung bildet eine sogenannte "RCD-Schutzschal tung", die elektrisch parallel zu einer Primärwicklung eines Transformators 5 der Sperrwandler-Schaltung geschaltet ist. Mittels dieser Schutzschaltung ist mit einem 1500 V-Schalter ein Betrieb der Sperrwandler-Schaltung bis zu einer Zwischen kreisspannung von 1100 V möglich. Diese Spannung ist jedoch noch nicht ausreichend, wenn diese Sperrwandler-Schaltung bei einem Umrichter für eine Netzspannung von 690 V eingangssei tig am Zwischenkreis angeschlossen werden soll. Außerdem muß eine sehr schnelle Diode 2 auf der Primärseite des Transfor mators 5 vorgesehen sein, die auch noch kleine Durchlaßver luste haben muß.This problem has been solved so far that either the switching overvoltage at the switch or the input voltage of the voltage converter can be reduced. The Re reduction of the switching peaks is achieved in that in a flyback converter circuit with a switch 1 , a diode 2 , a resistor 3 and a capacitor 4 is hen vorgese. A conventional flyback converter with such a circuit is shown in more detail in FIG. 1. This additional circuit forms a so-called "RCD protection circuit" which is electrically connected in parallel to a primary winding of a transformer 5 of the flyback converter circuit. Using this protective circuit, operation of the flyback converter circuit up to an intermediate circuit voltage of 1100 V is possible with a 1500 V switch. However, this voltage is not sufficient if this flyback converter circuit is to be connected to the DC link on the input side of a converter for a line voltage of 690 V. In addition, a very fast diode 2 must be provided on the primary side of the transformer 5 , which must also have small Durchlaßver losses.

In Fig. 2 ist eine erste Schaltung veranschaulicht, mit der die Eingangsspannung der Stromversorgungsschaltung reduziert werden kann. Diese Schaltung weist einen kapazitiven Span nungsteiler auf, der zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren 4 aufweist. Damit sich die Zwischenkreisspan nung am kapazitiven Spannungsteiler symmetrisch aufteilt, ist eine Reihenschaltung eines Widerstands 5 und eines Schalters 1 elektrisch parallel zum ersten Kondensator geschaltet. Elektrisch parallel zum zweiten Kondensator dieses kapaziti ven Spannungsteilers ist eine Stromversorgungsschaltung 6 ge schaltet. Dadurch ist die Eingangsspannung dieser Stromver sorgungsschaltung 6 halbiert worden. Nachteilig wirkt sich bei dieser Maßnahme die zusätzliche Baugruppe aus, die die Stromversorgungsschaltung baulich vergrößert. Außerdem wird diese Stromversorgungsschaltung von der am Widerstand 3 an fallenden Verlustleitung aufgeheizt. FIG. 2 illustrates a first circuit with which the input voltage of the power supply circuit can be reduced. This circuit has a capacitive voltage divider, which has two electrically connected capacitors 4 . So that the DC link voltage on the capacitive voltage divider is divided symmetrically, a series connection of a resistor 5 and a switch 1 is electrically connected in parallel to the first capacitor. A power supply circuit 6 is switched electrically in parallel with the second capacitor of this capacitive voltage divider. As a result, the input voltage of this Stromver supply circuit 6 has been halved. The disadvantage of this measure is the additional assembly, which increases the size of the power supply circuit. In addition, this power supply circuit is heated by the loss line falling at resistor 3 .

Anstelle eines kapazitiven Spannungsteilers kann auch ein Tiefsetzsteller eingesetzt werden. In Fig. 3 ist eine Strom versorgungsschaltung 6 mit einem Tiefsetzsteller dargestellt. Dieser Tiefsetzsteller weist einen Schalter 1, eine Drossel 7, eine Diode 2 und zwei Kondensatoren 4 auf. In Abhängigkeit der Steuerung des Schalters 1 ist die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers, die die Eingangsspannung der Stromversor gungsschaltung 6 ist, einstellbar. Der Schalter 1 und die Di ode 2 müssen jeweils eine hohe Sperrfähigkeit haben, aller dings ohne Flybackspannung, so daß ein 1500 V-Schalter aus reicht. Störend sind bei dieser Schaltung die Durchlaßver luste und besonders bei Dioden die fehlende Schaltgeschwin digkeit.A step-down converter can also be used instead of a capacitive voltage divider. In Fig. 3, a power supply circuit 6 is shown with a buck converter. This buck converter has a switch 1 , a choke 7 , a diode 2 and two capacitors 4 . Depending on the control of the switch 1 , the output voltage of the buck converter, which is the input voltage of the power supply circuit 6, is adjustable. The switch 1 and the diode 2 must each have a high blocking capacity, but without flyback voltage, so that a 1500 V switch is sufficient. Disturbing in this circuit are the Durchlaßver losses and especially in the case of diodes the lack of switching speed.

Anstelle einer Sperrwandler-Schaltung können alternative Spannungswandler-Schaltungen verwendet werden. Dadurch kann teilweise die Flyback-Spannung entfallen. Die dann oftmals eingesetzten Diodenbauelemente oder Schaltelemente besitzen jedoch auch keine Sperrspannung in ausreichender Höhe und können erhebliche Durchlaßverluste aufweisen. Ferner kann we gen der hohen Schaltverluste der Schaltelemente oftmals auch keine ausreichend hohe Schaltfrequenz realisiert werden.Instead of a flyback converter circuit, alternative ones can be used Voltage converter circuits are used. This can some of the flyback tension is eliminated. Then often have used diode components or switching elements however, no sufficient reverse voltage and can have significant transmission losses. Furthermore, we can against the high switching losses of the switching elements not a sufficiently high switching frequency can be realized.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversor gungsschaltung anzubieten, welche auch bei erhöhten Sperrspannungen und/oder Schaltfrequenzen mit geringem Aufwand be trieben werden kann.The invention has for its object a power supplier supply circuit, which also with increased reverse voltages and / or switching frequencies with little effort can be driven.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stromversorgungschaltung werden in den weiteren Patentansprü chen 2 bis 7 beschrieben.This object is achieved by the features of patent claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention Power supply circuit are in the further claims Chen 2 to 7 described.

Bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungschaltung werden statt konventioneller Silizium-Bauelemente Silizium-Karbid- Bauelemente als Schaltelemente und/oder Diodenelemente ver wendet. Silizium-Karbid-Bauelemente besitzen gegenüber kon ventionellen Silizium-Bauelementen unter anderem höhere kri tische Betriebs-Feldstärken. Hierdurch kann bei vergleichba rer Chipdicke die Sperrspannung deutlich erhöht werden. Al ternativ können bei Betrieb mit vergleichbarer Sperrspannung die Durchlaßverluste von Silizium-Karbid-Bauelementen gegen über konventionellen Silizium-Bauelementen deutlich reduziert werden.In the power supply circuit according to the invention instead of conventional silicon components, silicon carbide Components as switching elements and / or diode elements ver turns. Compared to con conventional silicon components include higher kri operational field strengths. This allows comparable rer chip thickness, the reverse voltage can be increased significantly. Al Alternatively, when operating with comparable reverse voltage the transmission losses of silicon carbide components against significantly reduced over conventional silicon components become.

Aufgrund der geringeren Schaltverluste der Silizium-Karbid- Bauelemente kann die Schaltfrequenz gegenüber konventionellen Silizium-Bauelementen erhöht werden. Ferner besitzen Silizi um-Karbid-Bauelemente eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit, so daß ein Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht wird und die Bauelementkühlung reduziert werden kann.Due to the lower switching losses of the silicon carbide The switching frequency can be compared to conventional components Silicon components are increased. They also have silicon um carbide components have improved thermal conductivity, so that operation at higher temperatures is made possible and component cooling can be reduced.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung mit Silizium- Karbid-Bauelementen kann für konventionelle Sperrwandler- Schaltungen aber auch weitere an sich bekannte Spannungswand ler-Schaltungen verwendet werden. In allen Anwendungsfällen ergeben sich die besprochenen Vorteile hinsichtlich erhöhter Sperrspannungen, geringerer Durchlaßverluste sowie erhöhter Schaltfrequenz etc..The power supply circuit according to the invention with silicon Carbide components can be used for conventional flyback converters. Circuits but also other known voltage wall ler circuits are used. In all applications the advantages discussed arise with regard to increased Reverse voltages, lower forward losses and increased Switching frequency etc.

Der Aufbau einzelner Spannungswandler-Schaltungen, für welche Silizium-Karbid-Bauelemente verwendet werden können, geht aus den Stromversorgungsschaltungen gemäß den Ausführungsbeispie len in den Zeichnungsfiguren hervor.The construction of individual voltage converter circuits for which Silicon carbide devices can be used the power supply circuits according to the exemplary embodiments len in the drawing figures.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Sperrwandler-Schaltung mit einer RCD-Schutz beschaltung, Fig. 1 is a flyback circuit including a GFCI circuit,

Fig. 2 eine kapazitive Spannungsteilerschaltung, Fig. 2 is a capacitive voltage divider circuit,

Fig. 3 eine Tiefsetzstellerschaltung, Fig. 3 shows a buck converter circuit,

Fig. 4 eine Sperrwandler-Schaltung, Fig. 4 shows a flyback converter circuit,

Fig. 5 eine Eintakt-Durchflußwandler-Schaltung, Fig. 5 is a single-ended forward converter circuit,

Fig. 6 eine Gegentakt-Durchflußwandler-Schaltung, Fig. 6 is a push-pull forward converter circuit,

Fig. 7 eine Halbbrücken-Schaltung, Fig. 7 is a half-bridge circuit,

Fig. 8 eine Vollbrücken-Schaltung sowie Fig. 8 is a full bridge circuit as well

Fig. 9 eine H-Schaltung. Fig. 9 is an H-circuit.

In den Fig. 1 bis 3 sind die in der Darstellung des Standes der Technik bereits beschriebenen bekannten Stromversorgungs schaltungen abgebildet, durch welche die geschilderten Prob leme einer nicht ausreichenden Sperrspannung, zu großer Durchlaßverluste, zu niedriger Schaltfrequenz etc., insbeson dere konventioneller Sperrwandler-Schaltungen bislang gelöst wurden.In Figs. 1 to 3, the known power supply already described in the description of the prior art circuits shown, through which the mentioned prob lems insufficient reverse voltage, to a large on-state losses to low switching frequency, etc., and in particular conventional flyback converter circuits have been solved so far.

Die abgebildeten Stromversorgungsschaltungen gemäß den Fig. 4 bis 9 sind beispielhafte Ausführungsformen der in den Patent ansprüchen 2 bis 7 genannten Stromversorgungsschaltungen.The illustrated power supply circuits according to FIGS . 4 to 9 are exemplary embodiments of the power supply circuits mentioned in the claims 2 to 7.

Sämtliche Stromversorgungsschaltungen erhalten aus einer Gleichspannungsquelle, z. B. einem nicht abgebildeten Zwi schenkreis eines Umrichters, eine Eingangsspannung U_ein, die am Ausgang der Stromversorgungsschaltungen als gewandelte Ausgangsspannung U_aus an den jeweiligen angeschlossenen Verbraucher, z. B. die Steuerelektronik eines Wechselrichters, (nicht abgebildet) abgegeben wird. Die einzelnen Stromversor gungsschaltungen besitzen über Schaltelemente 8 getaktete Transformatoren 10. Ferner sind Diodenelemente 9, Drosseln 11 und/oder Kondensatoren 12 vorgesehen. Die Schaltelemente 1 sind als Feldeffekt-Transistoren, nämlich MOSFETs abgebildet. Grundsätzlich sind jedoch Schaltelemente und Schalter aller Art vorstellbar.All power supply circuits receive from a DC voltage source, e.g. B. an unillustrated Zvi intermediate circuit of a converter, an input voltage U _a, which as converted output voltage U _out at the respective connected loads, for the output of the power supply circuits. B. the control electronics of an inverter (not shown) is delivered. The individual Stromversor supply circuits have 8 clocked transformers 10 via switching elements. Furthermore, diode elements 9 , chokes 11 and / or capacitors 12 are provided. The switching elements 1 are shown as field-effect transistors, namely MOSFETs. In principle, however, switching elements and switches of all kinds are conceivable.

Fig. 4 zeigt eine an sich bekannte Sperrwandler-Schaltung, Fig. 5 eine Eintakt-Durchflußwandler-Schaltung und Fig. 6 eine Ge gentakt-Durchflußwandler-Schaltung. Fig. 7 zeigt eine an sich bekannte Halbbrücken-Schaltung, Fig. 8 eine Vollbrücken-Schal tung und Fig. 9 eine H-Schaltung. Die Stromversorgungsschal tungen gemäß den Fig. 5 bis 9 dienen u. a. als Ersatz der Sperrwandler-Schaltung nach Fig. 4, um die beschriebenen Be schränkungen und Unzulänglichkeiten dieser Schaltung abzumil dern oder zu beseitigen. Fig. 4 shows a flyback converter circuit known per se, Fig. 5 shows a single-ended flow converter circuit and Fig. 6 shows a Ge-clocked flow converter circuit. Fig. 7 shows a known half-bridge circuit, Fig. 8 a full-bridge scarf device and Fig. 9 an H-circuit. The power supply scarf obligations FIGS according. 5 through 9 among other things, serve as a substitute of the flyback converter circuit according to Fig. 4, limitations to the described loading and countries abzumil this circuit imperfections or eliminate.

Sämtliche Stromversorgungsschaltungen gemäß den Fig. 4 bis 9, aber auch die Stromversorgungsschaltungen nach Fig. 1 bis 3, können mit Schaltelementen 1 und/oder Diodenelementen 2 be trieben werden, die erfindungsgemäß als Silizium-Karbid-Bau elemente ausgebildet sind. Hierdurch können die beschriebenen Verbesserungen (Erhöhung der Sperrspannung und/oder Schalt frequenz, Verringerung der Durchlaßverluste etc.) erreicht werden.All the power supply circuits shown in FIGS. 4 to 9, but also the power supply circuits according to FIGS. 1 to 3, can use the switching elements 1 and / or diode elements 2 be exaggerated be, according to the invention elements than silicon carbide construction are formed. As a result, the improvements described (increase in reverse voltage and / or switching frequency, reduction in forward losses, etc.) can be achieved.

Claims

1. Power supply circuit, in particular for a converter with a rectifier, an intermediate circuit and egg nem inverter, wherein the power supply circuit as switching elements ( 1 ) and / or diode elements ( 2 ) has silicon Kar bid components.

2. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit out as flyback converter circuit forms is.

3. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit as a single-ended flow converter scarf tion is trained.

4. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit as a push-pull flow converter Circuit is formed.

5. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit designed as a half-bridge circuit det.

6. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit designed as a full-bridge circuit det.

7. Power supply circuit according to claim 1, wherein the Power supply circuit is designed as an H circuit.