DE10033092A1 - Stromrichterventilschaltung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Ventilen mit jeweils zugerodnetem Beschaltungsmodul sowie Verfahren zum Betrieb einer derartigen Stromrichterventilschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromrichterventilschaltung mit mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Ventilen (T1, T2, T3, T4, T5, T6), wobei jedem Ventil (T1, T2, T3, T4, T5, T6) ein Beschaltungsmodul zugeordnet ist, mit einem zum Ventil (T) parallel geschalteten Beschaltungskondensator (C) mit in Reihe geschalteter Beschaltungsdiode (D¶S¶) zur Aufladung und zur Begrenzung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit beim Abschalten des Ventils (T), mit einer zum Ventil (T) in Reihe geschalteten Beschaltungsinduktivität (I) zur Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten des zugeordneten Ventils (T) sowie mit einer zum Beschaltungskondensator (C) in Reihe geschalteten Rückspeisediode (D¶R¶) zur Ableitung der Entladeenergie des Beschaltungskondensators (C) an einen Speicherkondensator (C¶C¶) beim Einschalten des Ventils (T). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Stromrichterventilschaltung mit mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Ventilen (T1, T2, T3, T4, T5, T6).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterventilschal­ tung mit mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Ventilen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be­ trieb einer derartigen Stromrichterventilschaltung.

Beim Bau von Stromrichtern für höhere Spannungen sind mehrere Ventile pro Stromrichterventil in Reihe zu schalten, um einen erweiterten Spannungsbereich zu umfassen. Aus dem DE-GM 94 17 200.5 ist eine Beschaltung für einen Brückenzweig eines Wechselrichters bekannt, dessen untere und obere Brü­ ckenseite jeweils elektrisch in Reihe geschaltete Leistungs­ halbleiter aufweisen, denen Beschaltungskondensatoren zuge­ ordnet sind, die über wenigstens eine Koppeldiode mit einem Speicherkondensator elektrisch leitend verbunden sind. Die Anzahl der elektrisch in Reihe zu schaltenden Koppeldioden richtet sich dabei nach dem Einbauplatz des zugehörigen Leis­ tungshalbleiters. Eine Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwin­ digkeit beim Einschalten der Leistungshalbleiter erfolgt für jede Brückenseite durch eine Induktivität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter­ ventilschaltung mit mindestens zwei elektrisch in Reihe ge­ schalteten Ventilen anzubieten, welche einen vereinfachten Schaltungsaufbau besitzt. Ferner soll ein Verfahren zum Be­ trieb einer derartigen Stromrichterventilschaltung angeboten werden.

Die Aufgabe wird für die Stromrichterventilschaltung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus­ führungsformen der Stromrichterventilschaltung werden in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 7 realisiert. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten wer­ den in den Unteransprüchen 9 und 10 beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Stromrichterventilschaltung ist je­ dem der in Reihe geschalteten Ventile ein Beschaltungsmodul zugeordnet. Bei einer Anzahl n elektrisch in Reihe geschalte­ ter Ventile sind auch n zugeordnete Beschaltungsmodule vorge­ sehen. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Stromrichterventil­ schaltung besonders einfach aufgebaut.

Das dem jeweiligen Ventil zugeordnete Beschaltungsmodul weist zum einen einen zum Ventil parallel geschalteten Beschal­ tungskondensator mit in Reihe geschalteter Beschaltungsdiode zur Aufladung und zur Begrenzung der Spannungs-Anstiegsge­ schwindigkeit beim Abschalten des Ventils auf. Ferner ist ei­ ne zum Ventil in Reihe geschaltete Beschaltungsinduktivität zur Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwindigkeit beim Ein­ schalten des zugeordneten Ventils vorgesehen.

Über eine zum Beschaltungskondensator in Reihe geschaltete Rückspeisediode wird die beim Abschalten des Ventils vom Be­ schaltungskondensator aufgenommene Energie beim Einschalten des Ventils an einen Speicherkondensator abgeleitet. In jedem Beschaltungsmodul ist somit eine Beschaltungsinduktivität vorhanden, wodurch eine Verwendung aufwendiger Hochspannungs­ induktivitäten bei einer größeren Anzahl in Reihe geschalte­ ter Ventile vermieden wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Stromrichter­ ventilschaltung ist im Beschaltungsmodul zum Beschaltungskon­ densator zu dessen Schutz eine in Reihe geschaltete Beschal­ tungsdiode vorgesehen. Vorteilhafterweise sind die Beschal­ tungsmodule benachbarter in Reihe geschalteter Ventile über in Reihe geschaltete Rückspeisedioden verbunden, welche schließlich mit einem Speicherkondensator in Verbindung stehen und die jeweilige über die einzelnen Rückspeisedioden eingeleitete Entladeenergie der zugehörigen Beschaltungskon­ densatoren an den Speicherkondensator abführen.

Wenn die Stromrichterventilschaltung als obere und untere Brückenseite in den Brückenzweig eines Stromrichters integ­ riert ist, besitzt vorteilhafterweise jede Brückenseite des Stromrichters einen separaten Speicherkondensator, der über die jeweiligen Rückspeisedioden der Beschaltungsmodule der Ventile der oberen bzw. unteren Brückenseite mit den Beschal­ tungskondensatoren der Ventile zur Ableitung der Entladeener­ gie der Beschaltungskondensatoren beim Einschalten der Venti­ le verbunden ist.

Die im Speicherkondensator aufgenommene Entladeenergie der Beschaltungskondensatoren der Ventile kann über eine Wandler­ einrichtung (Wechsel- oder Gleichrichter) in ein Drei-Phasen- Netz oder in den Zwischenkreis des Stromrichters verlustarm zurückgespeist werden. Ferner kann die aufgenommene Energie des Speicherkondensators an einen Entladewiderstand abgegeben werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Stromrich­ terventilschaltung besitzt diese mindestens zwei elektrisch in Reihe geschaltete Ventile, wobei jedem Ventil insbesondere ein Beschaltungsmodul zugeordnet ist. Dieses Beschaltungsmo­ dul weist wie bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Strom­ richterventilschaltung einen zum Ventil parallel geschalteten Beschaltungskondensator zur Aufladung und Begrenzung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit beim Abschalten des Ventils sowie eine zum Ventil in Reihe geschaltete Beschaltungsinduk­ tivität zur Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten des zugeordneten Ventils auf. Ferner ist eine zum Beschaltungskondensator des Ventils in Reihe geschaltete Rückspeisediode vorgesehen, über welche die Entladeenergie des Beschaltungskondensators an einen Speicherkondensator beim Einschalten des Ventils abgeleitet wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt diese Entladung der Beschaltungskondensatoren der zugeordneten Ventile beim Ein­ schalten der Ventile über die in Reihe geschalteten Rückspei­ sedioden der genannten Beschaltungsmodule benachbarter Venti­ le. Diese in Reihe geschaltete Rückspeisedioden sind mit dem Speicherkondensator zur Aufnahme der Entladeenergie der Be­ schaltungskondensatoren verbunden. Bei der Entladung werden die Beschaltungskondensatoren in Reihe geschalteter Ventile sukzessive (aufeinanderfolgend) über die vorliegende Anzahl zwischengeschalteter und in Reihe geschalteter Rückspeisedio­ den in den Speicherkondensator entladen.

Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensvariante werden die Be­ schaltungskondensatoren auf den Spannungswert des Speicher­ kondensators entladen. Wenn nun der Spannungswert des Spei­ cherkondensators sehr gering ist, werden die Beschaltungskon­ densatoren fast vollständig entladen und es tritt beim Ein­ schalten der Ventile die Spannungscharakteristik einer her­ kömmlichen RCD-Snubber-Beschaltung auf.

Wenn der Spannungswert am Speicherkondensator bei n elekt­ risch in Reihe geschalteten Ventilen auf den n-ten Teil des Wertes der Zwischenkreisspannung des Stromrichters einge­ stellt wird, entsteht die Spannungscharakteristik einer Clamp-Schaltung, wobei aus den Beschaltungskondensatoren nur die Energie der Kommutierungsinduktivität ausgeführt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungs­ figuren hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Stromrichterventilschal­ tung für einen Brückenzweig eines Zwei-Punkt- Stromrichters mit jeweils drei in Reihe geschal­ teten Ventilen der oberen bzw. unteren Brücken­ seite sowie Fig. 2 eine Ausführungsform der Stromrichterventilschal­ tung für einen Brückenzweig eines Drei-Punkt- Stromrichters mit jeweils sechs Ventilen der obe­ ren bzw. unteren Brückenseite.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Stromrichterventilschaltung für einen Brückenzweig eines Zwei-Punkt-Stromrichters mit Eingangsanschlüssen 1, 2 für den Zwischenkreis mit einer Zwi­ schenkreisspannungsquelle mit der Spannung U_D sowie einen Lastanschluss 3. Die abgebildete Stromrichterventilschaltung weist eine obere Brückenseite zwischen den Anschlüssen 1, 3 und eine untere Brückenseite zwischen den Anschlüssen 2, 3 auf. Das Stromrichterventil der oberen Brückenseite nach Fig. 1 umfasst die in Reihe geschalteten Ventile T1, T2, T3, die untere Brückenseite die in Reihe geschalteten Ventile T4, T5, T6. Die Ansteuerschaltungen der Ventile T1-T6 sind in den Fig. 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht abgebil­ det.

Als Ventile T können abschaltbare, nicht einrastende Leis­ tungshalbleiter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolor-Tran­ sistoren (IGBT) vorgesehen sein. Ferner können auch bipolare Leistungstransistoren (LTR) oder Metall-Oxid-Semiconducter- Field-Effect-Transistoren (MOSFET) verwendet werden. Ferner können auch abschaltbare aber dennoch einrastende Leistungs­ halbleiter wie Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) oder Gate- Commutated-Thyristoren (GCT) verwendet werden.

Zur Erläuterung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Stromrich­ terventilschaltung wird der Aufbau des Ventils T1 mit zugehö­ rigem Beschaltungsmodul dargestellt. Zunächst besitzt das Be­ schaltungsmodul zum Ventil T1 den zum Ventil T1 parallel ge­ schalteten Beschaltungskondensator C1 zur Aufladung und Be­ grenzung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit beim Abschal­ ten des Ventils T1. Ferner umfasst das Beschaltungsmodul zum Ventil T1 eine zum Ventil T1 in Reihe geschaltete Beschal­ tungsinduktivität I1 zur Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten des Ventils T1. Schließlich sind noch eine zum Beschaltungskondensator C1 in Reihe ge­ schaltete Beschaltungsdiode D_S1 und zum Ventil T antiparalle­ le Diode D vorgesehen.

In Reihe zum Beschaltungskondensator C1 ist die Rückspeisedi­ ode D_R1 geschaltet, welche zur Ableitung der Entladeenergie des Beschaltungskondensators C1 an den Speicherkondensator C_Coben beim Einschalten des Ventils T vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Stromrichterventilschaltung der oberen Brückenseite gemäß Fig. 1 besitzt drei in Reihe geschaltete Ventile T1, T2, T3, welche über in Reihe geschaltete Rück­ speisedioden D_R1, D_R2, D_R3 mit dem Speicherkondensator C_Coben verbunden sind.

An der unteren Brückenseite, also zwischen den Anschlüssen 2, 3 ist eine Stromrichterventilschaltung mit den in Reihe ge­ schalteten Ventilen T4, T5, T6 abgebildet. Zu diesen Ventilen gehören jeweils Beschaltungsmodule mit Beschaltungskondensa­ toren C4, C5, C6, Beschaltungsinduktivitäten I4, I5, I6 sowie in Reihe geschalteten Rückspeisedioden D_R4, D_R5, D_R6, welche die Entladeenergie der Beschaltungskondensatoren C4, C5, C6 beim Einschalten der Ventile T4, T5, T6 in den Speicherkon­ densator C_C der unteren Brückenseite ableiten.

Durch die beschriebenen und in der Stromrichterventilschal­ tung nach Fig. 1 wie abgebildet kombinierten sechs identischen Beschaltungsmodule der Beschaltungsventile T1 bis T6 der obe­ ren und unteren Brückenseite ist die erfindungsgemäße Strom­ richterventilschaltung besonders einfach und modular aufge­ baut. Bei einer Veränderung der Anzahl der elektrisch in Rei­ he geschalteten Ventile T kann ohne weiteren schaltungstech­ nischen Aufwand ein dem jeweiligen hinzugefügten Ventil T zu­ geordnetes Beschaltungsmodul mit den beschriebenen Bauelemen­ ten hinzugefügt werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom­ richterventilschaltung für einen Brückenzweig eines Drei- Punkt-Stromrichters mit jeweils sechs Ventilen T7-T12 bzw. T13-T18 in der oberen. bzw. unteren Brückenseite, also zwi­ schen dem Eingangsanschluss 1 und dem Lastanschluss 3 bzw. zwischen dem Lastanschluss 3 und dem Eingangsanschluss 2.

Aus Fig. 2 geht auch der erfindungsgemäße modulare Aufbau der Beschaltungsmodule hervor, die den einzelnen Ventilen T zuge­ ordnet sind und jeweils Beschaltungskondensatoren C, Beschal­ tungsinduktivitäten I und Rückspeisedioden D_R mit den jewei­ ligen Indices der zugeordneten Ventile aufweisen. Ansonsten besitzen in Fig. 2 identisch wie in Fig. 1 bezeichnete Bauele­ mente die bereits in der Erläuterung zu Fig. 1 beschriebene Funktion.

Der Stromrichter nach Fig. 2 ist als Drei-Punkt-Stromrichter ausgebildet und besitzt einen Mittelpunktanschluss 4. Zwi­ schen dem Mittelpunktanschluss 4 und dem Eingangsanschluss 1 bzw. dem Mittelpunktanschluss 4 und dem Eingangsanschluss 2 befinden sich die jeweiligen Eingangsspannungsquellen mit den Spannungen U_D2 bzw. U_D3.

Die in den Speicherkondensatoren C_Coben und C_Cunten aufgenom­ mene Entladeenergie der Beschaltungskondensatoren C der je­ weiligen Ventile T beim Abschalten der Ventile T kann über weitere Wandlereinrichtungen (z. B. Wechsel- oder Gleichrich­ ter) genutzt und z. B. über ein Drei-Phasen-Netz oder in den Zwischenkreis des jeweiligen Stromrichters rückgespeist wer­ den. In einer alternativen Ausführungsform kann die vom Spei­ cherkondensator C_C aufgenommene Entladeenergie der Beschal­ tungskondensatoren C über einen Entladewiderstand verbraucht werden. Schließlich kann die Entladeenergie der Speicherkon­ densatoren C_C auch zur Energieversorgung der Ansteuerschal­ tung der Ventile T verwendet werden (jeweils nicht darge­ stellt). Es sind auch Mischformen der Verwendung der Entlade­ energie der Speicherkondensatoren C_C möglich.

In einer alternativen Schaltungsvariante können auch die Rückspeisedioden D_R und/oder Beschaltungsdioden D_S mit einer RC-Beschaltung versehen sein, um das Abschaltverhalten dieser Dioden zu verbessern (nicht abgebildet).

Claims (10)

1. Stromrichterventilschaltung mit mindestens zwei elekt­ risch in Reihe geschalteten Ventilen (T1, T2, T3, T4, T5, T6), wo­ bei jedem Ventil (T1, T2, T3, T4, T5, T6) ein Beschaltungsmodul zugeordnet ist, mit

• - einem zum Ventil (T1, T2, T3, T4, T5, T6) parallel geschalte­ ten Beschaltungskondensator (C) mit in Reihe geschalte­ ter Beschaltungsdiode (D_S) zur Aufladung und zur Begren­ zung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit beim Abschal­ ten des Ventils (T1, T2, T3, T4, T5, T6),
• - einer zum Ventil (T1, T2, T3, T4, T5, T6) in Reihe geschalte­ ten Beschaltungsinduktivität (I) zur Begrenzung der Strom-Anstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten des zuge­ ordneten Ventils (T1, T2, T3, T4, T5, T6) sowie
• - einer zum Beschaltungskondensator (C) in Reihe geschal­ teten Rückspeisediode (D_R) zur Ableitung der Entlade­ energie des Beschaltungskondensators (C) an einen Spei­ cherkondensator (C_C) beim Einschalten des Ventils (T1, T2, T3, T4, T5, T6).

2. Stromrichterventilschaltung nach Anspruch 1, wobei die Beschaltungsmodule benachbarter in Reihe geschalte­ ter Ventile (T1, T2, T3, T4, T5, T6) über in Reihe geschaltete Rückspeisedioden (D_R) verbunden sind.

3. Stromrichterventilschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wo­ bei die Stromrichterventilschaltung als obere und untere Brü­ ckenseite in den Brückenzweig eines Stromrichters integriert ist.

4. Stromrichterventilschaltung nach Anspruch 3, wobei jede Brückenseite einen separaten Speicherkondensator (C_C) auf­ weist.

5. Stromrichterventilschaltung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Speicherkondensator (C_C) zur Rückspeisung der aufgenommenen Entladeenergie der Beschaltungskondensato­ ren (C) über eine Wandlereinrichtung mit dem Zwischenkreis des Stromrichters verbunden ist.

6. Stromrichterventilschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Speicherkondensator (C_C) zur Rückspeisung der aufgenommenen Entladeenergie der Beschaltungskondensato­ ren (C) über eine Wandlereinrichtung mit einem Stromnetz, insbesondere einem Drei-Phasen-Netz, verbunden ist.

7. Stromrichterventilschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Speicherkondensator (C_C) zur Abgabe der auf­ genommenen Entladeenergie der Beschaltungskondensatoren (C) mit einem Entladewiderstand verbunden ist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Stromrichterventilschaltung mit mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Ventilen (T1, T2, T3, T4, T5, T6), wobei zu jedem Ventil (T1, T2, T3, T4, T5, T6) ein parallel geschalteter Beschaltungskondensator (C) mit in Reihe geschalteter Beschaltungsdiode (D_S) zur Aufladung und zur Begrenzung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit beim Abschalten des Ventils (T1, T2, T3, T4, T5, T6) vorgesehen ist, insbesondere Verfahren zum Betrieb einer Stromrichterventil­ schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beim Ein­ schalten der Ventile (T1, T2, T3, T4, T5, T6) eine sukzessive Ent­ ladung der zugeordneten Beschaltungskondensatoren (C) über in Reihe geschaltete Rückspeisedioden (D_R) der Beschaltungsmodu­ le benachbarter Ventile (T1, T2, T3, T4, T5, T6) in einen Spei­ cherkondensator (C_C) zur Aufnahme der Entladeenergie der Be­ schaltungskondensatoren (C) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei beim Einschalten der Ventile(T1, T2, T3, T4, T5, T6) eine Entladung der jeweiligen zu­ geordneten Beschaltungskondensatoren (C) auf einen bestimmten Spannungswert des Speicherkondensators (C_C) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Spannungswert des Speicherkondensators einstellbar ist.