DE10124197A1 - Umrichter mit einem netz- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter (2) mit einem netz- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4, 6), die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (8) elektrisch leitend verknüpft sind, und mit einem Netzfilter (12), das dem netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4) wechselspannungsseitig vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß sind als abschaltbare Stromrichterventile (16, 18) der netz- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4, 6) Halbleiterschalter unterschiedlicher Topologie vorgesehen, die für unterschiedliche Pulsfrequenzen geeignet sind. Somit kann jeder Pulsstromrichter (4, 6) des Umrichters (2) für die jeweils benötigte Pulsfrequenz (f¶pN¶, f¶pL¶) optimiert werden, wodurch vor allem Kosten, aber auch Platz, gespart werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter mit einem netz- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Umrichter ist im Handel erhältlich. In der Fig. 1 ist ein derartiger Umrichter, der beispielsweise aus dem Siemens-Katalog DA65. 10-2000 mit dem Titel "Simovert Masterdrives Vector Control" bekannt ist, näher dargestellt. Dieser Umrichter 2 weist einen netz- und lastseitigen selbst­ geführten Pulsstromrichter 4 und 6 auf, die gleichspannungs­ seitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 8 elekt­ risch leitend verknüpft sind. Zwischen einem Netz 10 und dem wechselspannungsseitigen Anschlüssen des netzseitigen selbst­ geführten Pulsstromrichters 4 ist ein Netzfilter 12 geschal­ tet. Je höher die Pulsfrequenz f_pN, auch als Arbeitsfrequenz bezeichnet, dieses netzseitigen selbstgeführten Pulsstrom­ richters 4 ist, um so kleiner und kostengünstiger kann das Netzfilter 12 ausgelegt werden. An den wechselspannungsseiti­ gen Anschlüssen des lastseitigen selbstgeführten Stromrich­ ters 6 ist eine Last 14 angeschlossen. Der netzseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 4 wird derartig gesteuert, dass der Netzstrom i_N oberschwingungsarm ist. Die verbleiben­ den Oberschwingungen werden mittels des Netzfilters 12 her­ ausgefiltert. Im zugehörigen Diagramm ist jeweils über eine Netzperiode ein Netzstrom i_N, eine Netzspannung u_N und eine Eingangsspannung u_E des netzseitigen selbstgeführten Puls­ stromrichters 4 einer Phase dargestellt. Dieser netzseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 4 kann außerdem derart ge­ steuert werden, dass Energie zurück ins Netz 10 gespeist wer­ den kann. Der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 6 wird derartig gesteuert, dass dieser aus der eingangsseitig anliegenden konstanten Gleichspannung U_Z pro Phase eine Wech­ selspannung mit veränderbarer Amplitude und Frequenz gene­ riert. Im zugehörigen Diagramm ist jeweils über eine Periode ein Laststrom i_L, eine Ausgangsspannung uL und die zugehörige Grundschwingung u_LG dargestellt. Als abschaltbare Stromrich­ terventile 16 und 18 der netz- und lastseitigen selbstgeführ­ ten Pulsstromrichter 4 und 6 werden Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren, die auch als IGBT bezeichnet werden, verwendet.

Bei diesem bekannten netzfreundlichen und/oder rückspeisefä­ higen Umrichter 2 unterscheidet sich die Netzfrequenz f_N und die Ausgangsfrequenz f_U des Umrichters 2 nicht sehr stark. Eine vernünftige Auslegung des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 6 erfordert, dass das Verhältnis zwischen der Pulsfrequenz f_pL dieses Stromrichters 6 und der Ausgangsfre­ quenz f_U einen bestimmten Wert nicht unterschreiten soll. Aus dem oben genannten Katalog kann man dem Diagramm "Reduktions­ kurven für den motorseitigen Wechselrichter" entnehmen, dass für den Nennbetrieb die Pulsfrequenz f_pL beispielsweise 6 kHz ist, die bis zur maximalen Pulsfrequenz f_pLmax = 16 kHz erhöht werden kann. Mit der Erhöhung der Pulsfrequenz f_pL auf 16 kHz halbiert sich jedoch der zulässige Bemessungsstrom. Mit der Halbierung des Stromes halbiert sich ebenfalls die verfügbare Leistung des Umrichters. Diese Pulsfrequenz f_pL von 6 kHz wird auch beim netzseitigen selbstgeführten Stromrichter 4 des Umrichters 2 verwendet, obwohl eine halb so große Puls­ frequenz f_pN auch ausreichen würde. Dadurch entstehen für den netzseitigen ausgeführten Pulsstromrichter 4 unnötige Kosten.

Werden die beiden selbstgeführten Pulsstromrichter 4 und 6 dieses Umrichters 2 mit der niedrigeren Pulsfrequenz f_pN des netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 4 ausgelegt, so kann der lastseitige Pulsstromrichter 6, der eine Pulsfre­ quenz f_pL = 6 kHz benötigt, nicht bei voller Leistung betrie­ ben werden. Gemäß dem genannten Diagramm im angegebenen Sie­ mens-Katalog ist der Bemessungsstrom bei einer Pulsfrequenz f_p = 6 kHz der Kurve für eine Nenn-Pulsfrequenz von 3 kHz um ein Viertel verringert. Somit muss zumindest der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 6 dieses bekannten Umrichters 2 überdimensioniert werden. Dadurch fallen zusätzliche Kosten an.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Umrichter derart weiter zu gestalten, dass die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.

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

Dadurch, dass als abschaltbare Stromrichterventile des netz- und lastseitigen Pulsstromrichters nicht mehr die selben Halbleiterschalter vorgesehen sind, besteht nun die Möglich­ keit, diese Pulsstromrichter für die jeweils benötigte Ar­ beitsfrequenzen, die sich deutlich voneinander unterscheiden können, zu optimieren. Dadurch kann innerhalb einer Leis­ tungsklasse eines Umrichters nur durch Austausch der Leis­ tungsteile dessen Pulsstromrichter jeweils an die benötigten Pulsfrequenzen angepasst werden. Somit werden nicht nur Kos­ ten, sondern auch Platz eingespart.

Bei einer Ausführungsform, bei der der Umrichter wenigstens zwei lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter aufweist, die an einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis ange­ schlossen sind, kann jeder dieser lastseitigen Pulsstromrich­ ter durch unterschiedliche Halbleiterschalter als abschaltba­ re Stromrichterventile an die zu speisenden Lasten angepasst werden.

Bei der Wahl der unterschiedlichen Halbleiterschalter für die abschaltbaren Stromrichterventile der netz- und lastseitigen Pulsstromrichter des Umrichters werden bei einer hohen Puls­ frequenz vorzugsweise auf niedrige Schaltverluste optimierte Halbleiterschalter und bei einer niedrigen Pulsfrequenz vor­ zugsweise auf niedrige Durchlassverluste optimierte Halblei­ terschalter verwendet.

Den Unteransprüchen 4 bis 7 sind die Ausführungsformen der unterschiedlichen Halbleiterschalter der abschaltbaren Strom­ richterventile der netz- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter des Umrichters zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines erfin­ dungsgemäßen Umrichters schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Umrichter, in den

Fig. 2 bis 4 sind Ausführungsformen des erfindungsgemäße Um­ richters dargestellt und die

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Umrichters mit mehreren lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichtern.

In den Fig. 1 bis 5 sind gleiche Teile mit den selben Bezugs­ zeichen versehen.

Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Umrichters 2 nach der Erfindung. Dieser Umrichter 2 wird beispielsweise aus einem dreiphasigen Netz 10 mit einer Leiterspannung u_N = 230 V gespeist. Als Last 14 ist ein Hochgeschwindigkeits­ antrieb vorgesehen. Die Pulsfrequenz f_pN des netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 4 orientiert sich an der Netzfrequenz f_N, die beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz beträgt. Daraus resultiert für die Pulsfrequenz f_pN ein Wert, der problemlos mit IGBT's als abschaltbaren Stromrichterventilen 16 erreicht werden kann. Somit unterscheidet sich dieser er­ findungsgemäße Umrichter netzseitig nicht vom bekannten Um­ richter 2 nach Fig. 1.

Auf der Lastseite dagegen wird eine Ausgangsfrequenz f_U wegen des Hochgeschwindigkeitsantriebs von mehreren kHz benötigt, die eine um ein mehrfaches höhere Pulsfrequenz f_pL des last­ seitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 6 voraussetzt. Deshalb werden hier keine IGBT's als abschaltbare Stromrich­ terventile 18 wie beim bekannten Umrichter 2 nach Fig. 1 ein­ gesetzt, sondern dem Betriebsfall angemessene Halbleiter­ schalter als abschaltbare Stromrichterventile 18. Da aus der Netzspannung u_N von 230 V eine Zwischenkreisspannung U_Z von 325 V erzeugt werden kann, können als Halbleiterschalter selbstsperrende Feldeffekttransistoren 20, auch als MOSFET bezeichnet, verwendet werden. Derartige MOSFETs 20 weisen parasitäre Rückwärtsdioden auf, die sehr schlechte dynamische Eigenschaften aufweisen und dadurch zu hohen Schaltverlusten führen würden. Damit diese Schaltverluste gering bleiben, ist der MOSFET 20 mit zwei Dioden 22 und 24 beschaltet. In Serie zum MOSFET 20 wird Diode 22 als Entkopplungsdiode und antipa­ rallel zu dieser Reihenschaltung die Diode 24 als Freilaufdi­ ode geschaltet. Im Hinblick auf geringe Durchlassverluste wird als Entkopplungsdiode 22 eine Schottky-Diode aus Silizi­ um vorgesehen. Wegen der hohen Pulsfrequenz f_pL wird als Freilaufdiode 24 im Freilaufkreis eine Schottky-Diode aus Si­ liziumkarbid verwendet. Dadurch erhält man einen Halbleiter­ schalter als abschaltbares Stromrichterventil 18 des lastsei­ tigen selbstgeführten Stromrichters 6 der geringe Schaltver­ luste bei einer hohen Pulsfrequenz f_pL aufweist.

Mit einem herkömmlichen Umrichter 2 nach Fig. 1 müsste für die Speisung eines Hochgeschwindigkeitsantriebs aus einem drei­ phasigen 230 V-Netz 10 ein Umrichter 2 vorgesehen werden, des­ sen lastseitiger selbstgeführter Pulsstromrichter 6 überdi­ mensioniert sein müsste, wenn nicht sogar der gesamte Umrich­ ter 2. Dies liegt daran, dass bei einem IGBT-Pulsstromrichter wie eingangs erwähnt, ausgehend von einer Nenn-Pulsfrequenz mit steigender Pulsfrequenz f_pL die verfügbare Leistung ab­ nimmt. Um einen Hochgeschwindigkeitsantrieb trotzdem mit ei­ nem herkömmlichen Umrichter 2 betreiben zu können, müsste zu­ mindest der lastseitige selbstgeführte Stromrichter 6 überdi­ mensioniert werden. Dies hätte zur Folge, dass eine höhere Verlustleistung abgeführt werden müsste, wodurch sich das Vo­ lumen des Umrichters 2 wesentlich vergrößert würde. Außerdem würde der Wirkungsgrad sinken. Eventuell könnte selbst ein herkömmlicher Umrichter 2 aus der nächsthöheren Leistungs­ klasse dieses Problem nicht lösen, wenn mit Anstieg der Leis­ tungsklasse sich die Nenn-Pulsfrequenz und die maximale Puls­ frequenz verringern. Diese Situation liegt insbesondere dann vor, wenn mit der nächsthöheren Leistungsklasse Technologie­ sprünge verbunden sind.

In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Umrichters 2 nach der Erfindung veranschaulicht. Dieser Umrichter 2 wird beispielsweise aus einen 115 V, 400 Hz-Bordnetz 10 gespeist. Als Last 14 ist ein Antrieb vorgesehen, der häufig generato­ risch betrieben wird. Ein derartiger Antrieb kommt in Flug­ zeugen vor. Wegen der hohen Frequenz f_N = 400 Hz des Bordnet­ zes 10 und weil das Gewicht des Netzfilters 12 möglichst ge­ ring sein muss, wird der netzseitige selbstgeführte Pulstrom­ richter 4 mit einer sehr hohen Pulsfrequenz f_pN betrieben. Die vom lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 ge­ speiste Last 14 benötigt dagegen keine hohen Frequenzen, so dass auch die Pulsfrequenz f_pL des lastseitigen selbstgeführ­ ten Pulsstromrichters 6 nicht besonders hoch sein muss. Des­ halb werden als abschaltbare Stromrichterventile 18 des last­ seitigen selbstgeführten Stromrichters 6 IGBT's wie beim be­ kannten Umrichter 2 nach Fig. 1 und als abschaltbare Strom­ richterventile 16 des netzseitigen selbstgeführten Pulsstrom­ richters 4 die abschaltbaren Stromrichterventile 18 des last­ seitigen selbstgeführten Stromrichters 6 des Umrichters 2 nach Fig. 2 verwendet. Somit entspricht dieser Umrichter 2 dem Umrichter 2 nach Fig. 2, dessen Pulsstromrichter 4 und 6 ge­ geneinander ausgetauscht sind.

In der Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Umrichters 2 näher dargestellt. Bei dieser Darstel­ lung handelt es sich beispielsweise um einen Hochgeschwindig­ keitsantrieb, der aus, einem 400 V-Netz 10 gespeist wird. Für den netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 resul­ tiert aus der Netzfrequenz f_N von 50 Hz oder 60 Hz eine Puls­ frequenz f_pN, die relativ gering ist. Aus diesem Grund werden als abschaltbare Stromrichterventile 16 IGBT's verwendet. We­ gen der Versorgung aus dem 400 V-Netz müssen die Halbleiter­ bauelemente für eine Spannungsfestigkeit von typisch 1200 V ausgelegt werden. Da bipolare Silizium-Dioden dieser Span­ nungsklasse eine erhebliche, zu großen Schaltverlusten füh­ rende Speicherladung aufweisen, werden im Freilauf speicher­ ladungsfreie Schottky-Dioden eingesetzt, die keine dynami­ schen Verluste verursachen. Für den betrachteten Spannungsbe­ reich von 1200 V sind Schottky-Dioden nur auf Basis von Sili­ ziumkarbid realisierbar.

Als Last 14 ist beispielsweise eine für sehr hohe Drehzahlen ausgelegte permanenterregte Synchronmaschine vorgesehen. Die­ se hat eine sehr geringe Streureaktanz, so dass ein Ausgangs­ filter 26 zusätzlich vorgesehen ist, um die Welligkeit des Ausgangsstromes i_L in vertretbaren Grenzen zu halten. Sowohl wegen der hohen Ausgangsfrequenz f_U als auch, um den Span­ nungsabfall am Ausgangsfilter 26 gering zu halten, wird der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 6 mit einer hohen Pulsfrequenz f_pL betrieben, die mit IGBT's als abschaltbare Stromrichterventile 18 nicht sinnvoll realisiert werden kann. Da die Netzspannung u_N eine Zwischenkreisspannung U_Z im Be­ reich von 600 V bis 800 V und eine hieraus resultierende Span­ nungsfestigkeit der Stromrichterventile von 1200 V erzwingt und selbstsperrende Feldeffekttransistoren 20 für diesen Spannungsbereich äußerst schlechte Durchlasseigenschaften aufweisen, werden hier als abschaltbare Stromrichterventile 18 Kaskodenbausteine eingesetzt. Diese Kaskodenbausteine wei­ sen jeweils einen selbstsperrenden MOSFET 28, insbesondere einen Niedervolt-Leistungs-MOSFET, und einen selbstleitenden Sperrschicht-FET 30 auf. Dieser hochsperrende Sperrschicht- FET wird auch als Junction-Field-Effekt-Transistor (JFET) be­ zeichnet. Diese beiden FET's 28 und 30 sind derart elektrisch in Reihe geschaltet, dass der Source-Anschluss des JFET 30 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 28 und der Gate-Anschluss des JFET 30 mit dem Source-Anschluss des MOSFET 28 elektrisch leitend verbunden sind. Diese elektrische Zusammenschaltung zweier Halbleiterschalter wird bekanntlich auch als Kaskoden- Schaltung bezeichnet. Wegen der sehr hohen Pulsfrequenz f_pL des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 6 wird antipa­ rallel zu jedem Kaskoden-Bauelement eine Freilaufdiode 32 ge­ schaltet. Als Freilaufdiode 32 wird eine speicherladungsfreie Schottky-Diode aus Siliziumkarbid vorgesehen. Beim Kaskoden- Bauelement ist der MOSFET 28 aus Silizium und der JFET 30 aus Siliziumkarbid. Dadurch erfüllt dieses Kaskoden-Bauelement die Anforderung an eine hohe Sperrspannung (z. B. 1200 V) und weist dennoch nur geringe Verluste im Durchlassbereich auf.

Somit erhält man einen Umrichter 2, mit dem man an einem 400 V-Netz 10 einen Hochgeschwindigkeitsantrieb als Last 14 betreiben kann. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 un­ terscheidet sich die Ausführungsform nach Fig. 4 nur dadurch, dass anstelle der MOSFET-Schaltung ein Kaskoden-Bauelement als abschaltbares Stromrichterventil 18 des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 6 verwendet wird, wobei au­ ßerdem ein Ausgangsfilter 26 vorhanden ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Umrichter 2 mit mehreren lastseitigen selbstgeführten Stromrichtern 6. Diese lastseitigen selbstge­ führten Pulsstromrichter 6 sind jeweils gleichspannungsseitig mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 8 elektrisch leitend verbunden. Ansonsten weist der Umrichter 2, wie in den vor­ hergehenden Fig. 1 bis 4, einen netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 auf, der netzseitig mittels eines Netzfil­ ters 12 mit einem Netz 10 elektrisch leitend verbunden ist. Bei einem derartigen Umrichter 2 kommt es vor, dass die Las­ ten 14 bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Idee, für abschaltbare Stromrich­ terventile 16 und 18 der vorhandenen selbstgeführten Puls­ stromrichter 4 und 6 eines netzfreundlichen Umrichters 2 un­ terschiedliche Halbleiterschalter zu verwenden, kann hier der Pulsstromrichter 4 und die Pulsstromrichter 6 für die jeweils benötigte Pulsfrequenz optimiert werden. Damit werden vor al­ lem Kosten aber auch Platz gespart.

Claims (8)

1. Umrichter (2) mit einem netz- und lastseitigen selbstge­ führten Pulsstromrichter (4, 6), die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (8) elektrisch leitend verknüpft sind, und mit einem Netzfilter (12), das dem netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4) wech­ selspannungsseitig vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbare Strom­ richterventile (16, 18) der netz- und lastseitigen selbstge­ führten Pulsstromrichter (4, 6) jeweils Halbleiterschalter un­ terschiedlicher Topologie vorgesehen sind, die für unter­ schiedliche Pulsfrequenzen geeignet sind.

2. Umrichter (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hohen Pulsfrequenz (f_pN, f_pL) der selbstgeführten Pulsstrom­ richter (4, 6) Halbleiterschalter mit besonders geringen Schaltverlusten vorgesehen sind.

3. Umrichter (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer niedrigen Pulsfrequenz (f_pN, f_pL) der selbstgeführten Puls­ stromrichter(4, 6) Halbleiterschalter mit besonders niedrigen Durchlassverlusten vorgesehen sind.

4. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ab­ schaltbaren Stromrichterventile (16, 18) der netz- und last­ seitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4, 6) Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren und selbstsperrende Feldeffekttran­ sistoren (20) sind.

5. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ab­ schaltbaren Stromrichterventile (16, 18) der netz- und last­ seitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4, 6) Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren und Kaskodenbauelemente sind.

6. Umrichter (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu jedem selbstsperrenden Feldeffekttransistor (20) eine Ent­ kopplungsdiode (22) mit niedriger Durchlassspannung geschal­ tet ist und dass antiparallel zu dieser Reihenschaltung eine Freilaufdiode (24) für hohe Pulsfrequenzen (f_p) geschaltet ist.

7. Umrichter (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaskoden-Bauelement einen selbstsperrenden MOSFET (28) und einen selbstleitenden Sperrschicht-FET (30) aufweist, die als Kaskode verschaltet sind, der antiparallel eine Freilaufdiode (32) geschaltet ist.

8. Umrichter (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Um­ richter (2) wenigstens zwei lastseitige selbstgeführte Puls­ stromrichter (6) aufweist, deren Pulsfrequenzen (f_pL) sich um ein vielfaches unterscheiden.