DE10063084A1 - Leistungselektronische Schaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine leistungselektronische Schaltung (2) mit wenigstens einem Leistungshalbleiter, dessen Steuereingänge mit einer Ansteuereinrichtung (6) verknüpft sind, und mit einer Stromversorgung (8), die ausgangsseitig mit Anschlüssen der Ansteuereinrichtung (6), und eingangsseitig mit einer Einrichtung (10) verbunden sind, an der eine Versorgungsspannung ansteht. Erfindungsgemäß ist als Leistungshalbleiter ein selbstleitender Leistungshalbleiter (4) vorgesehen. Somit werden die Durchlass- und Schaltverluste einer leistungselektronischen Schaltung kostengünstig reduziert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine leistungselektronische Schaltung mit wenigstens einem Leistungshalbleiter, dessen Steuereingänge mit einer Ansteuereinrichtung verknüpft sind, und mit einer Stromversorgung, die ausgangsseitig mit An­ schlüssen der Ansteuereinrichtung und eingangsseitig mit ei­ ner Einrichtung verbunden ist, an der eine Versorgungsspan­ nung ansteht.

Zu den leistungselektronischen Schaltungen gehören Stromrich­ terschaltungen, wie z. B. selbstgeführter Stromrichter, der als Wechsel- bzw. Gleichrichter betrieben wird, oder DC/DC- Wandler, der als Tiefsetz- bzw. Hochsetzsteller oder als Schaltnetzteil ausgeführt ist. Allen diesen leistungselektro­ nischen Schaltungen ist gemeinsam, dass diese zumindest einen Leistungshalbleiter aufweisen, der mittels einer korrespon­ dierenden Ansteuereinrichtung gesteuert wird. Für die Auf­ bringung eines entsprechenden Steuerstromes bzw. Steuerspan­ nung ist die Ansteuereinrichtung mit Ausgängen einer Strom­ versorgung verbunden. Die Stromversorgung kann ein- oder mehrphasig an ein Stromnetz oder an einem Spannungszwischen­ kreis-Kondensator einer Stromrichterschaltung angeschlossen sein.

Leistungselektronische Schaltungen werden in einem Spannungs­ bereich über 100 V betrieben. In diesem Spannungsbereich wer­ den ausschließlich selbstsperrende Halbleiter als Leistungs­ halbleiter verwendet. Diesen selbstsperrenden Halbleitern ist gemeinsam, dass diese bei einer Steuerspannung von 0 V sper­ ren. Das heißt, erst wenn die Steuerspannung einen bestimmten positiven Wert überschreitet, führt der selbstsperrende Halb­ leiter einen Strom. Die selbstsperrende Ausführungsform der Halbleiter bedingt eine nicht zu vernachlässigbare Durchlass­ spannung, die im Betrieb für Durchlassverluste und Schaltverluste verantwortlich ist. Diese Verlustleistung, die zum Teil durch die selbstsperrende Ausführungsform der Halbleiter bedingt ist, muss durch Entwärmungseinrichtungen abgeführt werden. Dadurch wird das Bauvolumen einer leistungselektroni­ schen Schaltung vergrößert bzw. kann eine solche leistungs­ elektronische Schaltung nicht in unmittelbarer Nähe von Geräten installiert werden, die Verlustwärme erzeugen.

Die Durchlassverluste und Schaltverluste steigen mit der am Leistungshalbleiter anliegenden Spannung. Bei sehr hohen Spannungen, beispielsweise bis 5 kV, werden bei im Handel er­ hältlichen leistungselektronischen Schaltungen nur selbst­ sperrende bipolare Halbleiterschalter aus Silizium verwendet.

Aus der DE 196 10 135 C1 ist ein Hybrid-Leistungs-MOSFET be­ kannt, der einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET, insbeson­ dere einen Niedervolt-Leistungs-MOSFET, und einen selbstlei­ tenden n-Kanal-Sperrschicht-FET aufweist. Dieser hochsper­ rende Sperrschicht-FET wird auch als Junction-Field-Effect- Transistor (JFET) bezeichnet. Diese beiden FETs sind derart elektrisch in Reihe geschaltet, dass der Source-Anschluss des Sperrschicht-FET mit dem Drain-Anschluss des MOSFET und dass der Gate-Anschluss des Sperrschicht-FET mit dem Source-An­ schluss des MOSFET elektrisch leitend verbunden sind. Diese elektrische Zusammenschaltung zweier Halbleiterbauelemente wird bekanntlich auch als Kaskadenschaltung bezeichnet. Der niedersperrende MOSFET dieser Kaskadenschaltung weist eine interne bipolare Diode auf, die antiparallel zum MOSFET ge­ schaltet ist und allgemein als Invers bzw. interne Freilauf­ diode bezeichnet wird. Der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET dieses Hybrid-Leistungs-MOSFETs ist aus Silizium, wogegen der selbstleitende n-Kanal-JFET aus Siliziumkarbid besteht. Die­ ser Hybrid-Leistungs-MOSFET ist für eine hohe Sperrspannung von über 600 V ausgelegt und weist dennoch nur geringe Ver­ luste im Durchlassbereich auf.

Da dieser Hybrid-Leistungs-MOSFET ein selbstsperrendes Bau­ element ist, kann dieser die bipolaren Halbleiterschalter aus Silizium der zuvor genannten leistungselektronischen Schal­ tungen ersetzen, ohne das diese leistungselektronischen Schaltungen abgeändert werden müssen. Da dieser Hybrid- Leistungs-MOSFET aus zwei Halbleiterchips aufgebaut wird, be­ nötigt der Hybrid-Leistungs-MOSFET relativ viel Fläche. Dadurch wächst nicht nur der Platzbedarf der leistungselek­ tronischen Schaltung, sondern es steigen ebenfalls die Kosten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die leistungs­ elektronische Schaltung derart weiterzubilden, dass die Durchlass- und Schaltverluste weiter gesenkt werden können, ohne Erhöhung der Kosten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass als Leistungshalbleiter ein selbstleitender Leistungshalbleiter ist, werden die Durchlassverluste und Schaltverluste der leistungselektronischen Schaltung weiter reduziert. Da gegenüber den Hybrid-Leistungs-MOSFETs die An­ zahl der verwendeten Halbleiterchips halbiert sind, wird der Platzbedarf dieser leistungselektronischen Schaltung deutlich gesenkt. Ebenso verringern sich die Kosten gegenüber einer leistungselektronischen Schaltung mit Hybrid-Leistungs-MOS- FETs. Damit diese leistungselektronische Schaltung mit selbstleitenden Leistungshalbleiter betrieben werden kann, muss die Einrichtung, die der Stromversorgung vorgeschaltet ist, derart ausgebildet sein, dass der Stromversorgung eine vorbestimmte Versorgungsspannung für die Ansteuereinrichtung des selbstleitenden Leistungshalbleiters unmittelbar nach Schließen eines Netzschalters angeboten werden kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass der selbstleitende Leistungs­ halbleiter der leistungselektronischen Schaltung zum Ein­ schalten dieser leistungselektronischen Schaltung gesperrt werden kann. Somit erhält man eine leistungselektronische Schaltung, die wie eine leistungselektronische Schaltung mit selbstsperrenden Leistungshalbleiter funktioniert, jedoch erheblich geringere Durchlassverluste und Schaltverluste auf­ weist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der leistungselektro­ nischen Schaltung ist der selbstleitende Leistungshalbleiter ein hochsperrender Sperrschicht-FET aus Siliziumkarbid. Die­ ser Leistungshalbleiterschalter kann bei einer hohen Tempera­ tur betrieben werden, so dass gegenüber handelsüblichen leis­ tungselektronischen Schaltungen der Aufwand an Entwärmung sehr reduziert werden kann. Dadurch reduziert sich ebenfalls der Platzbedarf für die leistungselektronische Schaltung. Au­ ßerdem kann dadurch die erfindungsgemäße leistungselektroni­ sche Schaltung in unmittelbarer Nähe von bzw. in Geräte ange­ ordnet werden, die Verlustwärme erzeugen. Es besteht somit die Möglichkeit, eine erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung ohne eine eigene Entwärmungseinrichtung in einem Klemmkasten eines Elektromotors zu integrieren.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der leis­ tungselektronischen Schaltung ist der selbstleitende Leis­ tungshalbleiter derart bemessen, dass dieser durch eine sät­ tigenden Kennlinie unabhängig von einer anliegenden Spannung den Stromfluss durch den selbstleitenden Leistungshalbleiter begrenzt, wobei dieser selbstleitende Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ist. Mit einem derartigen selbstleitenden Leistungshalbleiter wird keine Einrichtung für die Stromver­ sorgung der Ansteuereinrichtung des selbstleitenden Leis­ tungshalbleiters benötigt. Somit können die Durchlassverluste einer leistungselektronischen Schaltung dadurch reduziert werden, dass nur der selbstsperrende Leistungshalbleiter durch einen selbstleitenden Leistungshalbleiter ausgetauscht wird.

Bei einer ersten Ausführungsform der Einrichtung für die Stromversorgung der Ansteuereinrichtung der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltung weist diese Einrichtung ei­ nen Schalter und einen Gleichrichter mit gleichspannungssei­ tigen Hilfskondensator auf. Die Stromversorgung für die An­ steuereinrichtung ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator geschaltet, wobei der Gleichrichter mittels des Schalters mit einem Versorgungsnetz verbindbar ist. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird dafür gesorgt, dass die leis­ tungselektronische Schaltung erst dann mittels eines Schal­ ters in Betrieb genommen werden kann, wenn die Stromversor­ gung der Ansteuereinrichtung des bzw. der selbstleitenden Leistungshalbleiter(s) eine vorbestimmte Versorgungsspannung liefert, so dass der/die selbstleitenden Leistungshalbleiter gesperrt werden können. Durch die Verwendung der Einrichtung für die Stromversorgung der Ansteuereinrichtung kann die leistungselektronische Schaltung, nachdem der bzw. die selbstsperrenden Leistungshalbleiter durch selbstleitende Leistungshalbleiter ersetzt sind, unverändert verwendet wer­ den.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung für die Stromversorgung der Ansteuereinrichtung des selbstleiten­ den Leistungshalbleiters weist diese Einrichtung einen Schal­ ter und einen Hilfskondensator auf, wobei der Hilfskondensa­ tor mittels des Schalters elektrisch parallel zu einem Span­ nungszwischenkreis-Kondensator schaltbar ist. Der Schalter ist in einer Verbindung der beiden elektrisch parallel ge­ schalteten Kondensatoren angeordnet. Die Stromversorgung ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator ge­ schaltet. Sobald die Stromversorgung eine vorbestimmte Ver­ sorgungsspannung für die Ansteuereinrichtung des bzw. der selbstleitenden Leistungshalbleiter aufweist, werden diese gesperrt. Bei dieser Ausführungsform werden nur noch wenige zusätzliche Bauelemente benötigt, damit eine handelsübliche leistungselektronische Schaltung nach Austausch der selbstsperrenden Leistungshalbleiter gegen selbstleitende Leis­ tungshalbleiter weiter betreibbar bleibt.

Weitere Ausgestaltungen der leistungselektronischen Schaltung gemäß der Erfindung sind den Unteransprüchen 7 bis 18 zu ent­ nehmen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen leistungselektronischen Schaltung schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der leistungs­ elektronischen Schaltung nach der Erfindung, in der

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen leistungs­ elektronischen Schaltung dargestellt, die

Fig. 3 zeigt temperaturabhängige Sättigungskennlinien in einem I/U-Diagramm, in der

Fig. 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der leis­ tungselektronischen Schaltung nach Fig. 2 darge­ stellt, die

Fig. 5 bis 13 zeigen jeweils ein Blockschaltbild einer weite­ ren Ausführungsform der erfindungsgemäßen leis­ tungselektronischen Schaltung, wobei in den

Fig. 14 und 15 weitere Ausführungen der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltung dargestellt sind.

In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der leistungs­ elektronischen Schaltung 2 nach der Erfindung dargestellt. Diese leistungselektronische Schaltung 2 weist wenigstens ei­ nen selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 auf, dessen Steuer­ eingänge mit einer korrespondierenden Ansteuereinrichtung 6 verbunden sind. Weiterhin weist diese leistungselektronische Schaltung 2 eine Stromversorgung 8 für die Ansteuereinrich­ tung 6 und eine Einrichtung 10 auf. Diese Einrichtung 10 ist ausgangsseitig mit Anschlüssen der Stromversorgung 8 der An­ steuereinrichtung 6 verknüpft. Außerdem ist die Einrichtung 10 mittels einer Leitung 12 mit einem Netz 18 verbunden. Mit­ tels eines EIN-/AUS-Schalters 16 ist die leistungselektroni­ sche Schaltung 2 mit diesem Netz 18 verbindbar. In dieser Darstellung ist als selbstleitender Leistungshalbleiter 4 ein n-Kanal-Sperrschicht-FET, insbesondere ein hochsperrender, dargestellt. Dieser hochsperrende n-Kanal-Sperrschicht-FET wird, wie bereits erwähnt, als Junction-Field-Effekt-Tran­ sistor (JFET) bezeichnet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dieser JFET aus Siliziumkarbid. Da durch die Einrichtung 10 darauf geachtet wird, dass die Stromver­ sorgung eine vorbestimmte Versorgungsspannung für die An­ steuereinrichtung 6 des selbstleitenden Leistungshalbleiters 4 generiert, kann, nachdem der selbstleitende Leistungshalb­ leiter 4 gesperrt ist, die leistungselektronische Schaltung wie eine handelsübliche leistungselektronische Schaltung mit selbstsperrenden Leistungshalbleiter betrieben werden.

Durch die Verwendung von selbstleitenden Leistungshalbleitern 4 werden die Durchlassverluste einer leistungselektronischen Schaltung 2 erheblich reduziert. Der Aufwand für die Einrich­ tung 10 ist minimal, so dass die Reduzierung der Durchlass­ verluste der leistungselektronischen Schaltung 2 ohne Mehr­ kosten geschaffen wird. Gegenüber einer leistungselektroni­ schen Schaltung 2 mit Hybrid-Leistungs-MOSFETs als Leistungs­ halbleiter 4 werden nicht nur die Durchlassverluste redu­ ziert, sondern ebenso die Kosten gesenkt.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltung 2, die hier ein Spannungszwischenkreis-Umrichter ist. Dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter weist als netz­ seitigen Stromrichter 20 einen ungesteuerten Stromrichter, der auch als Gleichrichter bezeichnet wird, einen Spannungs­ zwischenkreis-Kondensator C1 und einen Wechselrichter 22 mit sechs selbstleitenden Leistungshalbleitern 4 auf. Die Strom­ versorgung 8 für die Ansteuereinrichtungen 6, die aus Über­ sichtlichkeitsgründen hier nicht näher dargestellt ist, ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Spannungszwischen­ kreis-Kondensator C1 geschaltet. Der netzseitige Stromrichter 20 ist wechselspannungsseitig mittels des EIN-/AUS-Schalters 16, der beispielsweise ein Schütz ist, mit dem Versor­ gungsnetznetz 18 verbindbar. Die Stromversorgung 8 der An­ steuereinrichtung 6 ist ein Schaltnetzteil, das aus mehreren 100 V Zwischenkreisspannung, beispielsweise eine Versorgungs­ spannung von +/-25 V für die Ansteuereinrichtungen generiert. Als selbstleitender Leistungshalbleiter 4 sind in dieser Ausführungsform JFETs aus Siliziumkarbid vorgesehen, die der­ art dimensioniert sind, dass unabhängig von der anstehenden Spannung der Strom durch die selbstleitenden Leistungshalb­ leiter 4 begrenzt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der JFET eine nichtlineare Stromspannung-Kennlinie gemäß der Fig. 3 erhält, welche den Strom durch die selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 auf einen von der anliegenden Spannung unabhängigen Wert begrenzt. Die Nichtlinearität kann dabei derart gewählt werden, dass die selbstleitenden Leistungs­ halbleiter 4 erst oberhalb eines vorgegebenen Stromwertes ei­ nen Teil der Zwischenkreisspannung aufnehmen und sich somit bei niedrigeren Strömen nicht bemerkbar machen und somit im Dauerbetrieb kaum Verluste verursachen.

Da die selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 jeweils eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen wird die Einrichtung 10 für die Stromversorgung 8 der Ansteuereinrich­ tung 6 nicht mehr benötigt. Ohne diese nichtlineare Strom- Spannungs-Kennlinie schließen die selbstleitenden Leistungs­ halbleiter 4 den Spannungszwischenkreis-Kondensator C1 kurz, so dass beim Einschalten des Spannungszwischenkreis-Umrich­ ters keine Zwischenkreisspannung aufgebaut werden kann. Ohne Zwischenkreisspannung existiert auch keine Versorgungsspan­ nung für die Ansteuereinrichtungen 6 der selbstleitenden Leistungshalbleiter 4, so dass diese nicht angesteuert werden können. Duch die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie je­ des selbstleitenden Leistungshalbleiters 4 wird die Zwischen­ kreisspannung aufgebaut, wobei eine Verlustleistung in Kauf genommen werden muss.

In der Fig. 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der leis­ tungselektronischen Schaltung 2 nach Fig. 2 dargestellt. Diese Darstellung beschränkt sich auf die wesentlichen Teile der leistungselektronischen Schaltung 2 nach Fig. 2, die hier zur Erläuterung notwendig sind. Gegenüber der Ausführungsform der leistungselektronischen Schaltung 2 nach Fig. 2 weist diese Ausführungsform eine Reihenschaltung 24 auf, die eine Ent­ kopplungsdiode D und einen Hilfskondensator C2 aufweist. Diese Reihenschaltung 24 ist elektrisch parallel zum Span­ nungszwischenkreis-Kondensator C1 geschaltet. Die Stromver­ sorgung 8 für die Ansteuereinrichtungen 6 der selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator C2 geschaltet. Die Entkopplungsdiode D entkoppelt die beiden Kondensatoren C1 und C2 von einander. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass beim kurzzeitigen Aus­ schalten des Spannungszwischenkreis-Umrichters der Spannungs­ zwischenkreis-Kondensator C1 entladen werden kann, ohne dass die Stromversorgung 8 der Ansteuereinrichtungen 6 ihre Ein­ gangsspannung verliert. Die Entladung des Spannungszwischen­ kreis-Kondensators C1 kann durch Einschalten aller Leistungs­ halbleiter 4 des Wechselrichters 22 des Spannungszwischen­ kreis-Umrichters erfolgen. Sobald der Spannungszwischenkreis- Umrichter wieder eingeschaltet wird, ist dieser sofort be­ triebsbereit, da die Eingangsspannung für die Stromversorgung 8 nicht erst aufgebaut werden muss. Der Wert der Kapazität dieses Hilfskondensators C2 richtet sich nach der erforderlichen Überbrückungszeit.

In der Fig. 5 ist eine erste Ausführungsform der Einrichtung 10 für die Stromversorgung 8 der Ansteuereinrichtung 6 eines selbstleitendes Leistungshalbleiters 4 veranschaulicht. Diese Einrichtung 10 weist einen Schalter 26 auf, einen Gleichrich­ ter 28 mit einem gleichspannungsseitigen Hilfskondensator C2 und eine Ablaufsteuereinrichtung 30 auf. Der Schalter 26 ver­ bindet den Gleichrichter 28 wechselspannungsseitig mit dem Versorgungsnetz 18, an dem mittels des EIN-/AUS-Schalters 16 die leistungselektronische Schaltung 2 anschließbar ist. Die Stromversorgung 8 ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator C2 geschaltet. Mit Schließen des Schalters 26 wird mittels des Gleichrichters 28 und des Hilfskondensa­ tors C2 eine Gleichspannung für die Stromversorgung 8 aufge­ baut. Aus dieser Eingangs-Gleichspannung generiert die Stromversorgung 8 eine Versorgungsspannung für die Ansteuer­ schaltung 6 eines selbstleitenden Leistungshalbleiters 4. Sobald die Versorgungsspannung der Ansteuereinrichtung 6 auf­ gebaut ist, wird der selbstleitende Leistungsschalter 4 der leistungselektronischen Schaltung 2 gesperrt.

In der Fig. 6 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Ein­ richtung 10 nach Fig. 1 näher dargestellt. Diese Einrichtung 10 weist einen Schalter 32 und einen Hilfskondensator C2 auf. Der Hilfskondensator C2 ist elektrisch parallel zum Span­ nungszwischenkreis-Kondensator C1 geschaltet, wobei der Schalter 32 in einer Verbindung dieser beiden parallel ge­ schalteten Kondensator C1 und C2 angeordnet ist. Es ist un­ erheblich, in welcher Verbindung dieser Schalter 32 angeord­ net ist. Elektrisch parallel zum Hilfskondensator C2 ist der Eingang der Stromversorgung 8 geschaltet. Ausgangsseitig ist die Stromversorgung 8 mit Anschlüssen einer Ansteuereinrich­ tung 6 verbunden. Gegenüber der Ausführungsform der Einrich­ tung 10 nach Fig. 5 wird hier der Gleichrichter 28 eingespart, da diese bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter bereits vorhanden ist.

In der Fig. 7 weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter ei­ nen Vorladewiderstand 52 auf, der mittels eines Schalters 54 überbrückbar ist. Dieser überbrückbare Vorladewiderstand 52 ist in der positiven Stromschiene zwischen dem netzseitigen Stromrichter 20 und dem Wechselrichter 32 angeordnet. Die Einrichtung 10 weist bei dieser Ausführungsform des Span­ nungszwischenkreis-Umrichters ebenfalls eine Reihenschaltung 24 auf, die eine Entkopplungsdiode D und einen Hilfskondensa­ tor C2 aufweist. Diese Reihenschaltung 24 ist elektrisch pa­ rallel zum Ausgang des netzseitigen Stromrichters 20 geschal­ tet. Die Stromversorgung 8 der Ansteuereinrichtung 6 der selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 des Wechselrichters 32 ist eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator C2 geschaltet. Außerdem ist diese Stromversorgung 8 mittels einer Steuerleitung 14 mit einem Steuereingang des Schalters 54 verbunden. Dieser Schalter 54 wird betätigt, sobald der Spannungszwischenkreis-Kondensator C1 einen vorbestimmten Spannungswert überschritten hat.

Anstelle des überbrückbaren Vorladewiderstand 52 kann auch ein Heißleiter 56 verwendet werden (Fig. 8). Beim Zuschalten des Netzes 18 auf den ungeladenen Spannungszwischenkreis-Kon­ densator C1 bei kaltem Heißleiter 56 nimmt dieser Spannung auf und begrenzt den Strom, der durch den noch kurzgeschlos­ senen Wechselrichter 32 fließt. Da die Spannung für die Stromversorgung 8 vor dem Heißleiter 56 in Stromflussrichtung gesehen abgegriffen wird, kann diese ihre Arbeit aufnehmen und die Energie zum Sperren der selbstleitenden Leistungs­ halbleiter 4 des Wechselrichters 32 liefern. Sobald diese selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 sperren, lädt sich der Spannungszwischenkreis-Kondensator C1 auf. Bei dieser Ausfüh­ rung ist wichtig, dass die Stromversorgung 8 der Ansteuerein­ richtung 6 schnell betriebsbereit wird, noch bevor der Heiß­ leiter 56 durch den Kurzschlussstrom heiß und damit niederohmig geworden ist. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 7 werden ein Schalter 54 und eine Steuerleitung 14 eingespart.

In der Fig. 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Kurzschluss des Spannungszwischenkreis-Kondensators C1 beim Zuschalten des Netzes 18 sofort aufgehoben wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Heißleiter 56 in der Bezugs­ schiene (Masseleitung) des Spannungszwischenkreis-Umrichters zwischen dem netzseitigen Stromrichter 20 und dem Wechsel­ richter 32 angeordnet ist. Zusätzlich zur Reihenschaltung 24 weist die Einrichtung 10 jeweils einen Widerstand 58 für je­ den selbstsperrenden Leistungshalbleiter 4 der unteren Brü­ ckenseite des Wechselrichters 32 auf. Diese selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 sind mit einem Anschluss mit der Be­ zugsschiene elektrisch leitend verbunden. Jeder Widerstand 58 ist einerseits mit einem Steueranschluss eines selbstleiten­ den Leistungshalbleiters 4 und andererseits mittels zweier antiparallel geschalteter Zenerdioden 60 und 62 mit der Be­ zugsschiene im netzseitigen Stromrichter 20 verbunden. Mit­ tels dieser Widerstände 58 wird die am Heißleiter 56 anlie­ gende Spannung abzüglich der Zenerspannungen der Zenerdioden 60, 62, als negative Sperrspannung an die Steueranschlüsse der selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 der unteren Brü­ ckenseite des Wechselrichters 32 gelegt. Da diese Spannung höher sein kann als für die Steueranschlüsse der selbstlei­ tenden Leistungshalbleiter 4 zulässig, wird jeder Steueran­ schluss durch eine Zenerdiode 64 und 66 geschützt. Die Wider­ stände 58 sind sehr hochohmig, um die Leistung der Zenerdio­ den 60 bis 64 sehr klein zu halten. Im Dauerbetrieb ist die Spannung an den Widerständen 58 kleiner 15 V. Die Zenerdioden 60 und 62 verhindern, dass der Spannungsabfall am Heißleiter 56 im Normalbetrieb die Ansteuerung der selbstleitenden Leis­ tungshalbleiter 4 des Wechselrichters 32 beeinflusst.

In der Fig. 10 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung 10 nach Fig. 9 näher dargestellt. Diese Variante der Einrichtung 10 kommt nur mit einem Widerstand 58 aus. Da­ für sind drei Dioden 68 vorgesehen, die derart verschaltet sind, dass im Normalbetrieb die Dioden 68 sperren und der Wi­ derstand 58 stromlos ist. Als Dioden 68 sind Niederspannungs­ dioden vorgesehen.

In der Fig. 11 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung 10 näher dargestellt. Bei dieser Variante der Einrichtung 10 wird nur ein Widerstand 58 und eine Diode 68 benötigt. Die Diode 68 ist nicht wie bei der Variante nach Fig. 10 anodenseitig mit einem Steueranschluss eines selbst­ leitenden Leistungshalbleiters 4, sondern mit dem Ausgang der Stromversorgung 8 verknüpft. Dadurch wird durch den Span­ nungsabfall am Heißleiter 56 direkt die Versorgungsspannung der Ansteuereinrichtungen 6 der selbstleitenden Leistungs­ halbleiter 4 der unteren Brückenseite des Wechselrichters 32 aufgebaut.

In der Fig. 12 ist ein Spannungszwischenkreis-Umrichter dar­ gestellt, der als netzseitigen Stromrichter 20 eine halbge­ steuerte Thyristorbrücke aufweist. Die negative Stromschiene zwischen dem netzseitigen Stromrichter 20 und dem Wechsel­ richter 32 ist bei diesem Spannungszwischenkreis-Umrichter mit Masse verbunden. Für die Steuerung der Thyristoren der halbgesteuerten Brücke ist eine Ansteuereinrichtung 70 vorgesehen, die mittels einer Leitung 12 mit einem Ausgang der Stromversorgung 8 verbunden ist. Die Einrichtung 10 weist, wie in der Fig. 4, eine Reihenschaltung 24 auf, die elektrisch parallel zum Ausgang des netzseitigen Stromrich­ ters 20 geschaltet ist. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der Verbindungspunkt der Diode D und des Hilfs­ kondensators C2 mittels einer Diode 72 mit einer Netzleitung verbunden. Wenn der Umrichter mittels des EIN-/AUS-Schalters 16 an Netz 18 gelegt wird, bleibt der Spannungszwischenkreis zunächst spannungsfrei, da die Thyristoren der halbge­ steuerten Brücke noch keine Zündimpulse erhalten.

Damit die Stromversorgung 8 eine Versorgungsspannung für die Ansteuereinrichtung 6 der selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 des Wechselrichters 32 und für die Ansteuereinrichtung 70 der Thyristoren generieren kann, ist diese eingangsseitig mit wenigstens einer Diode 72 mit einer Netzleitung verbunden. Es können auch drei Dioden verwendet werden. Sobald eine Versorgungsspannung generiert ist, werden die selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 des Wechselrichters 32 gesperrt und die Thyristoren angesteuert. Zum Hochfahren des Zwischenkreises des Umrichters wird der Steuerwinkel ausgehend von Wechselrichterendlagen langsam auf Null verkleinert. Ist der Zwischenkreis hochgefahren, erhält die Stromversorgung 8 ihre Energie aus dem Spannungszwischenkreis-Kondensator C1.

Als leistungselektronische Schaltung kann auch ein Matrixum­ richter vorgesehen sein, dessen selbsstsperrende Leistungs­ halbleiter durch selbstleitende Leistungshalbleiter ersetzt werden können. Auch bei einem Matrixumrichter als Leistungs­ elektronische Schaltung weist die Einrichtung 10 eine Reihen­ schaltung 24 auf. Anstelle einer Diode D, weist diese Reihen­ schaltung drei Dioden D auf. Außerdem ist der zweite An­ schluss des Hilfskondensators C2 mit drei Dioden D' mit den Eingangs-Anschlüssen des Matrixumrichters verknüpft. Die Stromversorgung 8 der Ansteuereinrichtung 6 der selbstleiten­ den Leistungshalbleiter 4 des Matrixumrichters erhält bevor dieser Matrixumrichter mittels des Schalters 16 ans Netz 18 geschaltet wird, seine Energie aus dem Netz 18. Dazu ist die Stromversorgung 8 eingangsseitig mittels zweier Dioden 72 mit zwei Netzleitungen verbunden. Sobald die selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 gesperrt sind, wird mittels der Steuer­ leitung 14 der EIN-/AUS-Schalter 16 geschlossen.

Da eine korrekte Versorgung des/der selbstleitenden Leis­ tungshalbleiter(s) einer leistungselektronischen Schaltung 2 mit Ansteuerenergie für den Betrieb außerordentlich wichtig ist, kann die Stromversorgung 8 redundant ausgeführt werden.

In der Fig. 14 ist eine redundante Ausführungsform der Strom­ versorgung 8 dargestellt. In dieser Darstellung ist als Stromversorgung 8 und 34 jeweils ein Schaltnetzteil vorgese­ hen, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen nur der Ein­ gangstransformator 36 und 38 dargestellt ist. Da jede Strom­ versorgung 8 und 34 sechs Ansteuereinrichtungen 6 der sechs selbstleitenden Leistungshalbleiter 4 eines Wechselrichters 22 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einer Versor­ gungsenergie versorgt, sind die Transformatoren 36 und 38 jeweils mit sechs Sekundärwicklungen 40 und 42 versehen. Die Primärwicklung 44 bzw. 46 der Stromversorgung 8 bzw. 34 ist elektrisch parallel zum Hilfskondensator C2 geschaltet. Jeweils ein Ausgang der Sekundärwicklungen 40 bzw. 42 ist mit einer Entkopplungsdiode 48 bzw. 50 versehen. Die Ausgänge ei­ ner jeden Sekundärwicklung 40, 42 sind mit einer korrespon­ dierenden Ansteuereinrichtung 6 eines selbstleitenden Leistungshalbleiterschalters 4 verknüpft. Durch diese redun­ dante Ausgestaltung der Stromversorgung 8 kann gewährleistet werden, dass die selbstleitenden Leistungshalbleiterschalter 4 einer leistungselektronischen Schaltung 2 immer mit Ansteuerenergie für deren Betrieb versorgt werden.

In der Fig. 15 ist eine weitere Möglichkeit der Verschaltung von zwei Stromversorgungen 8 und 34 dargestellt. Bei dieser Darstellung sind die beiden Stromversorgungen 8 und 34 nicht elektrisch parallel geschaltet, sondern jeweils vorbestimmten Ansteuereinrichtung 6 zugeordnet. Die Ausgänge der Stromver­ sorgung 8 sind mit den Ansteuereinrichtungen 6 der selbstlei­ tenden Leistungshalbleiter 4 einer oberen Brückenseite des Wechselrichters 22 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden, wogegen die Ausgänge der Stromversorgung 34 mit den Ansteuereinrichtungen 6 der selbstleitenden Leistungs­ halbleiter 4 der unteren Brückenseite des Wechselrichters 22 verknüpft sind. Da jede Stromversorgung 8 bzw. 34 nur drei Ansteuereinrichtungen 6 versorgen muss, weist der Eingangs­ transformator 36 bzw. 38 nur drei Sekundärwicklungen 40 bzw. 42 auf. Mit dieser Ausführungsform kann ein unbeabsichtigter Zwischenkreiskurzschluss eines Spannungszwischenkreis- Umrichters verhindert werden. Fällt jedoch eine Stromversorgung 8 bzw. 34 aus, muss die leistungselektronische Schaltung 2 ausgeschaltet werden.

In Verbindung mit einer Einrichtung 10 kann ein selbst­ leitender Leistungshalbleiter 4 als direkter Ersatz für selbstsperrende Leistungshalbleiter in handelsüblichen Stromrichterschaltungen verwendet werden, um kostengünstig die Durchlassverluste zu senken. Bei der Verwendung von selbstleitenden Leistungshalbleitern 4 in handelsüblichen Stromrichterschaltungen kann ebenfalls auf die Freilaufdiode verzichtet werden, wodurch sich der Verschaltungsaufwand und der Platzbedarf ebenfalls verringert.

Claims (18)

1. Leistungselektronische Schaltung (2) mit wenigstens einem Leistungshalbleiter, dessen Steuereingänge mit einer Ansteu­ ereinrichtung (6) verknüpft sind und mit einer Stromversor­ gung (8), die ausgangsseitig mit Anschlüssen der Ansteuerein­ richtung (6) und eingangsseitig mit einer Einrichtung (10) verbunden ist, an der eine Versorgungsspannung ansteht, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalb­ leiter ein selbstleitender Leistungshalbleiter (4) vorgesehen ist.

2. Leistungselektronische Schaltung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstleitende Leistungshalbleiter (4) aus Siliziumkarbid besteht.

3. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstleitende Leistungshalbleiter (4) ein hochsperrender Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor ist.

4. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstleitende Leistungshalbleiter (4) derart bemessen ist, dass dieser durch eine sättigende Kennlinie unabhängig von einer anliegenden Spannung einen Stromfluss begrenzt.

5. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) einen Schalter (26 und einen Gleichrich­ ter (28) mit einem gleichspannungsseitigen Hilfskondensator (C2) aufweist, wobei der Schalter (26) den Gleichrichter (28) wechselspannungsseitig mit dem Versorgungsnetz (18) verbindet und wobei die Stromversorgung (8) eingangsseitig mit dem Hilfskondensator (C2) verbunden ist.

6. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, mit einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (C1) und einem netzseitigen ungesteuerten Stromrichter (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) einen Schalter (32) und einen Hilfskondensator (C2) aufweist, wobei der Hilfskondensator (C2) elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Ausgängen des netzseitigen Strom­ richters (20) geschaltet ist, wobei der Schalter (32) in ei­ ner Verbindung der beiden Kondensatoren (C1, C2) angeordnet ist und wobei die Stromversorgung (8) eingangsseitig mit den gleichspannungsseitigen Ausgängen des netzseitigen Stromrich­ ters (20) verbunden ist.

7. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, mit einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (C1), einem netzseitigen ungesteuerten Stromrichter (20) und mit einem überbrückbaren Vorladewiderstand (52) in einer po­ sitiven Verbindung zwischen Stromrichterausgang und Span­ nungszwischenkreis-Kondensator (C1), dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Einrichtung (10) eine Reihenschaltung aus einer Entkopplungsdiode (D) und einem Hilfskondensator (C2) aufweist, wobei diese Reihenschaltung elektrisch paral­ lel zum Ausgang des Stromrichters (20) und die Stromversor­ gung (8) eingangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskonden­ sator (C2) geschaltet sind, und dass die Stromversorgung (8) mittels einer Steuerleitung (14) mit einem Schalter (54) des überbrückbaren Vorladewiderstandes (52) verknüpft ist.

8. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, mit einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (C1), einem netzseitigen ungesteuerten Stromrichter (20) und mit einem Heißleiter in einer Masseverbindung zwischen Strom­ richterausgang und Spannungszwischenkreis-Kondensator (C1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) eine Reihenschaltung (24) aus einer Entkopplungsdiode () und einem Hilfskondensator (C2), zwei antiparallel geschaltete Zenerdioden und wenigstens einem Widerstand (58) aufweist, wobei diese Reihenschaltung (24) elektrisch parallel zum Aus­ gang des Stromrichters (20) und die Stromversorgung (8) ein­ gangsseitig elektrisch parallel zum Hilfskondensator (C2) ge­ schaltet sind, und wobei der Widerstand (58) einerseits mit einem Steueranschluss des selbstleitenden Leistungshalblei­ ters (4) und andererseits mittels der antiparallel geschalte­ ten Zenerdioden (60, 62) mit einem Masseanschluss des netz­ seitigen Stromrichters (20) verbunden ist.

9. Leistungselektronische Schaltung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Widerstand (58) und Steueranschluss eines selbstleitenden Leistungshalb­ leiters (4) eine Entkopplungsdiode (68) geschaltet ist.

10. Leistungselektronische Schaltung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand an­ stelle mit einem Steueranschluss des selbstleitenden Leis­ tungshalbleiters (4) mittels einer Entkopplungsdiode (D) mit einem positiven Ausgang der Stromversorgung (8) verbunden ist.

11. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, mit einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (C1), einem netzseitigen halbgesteuerten Stromrichter (20) mit zugehöriger Ansteuereinrichtung (70) und mit wenigstens einer Diode (72), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) eine Reihenschaltung (24) aus einer Entkopp­ lungsdiode (D) und einem Hilfskondensator C2) aufweist, wobei diese Reihenschaltung (24) elektrisch parallel zum Ausgang des Stromrichters (20) und die Stromversorgung (8) eingangs­ seitig parallel zum Hilfskondensator (C2) geschaltet ist, dass der Verbindungspunkt der Entkopplungsdiode (D) und des Hilfskondensators (C2) mittels der Diode (72) von einer Netzleitung entkoppelt ist, und dass die Stromversorgung (8) mittels einer Leitung (12) mit der Ansteuereinrichtung (70) verknüpft ist.

12. Leistungselektronische Schaltung (2) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (26, 32) als elektronischer Schalter ausgeführt ist.

13. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (8) ein DC/DC-Wandler ist.

14. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (8) ein Schaltnetzteil ist.

15. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätswert des Hilfskondensators (C2) wesentlich ge­ ringer ist, als der Kapazitätswert des Spannungszwischen­ kreis-Kondensators (C1).

16. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltung (2) ein Wechselrichter (22) ist.

17. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltung (2) ein selbstgeführter Netzstromrichter (20) ist.

18. Leistungselektronische Schaltung (2) nach einem der An­ sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronische Schaltung (2) ein Matrixumrichter ist.