DE10131016A1

DE10131016A1 - Schaltungsanordnung mit meiner mehrphasigen Stromrichterschaltung und einer aktiven Überspannungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10131016A1
Application number: DE10131016A
Authority: DE
Inventors: Manfred Bruckmann; Markus Frühauf; Olaf Dr. Simon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE10131016B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1, ..., T6) aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4). Erfindungsgemäß ist als aktive Überspannungsvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen, das eine Zenerdiode (Z1) und für jeden Halbleiterschalter (Z1, ..., Z6) eine Entkopplungsdiode (D1, ..., D6) aufweist, wobei die Dioden (Z1, D1, ..., D6) anodenseitig miteinander verknüpft sind, wobei die Entkopplungsdioden (D1, ..., D6) kathodenseitig mit Steueranschlüssen (G1, ..., G6) der Halbleiterschalter (T1, ..., T6) verbunden sind und wobei die Zenerdiode (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U¶d¶) des Spannungszwischenkreises (8) verbunden ist. Somit erhält man eine kostengünstige aktive Überspannungsschutzvorrichtung (4) für eine mehrpulsige Stromrichterschaltung (2), deren Platzbedarf wesentlich reduziert wurde.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer mehrphasigen Stromrichterschaltung, die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter aufweist, und einer aktiven Überspannungsvorrichtung.
Als Halbleiterschalter bei einer derartigen Stromrichterschaltung, die auch als U-Umrichter bezeichnet wird, werden beispielsweise bipolare Leistungsstransistoren oder feldgesteuerte Leistungshalbleiter, beispielsweise Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Bei Stromrichterschaltungen der industriellen Antriebstechnik werden IGBT's bevorzugt.
Damit die Schaltverluste von IGBT's möglichst gering werden, muss die Schaltgeschwindigkeit möglichst hoch gewählt werden. Dabei besteht die Randbedingung, dass die Oberspannung, die durch die schnellen Schalttransistoren im Kommutierungskreis entsteht, einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf. Eine Eigenschaft vieler IGBT's ist, dass die Stromfallgeschwindigkeit mit höheren Abschaltstrom zunimmt. Dies hat zur Folge, dass beim Abschalten eines Oberstromes eine entsprechend höhere induktive Oberspannung auftritt, die bei den eingesetzten Leistungshalbleiterschaltern noch nicht zur Zerstörung führen darf. Dies führt oft dazu, dass, falls die Schaltgeschwindigkeit für diesen Fall eingestellt wird, im normalen Betrieb höhere Verluste auftreten, als es notwendig ist.

Um den Fall Überstromabschalten zu beherrschen wird in der Regel aus diesem Grund ein aktiver Überspannungsschutz eingesetzt, der aus zwischen Kollektor und Gate geschalteten Ze nerdioden besteht. Ein derartiger aktiver Überspannungsschutz ist aus der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transistoren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft 4, 1984, Seiten 157 bis 159, bekannt. Wird die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des zu schützenden Transistors größer als die Schwellenspannung dieser Zenerdiode zuzüglich der Einsatzspannung des Transistors, dann steuert dieser auf und begrenzt auf diese Weise die Spannung im Leistungskreis.

Bei einer sechspulsigen Stromrichterschaltung müssen sechs Halbleiterschalter jeweils mit einer derartigen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung beschaltet werden. Wegen der vorhandenen Zwischenkreisspannung handelt es sich bei den Dioden um Leistungsdioden. Eine Leistungszenerdiode wird auch als Transildiode bezeichnet. Damit diese bekannte aktive Überspannungsschutzvorrichtung jedem Halbleiterschalter zugeordnet werden kann, müssen diese einzeln vorhanden sein. Da jedoch Stromrichterschaltungen immer mehr mit Leistungsmodulen, beispielsweise Zweigmodule oder Brückenmodule, aufgebaut werden, wird die Zuordnung der Dioden der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen zu korrespondierenden Halbleiterschaltern der Stromrichterschaltung schaltungsmäßig immer schwieriger und aufwendiger. Da sobald die aktive Überspannungsschutzvorrichtung eingreift ein kurzzeitiger Strom von einigen Ampere entsteht, wird jede Zenerdiode aus mehreren Zenerdioden aufgebaut. Dies führt dazu, dass nicht nur mehr Platz beansprucht wird, sondern sich auch die Kosten für eine derartige aktive Überspannungsschutzvorrichtung erhöht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte aktive Überspannungsschutzvorrichtung derart weiterzubilden, dass diese Nachteile nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird jeweils erfindungsgemäß mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 bis 4 gelöst.

Dadurch, dass als Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk vorgesehen ist, das eine Zenerdiode und für jeden Halbleiterschalter eine Entkopplungsdiode aufweist, und dass die Zenerdiode kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises der mehrpulsigen Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verbunden sind, erhält man eine sehr kompakte aktive Überspannungsschutzvorrichtung für eine Stromrichterschaltung, die nun nur noch sieben Bauelemente aufweist. Im Gegensatz zur bekannten Überspannungsschutzvorrichtung wird anstelle von sechs Zenerdioden nur noch eine Zenerdiode benötigt. Somit haben sich die Kosten und der Platzbedarf dieser aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wesentlich gesenkt. Diese erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung ist besonders geeignet für eine mehrpulsige Stromrichterschaltung, deren Halbleiterschalter in einem Brückenmodul zusammengefasst sind.

Bei einer zweiten unabhängigen Lösung ist als Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk vorgesehen, dass eine Zenerdiode, vier hochsperrende Dioden und drei niedersperrende Dioden aufweist, wobei die Zenerdiode kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises der Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den Anoden der vier hochsperrenden Dioden verknüpft ist, von denen drei kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter einer positiven Brückenseite der mehrpulsigen Stromrichterschaltung und eine kathodenseitig mit den Anoden der niedersperrenden Dioden verbunden ist, deren Kathoden mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter einer negativen Brückenseite der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verknüpft sind. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Diodennetzwerkes reduziert sich die Anzahl hochsperrender Dioden für das Diodennetzwerk, wodurch nicht nur weiterer Platz eingespart wird, sondern auch die Kosten weiter gesenkt werden.

Bei einer dritten unabhängigen Lösung ist als Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk vorgesehen, das entsprechend der Phasenzahl der Stromrichterschaltung Zenerdioden und entsprechend der Anzahl der Halbleiter pro Phase der Stromrichterschaltung Entkopplungsdioden aufweist, und wobei jede Zenerdiode kathodenseitig mit einem positiven Potential der Phasen der Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden einer korrespondierenden Phase verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss korrespondierender Halbleiterschalter verbunden sind.

Somit erhält man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung, deren Diodennetzwerk korrespondierend zur Stromrichterschaltung, bestehend aus Zweigmodulen mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern, ausgestaltet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung des Diodennetzwerkes wird gegenüber der bekannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtung die Anzahl der Zenerdioden halbiert, wodurch sich der Platzbedarf für die Überspannungsschutzvorrichtung reduziert und sich die Kosten senken.

Bei einer vierten unabhängigen Lösung ist als Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk vorgesehen, das zwei Zenerdioden, sechs Entkopplungsdioden und drei niedersperrende Entkopplungsdioden aufweist, wobei eine erste Zenerdiode kathodenseitig mit einem positiven Potential des Spannungszwischenkreises und anodenseitig mit den Anoden dreier Entkopplungsdioden verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter einer positiven Brückenhälfte der Stromrichterschaltung verbunden sind. Die zweite Zenerdiode ist kathodenseitig mit den Kathoden dreier Entkopplungsdioden verbunden, die anodenseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen der Stromrichterschaltung verbunden sind, und anodenseitig mit den Anoden dreier weiterer Entkopplungsdioden verbunden ist. Deren Kathoden sind jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter einer negativen Brückenhälfte der Stromrichterschaltung verknüpft.

Somit erhält man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung, deren Diodennetzwerk korrespondierend zu den beiden Brückenhälften einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung ausgestaltet ist. Dabei reduziert sich nicht nur die Anzahl der Zenerdioden, sondern auch die Anzahl hochsperrender Dioden, was sich in den Kosten erheblich niederschlägt. Durch die Aufteilung des Diodennetzwerkes auf zwei Teilnetzwerke korrespondierend zu den Brückenhälften der mehrpulsigen Stromrichterschaltung können als Dioden, die kathodenseitig mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter der unteren Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verknüpft sind, niedersperrende Dioden verwendet werden. Diese beanspruchen weniger Platz als hochsperrende Dioden und sind kostengünstiger.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Diodennetzwerke der vorgenannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen sind jeweils zwischen den Ausgängen des Diodennetzwerks und den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter der mehrpulsigen Stromrichterschaltung jeweils eine Verstärkerstufe geschaltet. Dadurch wird die Strombelastung jeder Zenerdiode sehr verringert, wodurch sich deren Baugröße wesentlich reduziert.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten Diodennetzwerke der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen ist jeweils als Zenerdiode eine Reihenschaltung wenigstens zweier Zenerdioden vorgesehen, deren Zenerspannung sich wesentlich unterscheiden. Außerdem ist der Zenerdiode mit der niedrigen Zenerspannung ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet, der mit einer Entladeeinrichtung versehen ist, deren zweiter Anschluss mit einem Potential des Spannungszwischenkreises der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verbunden ist. Dadurch spricht diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung dynamisch früher an, so dass dadurch der Anstieg der Überspannung früher begrenzt wird. Die Entladeeinrichtung sorgt dafür, dass sich der Kondensator nach jedem Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wieder entladen kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten Diodennetzwerke der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen ist zwischen dem Diodennetzwerk und den Steuereingängen der den Halbleiterschalter zugeordneten Ansteuereinrichtungen jeweils eine Spannungsanhebeeinrichtung derart geschaltet, dass diese jeweils einerseits mit einem Verbindungspunkt der Zenerdiode mit den Entkopplungsdioden des Diodennetzwerkes und andererseits mit einem Steuereingang einer Ansteuereinrichtung verknüpft sind. Dadurch wird ein Weglaufen der Zenderdiodenspannung aufgrund der Belastung beim Ansprechen verhindert. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels der Spannungsanhebeeinrichtung die Ansteuereinrichtung wieder angesteuert wird. Somit kann sich der Strom, der über die Ansteuereinrichtung und einem Steuerwiderstand des Halbleiterschalters abfließt, verringern. Diese Spannungsanhebeeinrichtung wirkt besonders vorteilhaft bei Halbleiterschaltern mit großen Strömen, da bei diesen Halbleiterschaltern meist mit kleinen Steuerwiderständen geschaltet wird.

Durch die Verringerung der Anzahl der hochsperrenden Dioden und auch der hochsperrenden Entkopplungsdioden verringert sich der Platzbedarf des Diodennetzwerkes der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung derart, dass diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung in ein Brückenmodul bzw. in jeweils ein Zweigmodul der mehrpulsigen Stromrichterschaltung integrierbar ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, in der
2 ist eine erste Ausführungsform eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, die
3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Diodennetzwerks nach 2, die
4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wogegen in der
5 eine dritte Ausführungsform eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt ist, die
6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Diodennetzwerks nach 2, die
7 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines Teils des Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und in der
8 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt.
In der 1 ist eine bekannte Schaltungsanordnung mit einer mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 dargestellt. An den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W dieser mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 ist eine Last 6 angeschlossen. Gleichspannungsseitig ist diese Stromrichterschaltung 2 mit einem Spannungszwischenkreis 8 verknüpft, an dem eine Gleichspannung U_d abfällt. Die mehrphasige Stromrichterschaltung 2 weist sechs Halbleiterschalter T1, ..., T6 auf, die auf drei Brückenzweige aufgeteilt sind. Die aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist für jeden Halbleiterschalter T1 bis T6 eine Zenerdiode Z1 bis Z6 und eine Entkopplungsdiode D1 bis D6 auf. Jeweils eine Zenerdiode Z1 bis Z6 und eine Entkopplungsdiode D1 bis D6 sind derart elektrisch in Reihe ge schaltet, dass deren Anoden miteinander verbunden sind. Kathodenseitig ist jede Entkopplungsdiode D1 bis D6 mit einem Steueranschluss G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Die Zenerdioden Z2, Z4 und Z6, die den Halbleiterschaltern T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der Stromrichterschaltung 2 zugeordnet sind, sind kathodenseitig jeweils mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 elektrisch leitend verbunden. Die Zenerdioden Z1, Z3 und Z5, die den Halbleiterschaltern T1, T3 und T5 der oberen Brückenhälfte der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 zugeordnet sind, sind kathodenseitig mit den Potentialen +U_d1, +U_d2 und +U_d3 der Kollektor-Anschlüsse der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 verbunden. Diese Potentiale +U_d1, +U_d2 und +U_d3 entsprechen dem Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8. Wegen der Übersichtlichkeit sind die Dioden Z1 bis Z6 und D1 bis D6 der Überspannungsschutzvorrichtungen eines jeden Halbleiterschalters T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 in einer Vorrichtung 4 zusammengefasst. In der Praxis ist jeder Halbleiterschalter T1 bis T6 mit einer korrespondierenden Überspannungsschutzvorrichtung versehen.
Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 sehr viel Platz benötigt. Dies ist zumindest dann der Fall, wenn jede Zenerdiode Z1 bis Z6 aus mehreren in Reihe geschalteten Zenerdioden aufgebaut ist. Dies ist dann nötig, wenn beim Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ein kurzzeitiger Strom von mehreren Ampere fließt, der zusammen mit der Spannung die Leistungstragfähigkeit einer Zenerdiode übersteigt. Außerdem sind diese Dioden Z1 bis Z6 und D1 bis D6 hochsperrend, da die Zwischenkreisspannung 400 V und größer ist. Hochsperrende Zenerdioden sind auch als Transildioden bekannt. Aus diesen Gründen ist der Platzbedarf der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nicht nur sehr hoch, sondern wegen der hoch sperrenden Ausgestaltung der Dioden Z1 bis Z6 und D1 bis D6 auch deren Kosten.
In der 2 ist eine Ausführungsform eines Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 2 näher dargestellt. In den nachfolgenden 3 bis 8 ist wegen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 verzichtet worden. Dieses Diodennetzwerk 10 weist nur noch eine Zenerdiode Z1 auf, die anodenseitig mit Entkopplungsdioden D1 bis D6 elektrisch leitend verbunden sind. Kathodenseitig ist diese Zenerdiode Z1 mit dem positiven Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Kathodenseitig sind die Entkopplungsdioden D1 bis D6 jeweils mit den Steueranschlüssen G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verbunden. Die Anzahl der Entkopplungsdioden D1 bis D6 richtet sich wie bei der bekannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach der Anzahl der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung werden fünf hochsperrende Zenerdioden Z2 bis Z6 eingespart. Bestehen die Zenerdioden Z1 bis Z6 wegen der Strombelastung aus einer Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden, so wird die fünffache Anzahl der Zenerdioden Z2 bis Z6 eingespart. Daraus resultiert nicht nur eine erhebliche Reduzierung des Platzbedarfs für die aktive Überspannungschutzvorrichtung 4, sondern auch eine erhebliche Kosteneinsparung.
Tritt beispielsweise am Halbleiterschalter T1 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 nach 1 eine Überspannung auf, wirkt diese zwischen dem an +U_d1 angeschlossenen Kollektoranschluss und dem mit dem wechselspannungsseitigen Anschluss U verbundenen Emitteranschluss des Halbleiterschalters T1. Über die Zenerdiode Z1 und die Entkopplungsdiode D1 des Diodennetzwerks 10 nach 2 fließt ein Strom, der den Halbleiterschalter T1 wieder aufsteuert, wodurch die Überspannung be grenzt wird. Da die Potentiale der wechselspannungsseitigen Anschlüsse V und W der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 höher liegt als das Potential des wechselspannungsseitigen Anschlusses U dieser Stromrichterschaltung 2 werden die damit verbundenen Halbleiterschalter T3 und T5 nicht aufgesteuert, da die Entkopplungsdioden D3 und D5 sperren. Die Wirkungsweise für die Halbleiterschalter T3 und T5 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 nach 1 ist analog.
Zur Funktionsbeschreibung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 für die Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der Stromrichterschaltung 2 wird das negative Potential –U_d des Spannungszwischenkreises 8 als Bezugspotential angenommen. Daraus folgt, dass beim Auftreten von Überspannungen an den Halbleiterschaltern T2, T4, T6 deren Kollektorpotential über dem Zwischenkreispotential liegt. Dadurch kann ein Strom über die Freilaufdioden der Halbleiterschalter T1, T3 oder T5 fließen. Die weitere Betrachtung schließt diese Freilaufdioden der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 mit ein.
Eine am Halbleiterschalter T2 wirkende Überspannung wird über den Stromkreis – Freilaufdiode vom Halbleiterschalter T1, Zenerdiode Z1, Entkopplungsdiode D2 und Halbleiterschalter T2 – wirkungsvoll begrenzt. Die Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 sperren und verhindern dass die damit verbundenen Halbleiterschalter T1, T3 und T5 der Stromrichterschaltung 2 aufsteuern. Die Wirkungsweise für die Halbleiterschalter T2 und T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung ist analog.
Die 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach 2. Diese Ausführungsform des Diodennetzwerks 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass anstelle der drei hochsperrenden Entkopplungsdioden D2, D4 und D6 nur eine hochsperrende Entkopplungsdiode D4 und drei niedersperrende Dioden D21, D41 und D61 vorgesehen sind.
Dabei ist die hochsperrende Entkopplungsdiode D4 anodenseitig mit den Anoden der Zenerdiode Z1 und der drei hochsperrende Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 verknüpft. Kathodenseitig ist diese hochsperrende Entkopplungsdiode D4 mit den Anoden der niedersperrenden Dioden D21, D41 und D61 verbunden, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss G2, G4 und G6 der Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft sind. Durch diese Maßnahmen ändert sich nicht die Funktion des Diodennetzwerks 10. Der Vorteil dieser Ausführungsform des Diodennetzwerks 10 liegt darin, dass die Anzahl der hochsperrenden Bauelemente sich verringert hat, wodurch der Platzbedarf der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 sich weiter verringert und damit auch deren Kosten.
Diese bisher beschriebenen Diodennetzwerke 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen 4 werden vorteilhafter Weise bei einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung verwendet, deren Halbleiterschalter T1 bis T6 in einem Brückenmodul vereinigt sind. Da die Stromrichterschaltung 2 nicht immer aus einem Brückenmodul ausgebaut sein kann, ist in der 4 eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 für eine mehrpulsige Stromrichterschaltung 2 mit mehreren Zweigmodulen dargestellt.
Das Diodennetzwerk 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist nach 4 drei Zenerdioden Z1, Z2 und Z3 und sechs Entkopplungsdioden D1 bis D6 auf. Jede Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 ist anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden D1, D2 bzw. D3, D4 bzw. D5, D6 verknüpft, die kathodenseitig mit den Halbleiterschaltern T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 jeweils eines Zweigmoduls verbunden werden. Ein Zweigmodul entspricht einer Phase der mehrphasigen Stromrichterschaltung. Kathodenseitig ist jede Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 mit einem positiven Potential +U_d1 bzw. +U_d2 bzw. +U_d3 verknüpft, wobei diese Potentiale +U_d1, +U_d2 und +U_d3 dem positiven Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8 entspre chen. Durch diese phasenmäßige Unterteilung des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4, können diese Teildiodennetzwerke den Zweigmodulen der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 direkt zugeordnet werden. Außerdem besteht dadurch die Möglichkeit, dass jedes Teildiodennetzwerk mit dem korrespondierenden Zweigmodul eine Baueinheit bildet.
Es gibt auch mehrere Stromrichterschaltungen 2, die weder aus einem Brückenmodul noch aus mehreren Zweigmodulen besteht, sondern aus mehreren Ventilmodulen aufgebaut sind. Diese Bauform wird gewählt, wenn eine hohe Leistung bzw. ein hoher Strom gefordert wird. Bei einer derartig aufgebauten Stromrichterschaltung 2 wird steuerungsseitig diese Brückenschaltung in einer oberen und einer unteren Brückenhälfte unterteilt. Wie eine zugehörige aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 dazu aussehen kann, ist in der 5 näher dargestellt.
Gemäß 5 weist die aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 zwei Teildiodennetzwerke auf. Das Teildiodennetzwerk für die obere Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 weist eine Zenerdiode Z1 und drei Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 auf, die alle hochsperrend sind. Die Zenerdiode Z1 ist anodenseitig mit den Anoden dieser drei Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 und kathodenseitig mit dem positiven Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8 verbunden. Kathodenseitig sind die Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 mit den Steuereingängen G1, G3 und G5 der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 der oberen Brückenhälfte verbunden. Das Teildiodennetzwerk für die Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung weist ebenfalls eine hochsperrende Zenerdiode Z2, drei hochsperrende Entkopplungsdioden D_U, D_V und D_W und drei niedersperrende Dioden D21, D41 und D61 auf. Diese niedersperrenden Dioden D21, D41 und D61 sind kathodenseitig mit den Steueranschlüssen G2, G4 und G6 der Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brücken hälfte und anodenseitig mit der Anode der hochsperrenden Zenerdiode Z2 elektrisch leitend verbunden ist. Kathodenseitig ist diese hochsperrende Zenerdiode Z2 mit den Kathoden der hochsperrenden Entkopplungsdioden D_U, D_V und D_W verbunden, deren Anoden mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft sind.
In der 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ist zwischen den kathodenseitigen Anschlüssen der Entkopplungsdioden D1 bis D6 und den Steueranschlüssen G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 jeweils eine Verstärkerstufe 12 geschaltet. Ausgangsseitig sind diese Verstärkerstufen 12 mit den Steueranschlüssen G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 verknüpft. Diese Verstärkerstufen 12 können auch bei den aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen 4 nach den 3 bis 5 verwendet werden. Durch die Verwendung dieser Verstärkerstufen 12 wird die Belastung der Zenerdiode Z1 und der Entkopplungsdiode D1 bis D6 geringer. Da bei dieser Variante des Diodennetzwerks 10 der Gatestrom nicht von den Dioden Z1 und D1 bis D6 geführt werden muss, können unter Umständen leistungsmäßig geringer dimensionierte Bauelemente verwendet werden, die preiswerter ausfallen. Die benötigten Gateströme werden von den Verstärkerstufen 12 generiert.
In der 7 ist eine Schaltungsvariante der Zenerdiode Z1 des Diodennetzwerkes 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach den 2 bis 6 näher dargestellt. Danach kann die Zenerdiode Z1, aber auch die Zenerdioden Z2 und Z3 der Diodennetzwerke 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach 4, durch eine Reihenschaltung 14 einer hochsperrenden Zenerdiode Z12 und einer niedersperrenden Zenerdiode Z11 ersetzt werden. Elektrisch parallel zur nieder sperrenden Zenerdiode Z11 ist ein Kondensator C_p geschaltet. Eine Entladeeinrichtung 16, die einen Anschluss des Kondensators C_p mit dem negativen Potential –U_d des Spannungszwischenkreises 8 verbindet, enthält eine Reihenschaltung aus einen Entladewiderstand R_E und einer Diode D_E. Die Diode D_E ist derart geschaltet, dass die Anode der Diode D_E und ein Anschluss des Entladewiderstandes R_E einen Verbindungspunkt 18 bilden. Mittels dieser Entladeeinrichtung 16 wird jedes mal nach einem Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 der Kondensator C_p entladen. Durch diese Schaltung für die Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 tritt dynamisch ein früherer Eingriff der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ein.
In der 8 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach den 2 bis 6 näher dargestellt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist eine Spannungsanhebeeinrichtung 20 auf, die eine Reihenschaltung eines Widerstandes R_A und einer Diode D_S aufweist. In der 8 ist ebenfalls ein Halbleiterschalter T1 mit zugehöriger Treiberstufe 22 dargestellt. Am Signaleingang 24 dieser Treiberstufe 22 ist ein Basiswiderstand R_T angeschlossen. Ausgangsseitig ist diese Treiberstufe 22 mittels eines Gatewiderstandes R_G mit dem Steueranschluss G1 des Halbleiterschalters T1 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Die Anode der Diode D_S der Spannungsanhebeeinrichtung 20 ist mit den Anoden der Zenerdiode Z1 und der Entkopplungsdioden D1 bis D6 des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 verknüpft. Kathodenseitig ist diese Diode D_S mittels des Widerstandes R_A mit dem Signaleingang 24 der Treiberstufe 22 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Widerstände R_T und R_A bilden einen Spannungsteiler für eine Anhebespannung am Signaleingang 24 der Treiberstufe 22. Mit Hilfe dieser Spannungsanhebeeinrichtung 20, die hier stellvertretend für alle Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 dargestellt ist, wird ein weglaufen der Zener spannung der Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 aufgrund der Belastung beim Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 verhindert. Außerdem wird dadurch der Strom der über die Treiberstufe 22 und dem Gatewiderstand R_G abfließt, verringert. Da bei Halbleiterschaltern T1 bis T6 mit größeren Strömen mit kleinen Gatewiderständen R_G geschaltet wird, wirkt sich diese Spannungsanhebeeinrichtung besonders vorteilhaft aus.

Claims

Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1, ..., T6) aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das eine Zenerdiode (Z1) und für jeden Halbleiterschalter (T1, ..., T6) eine Entkopplungsdiode (D1, ..., D6) aufweist, und wobei die Zenerdiode (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden (D1, ..., D6) verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1, ..., G6) der Halbleiterschalter (T1, ..., T6) der mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2) verbunden sind.
Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1, ..., T6) aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das eine Zenerdiode (Z1), vier hochsperrende Dioden (D1, D3, D4, D5) und drei niedersperrende Dioden (D21, D41, D61) aufweist, wobei die Zenerdiode (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden der vier hochsperrenden Dioden (D1, D3, D4, D5) verknüpft ist, von denen drei kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss (G1, G3, G5) der Halbleiterschalter (T1, T3, T5) einer positiven Brückenseite der mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2) und eine kathodenseitig mit den Anoden der niedersperrenden Dioden (D21, D41, D61) verbunden sind, deren Kathoden mit den Steueranschlüssen (G2, G4, G6) der Halbleiterschalter (T2, T4, T6) einer negativen Brückenseite der mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2) verknüpft sind.
Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1, ..., T6) aufweist, und mit einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das entsprechend der Phasenzahl der Stromrichterschaltung (2) Zenerdioden (Z1, Z2, Z3) und entsprechend der Anzahl der Halbleitern (T1, T2; T3, T4; T5, T6) pro Phase der Stromrichterschaltung (2) Entkopplungsdioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) aufweist, und wobei jede Zenerdiode (Z1, Z3) kathodenseitig mit einem positiven Potential (+U_d1, +U_d2, +U_d3) der Phasen der Stromrichterschaltung (2) und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) einer korrespondierenden Phase verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1, G2; G3, G4; G5, G6) korrespondierenden Halbleiterschalter (T1, T2; T3, T4; T5, T6) verbunden sind.
Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1, ..., T6) aufweist, und mit einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das zwei Zenerdioden (Z1, Z2), sechs hochsperrenden Entkopplungsdioden (D1, D3, D5, D_U, D_V, D_W) und drei niedersperrenden Entkopplungsdioden (D21, D41, D61) aufweist, wobei eine erste Zenerdiode (Z1) kathodenseitig mit einem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden dreier hochsperrender Entkopplungsdioden (D1, D3, D5) verknüpft ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1, G3, G5) der Halbleiterschalter (T1, T3, T5) der positiven Brückenhälfte der Stromrichterschaltung (2) verbunden sind, wobei eine zweite Zenerdiode (Z2) kathodenseitig mit den Kathoden dreier hochsperrender Entkopplungsdioden (D_u, D_v, D_w), die anodenseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (U, V, W) der Stromrichterschaltung (2) verbunden sind, und anodenseitig mit den Anoden dreier niedersperrenden Entkopplungsdioden (D21, D41, D61) verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G2, G4, G6) der Halbleiterschalter (T2, T4, T6) der negativen Brückenhälfte der Stromrichterschaltung (2) verknüpft sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Diodennetzwerk (10) und den Steueranschlüssen (G1, ..., G6) der Halbleiterschalter (T1, ..., T6) der mehrpulsigen Stromrichterschaltung (2) jeweils eine Verstärkerstufe (12) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zenerdiode (Z1) eine Reihenschaltung wenigstens zweier Zenerdioden (Z11, Z12) vorgesehen ist, deren Zenerspannung sich wesentlich unterscheiden, und dass elektrisch parallel zur Zenerdiode (Z11) mit der niedrigen Zenerspannung ein Kondensator (C_p) geschaltet ist, der mit einer Entladeeinrichtung (16) versehen ist, deren zweiter Anschluss mit einem Potential (+U_d, –U_d) des Spannungszwischenkreises (8) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Diodennetzwerk (10) und den Steuereingängen der den Halbleiterschalter (T1, ..., T6) zugeordneten Treiberstufen (22) jeweils eine Spannungsanhebeeinrichtung (20) derart geschaltet ist, dass diese jeweils einerseits mit einem Verbindungspunkt der Zenerdiode (Z1) mit den Entkopplungsdioden (D1, ..., D6) des Diodennetzwerks (10) und andererseits mit einem Signaleingang (24) einer Treiberstufe (22) verknüpft sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (Z1, Z2, Z3) eine Transildiode ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnett, dass die Entladeeinrichtung (16) einen Entladewiderstand (R_E) und eine Diode (D_E) aufweist, die derart elektrisch in Reihe geschaltet sind, dass die Anode der Diode (D_E) und ein Anschluss des Entladewiderstandes (R_E) einen Verbindungspunkt (18) bilden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanhebeeinrichtung (20) einen Widerstand (R_A) und eine Diode (D_S) aufweist, wobei diese Diode (D_S) anodenseitig mit dem Verbindungspunkt des Diodennetzwerks (10) und kathodenseitig mit einem Anschluss des Widerstandes (R_A) der Reihenschaltung verknüpft ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (T1, ..., T6) der Stromrichterschaltung (2) Elemente wenigstens eines Leistungsmoduls sind und dass dieses Leistungsmodul und wenigstens ein zugehöriger Teil des Diodennetzwerks (10) eine Baueinheit bilden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (Z1, Z2, Z3) eine Reihenschaltung mehrerer Transildioden ist.