DE10131016B4

DE10131016B4 - Schaltungsanordnungen mit meiner mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung und einer aktiven Überspannungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10131016B4
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: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE10131016A1

Abstract

Schaltungsanordnung mit einer mehrphasige Stromrichterbrücken Schaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8), verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1,...,T6) mit Freilaufdioden aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das eine Zenerdiodenschaltung (Z1) und für jeden Halbleiterschalter (T1,...,T6) eine Entkopplungsdiode (D1,...,D6) aufweist, und wobei die Zenerdiodenschaltung (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden aller Entkopplungsdioden (D1,...,D6) direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1,...,G6) der Halbleiterschalter (T1,...,T6) der mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2) direkt verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer mehrphasigen Stromrichtenbrückenschaltung, die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenenkreis verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalten jeweils mit einer Freilaufdiode aufweist, und einer aktiven Überspannungsvorrichtung.
Als Halbleiterschalter bei einer derartigen Stromrichterschaltung, die auch als U-Umrichter bezeichnet wird, werden beispielsweise bipolar Leistungsstransistoren mit Freilaufdiode oder feldgesteuerte Leistungshalbleiter mit Freilaufdiode, 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 Überspannung, 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 Überstromes eine entsprechend höhere induktive Überspannung 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.
Aus der US 6,160,694 A1 ist eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Hochspannungs-Spannungsspitzen auf einer Stromversorgungsleitung einer elektronischen Schaltung bekannt. Diese Vorrichtung weist vier Dioden und zwei Zenerdioden auf. Als elektronische Schaltung ist eine Brückenschaltung mit vier Transistoren vorgesehen. Jede Zenerdiode dieser Vorrichtung zum Unterdrücken von Spannungsspitzen ist anodenseitig mit den Anoden zweier Dioden verknüpft, die kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss eines Transistors verbunden sind. Die zweite Zenerdiode ist kathodenseitig mit der Anode der ersten Zenerdiode verknüpft, die kathodenseitig mit der Stromversorgungsleitung verbunden ist. Wenn nun die Amplitude der Versorgungsspannung die Amplitude eines vorbestimmten Grenzwertes erreicht, werden die vier Transistoren dieser Brückenschaltung mittels dieser Vorrichtung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen gemeinsam eingeschaltet Somit kann während der Begrenzung der Versorgungsspannung der Strom über diese vier Transistoren fließen. Da über die Dioden dieser Vorrichtung kein hoher Strom fließt, sind diese auch keine Hochspannungs-Bauelemente. Ihre Aufgabe besteht lediglich darin, die Transistoren einzuschalten. Wenn die Zenerdioden so dimensioniert sind, dass jeweils der halbe Spannungswert des Grenzwertes an einer abfällt, werden die Hochspannungs-Spannungsspitzen auf der Stromversorgungsleitung dadurch begrenzt, dass deren Energie zu gleichen Teilen auf die Transistoren dieser Brückenschaltung verteilt wird.
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 dreiphasigen Stromrichtenbrückenschaltung müssen sechs Halbleiter jeweils mit einer Freilaufdiode 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 Stromrichtenbrückenschaltungen immer mehr mit Leistungsmodulen, beispielsweise Zweigmodule oder Brückenmodule, aufgebaut werden, wird die Zuordnung der Dioden der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen zu korrespondierenden Halbleiterschaltern der Stromrichtenbrückenschaltung 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 Zenerdiodenschaltung und für jeden Halbleiterschalter eine Entkopplungsdiode aufweist, und dass die Zenerdiodenschaltung kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises der mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung und anodenseitig mit den Anoden aller Entkopplungsdioden direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter der mehrphasigen Stromrichtenbrückenschaltung direkt verbunden sind, erhält man eine sehr kompakte aktive Überspannungsschutzvorrichtung für eine Stromrichtenbrückenschaltung, die nun nur noch sieben Bauelemente aufweist. Im Gegensatz zur bekannten Überspannungsschutzvorrichtung wird anstelle von sechs Zenerdiodenschaltungen nur noch eine Zenerdiodenschaltung benötigt. Somit haben sich die Kosten und der Platzbedarf dieser aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wesentlich gesenkt. Diese erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung ist besonders geeignet für eine mehrphasige Stromrichterbrückenschaltung, deren Halbleiterschalter in einem Brückenmodul zusammengefasst sind.
Bei einer zweiten unabhängigen Lösung ist als Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk vorgesehen, das eine Zenerdiodeschaltung, vier hochsperrende Dioden und drei niedersperrende Dioden aufweist, wobei die Zenerdiodeschaltung kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises der dreiphasigen Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den Anoden der vier hochsperrenden Dioden direkt verbunden ist, von denen drei kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss er Halbleiterschalter einer positiven Brückenseite der dreiphasigen Stromrichterbrückenchaltung und eine kathodenseitig mit den Anoden der niedersperrenden Dioden direkt verbunden ist, deren Kathoden mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter einer negativen Brückenseite der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung direkt verbunden 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 Anzahl der Zwegsmodule der Stromrichterbrückenschaltung Zenerdiodenschaltungen und entsprechend der Anzahl der Halbleiterschalter pro Zweigmodul der Stromrichterbrückenschaltung Entkopplungsdioden aufweist, und wobei jede Zenerdiodenschaltung kathodenseitig mit einem positiven Potential der Zweigmodule der Stromrichterbrückenschaltung und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden einer korrespondierenden Zweigmodule direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss eines entsprechenden Halbleiterschalters verbunden sind.
Somit erhält man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung, deren Diodennetzwerk korrespondierend zur Stromrichterbrückenschaltung, 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 Zenerdiodenschaltungen, sechs Entkopplungsdioden und drei niedersperrende Entkopplungsdioden besteht, wobei eine erste Zenerdiodenschaltung kathodenseitig mit einem positiven Potential des Spannungszwischenkreises und anodenseitig mit den Anoden dreier Entkopplungsdioden direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranshluss der Halbleiterschalter einer positiven Brückenhälfte der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung verbunden sind. Die zweite Zenerdiodenschaltung ist kathodenseitig direkt mit den Kathoden dreier Entkopplungsdioden verbunden, die anodenseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüsse de Stromrichtersbrückenchaltung direkt verbunden sind, und anodenseitig direkt mit den Anoden dreier weiterer Entkopplungsdioden verbunden ist. Deren Kathoden sind jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter einer nega tiven Brückenhälfte der Stromrichterbrückenschaltung direkt verbunden.
Somit erhält man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung, deren Diodennetzwerk korrespondierend zu den beiden Brückenhälften einer dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung ausgestaltet ist. Dabei reduziert sich nicht nur die Anzahl der Zenerdiodenschaltungen, 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 dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung können als Dioden, die kathodenseitig mit den Steueranschlussen der Halbleiterschalter der unteren Brückenhälfte der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung jeweils eine Verstärkerstufe geschaltet. Dadurch wird die Strombelastung jeder Zenerdiodeschaltung sehr verringert, wodurch sich deren Baugröße wesentlich reduziert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten Diodennetzwerke der aktiven Überspannungsschutzvor richtungen ist jeweils als Zenerdiodeschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 Zenerdiodenschaltung mit den Entkopplungsdioden des Diodennetzwerkes und andererseits mit einem Steuereingang einer Ansteuereinrichtung direkt verbunden 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 Stromrichterbrückenchaltung 2 und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 dargestellt. An den wechselspannungsseitgen Anschlüssen U, V und W dieser mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 2 ist eine Last 6 angeschlossen. Gleichspannungsseitig ist diese Stromrichterbrückenchaltung 2 mit einem Spannungszwischenkreis 8 verknüpft, an dem eine Gleichspannung U_d abfällt. Die mehrphasige Stromrichterbrückenchaltung 2 weist sechs Halbleiterschalter T1,...,T6 mit Freilaufdioden auf, die auf drei Brückenzweige aufgeteilt sind. Die aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist für jeden Halbleiterschalter T1 bis T6 eine Zenerdiodenschaltung Z1 bis Z6 und eine Entkopplungsdiode D1 bis D6 auf. Jeweils eine Zenerdiodenschaltung 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 de der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichte Schaltung 2 verknüpft. Die Zenerdiodenschaltungen Z2, Z4 und Z6, die den Halbleiterschaltern T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der Stromrichterbrückenchaltung 2 zugeordnet sind, sind kathodenseitig jeweils mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W der mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 2 elektrisch leitend verbunden. Die Zenerdiodenschaltungen Z1, Z3 und Z5, die den Halbleiterschaltern T1, T3 und T5 der oberen Brückenhälfte der mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 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 Stromrichterbrückenchaltung 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 Zenerdiodenschaltung 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 400V 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 Stromrichterbrückenchaltung 2 verzichtet worden. Dieses Diodennetzwerk 10 weist nur noch eine Zenerdiodenschaltung Z1 auf, die direkt anodenseitig mit Entkopplungsdioden D1 bis D6 elektrisch leitend verbunden sind. Kathodenseitig ist diese Zenerdiodenschaltung Z1 mit dem positiven Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 direkt verbunden. Kathodenseitig sind die Entkopplungsdioden D1 bis D6 jeweils mit den Steueranschlüssen G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterbrückenchaltung 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 Stromrichterbrückenchaltung 2.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung werden fünf hochsperrende Zenerdiodenschaltungen Z2 bis Z6 eingespart. Bestehen die Zenerdiodenschaltungen 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 Zenerdiodenschaltung 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 Stromrichte Schaltung 2 höher liegt als das Potential des wechselspannungsseitigen Anschlusses U dieser Stromrichterbrückenchaltung 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 Stromrichterbrückenchaltung 2 nach 1 ist analog.
Zur Funktionsbeschreibung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 für die Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der Stromrichterbrückenchaltung 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 Zenerdiodenschaltung Z1 und der drei hochsperrende Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 direkt verbunden. Kathodenseitig ist diese hochsperrende Entkopplungsdiode D4 mit den Anoden der niedersperrenden Dioden D21, D41 und D61 direkt verbunden, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss G2, G4 und G6 der Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung verwendet, deren Halbleiterschalter T1 bis T6 in einem Brückenmodul vereinigt sind. Da die Stromrichterbrückenschaltung 2 nicht immer aus einem Brückenmodul ausgebaut sein kann, ist in der 4 eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 für eine mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 2 mit mehreren Zweigmodulen dargestellt.
Das Diodennetzwerk 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist nach 4 drei Zenerdiodenschaltungen Z1, Z2 und Z3 und sechs Entkopplungsdioden D1 bis D6 auf. Jede Zenerdiodenschaltung Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 ist anodenseitig mit den Anodenen der Entkopplungsdioden D1, D2 bzw. D3, D4 bzw. D5, D6 direkt verbunden die kathodenseitig mit den Halbleiterschaltern T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 jeweils eines Zweigmodul direkt verbunden werden. Ein weigmodul entspricht einer Phase der mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung. Kathodenseitig ist jede Zenerdiodenschaltungs 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 2 direkt zugeordnet werden. Außerdem besteht dadurch die Möglichkeit, dass jedes Teildiodennetzwerk mit dem korrespondierenden Zweigmodul eine Baueinheit bildet.
Es gibt auch mehrere Stromrichterbrückenschaltungen 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 Stromrichterbrückenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 2 weist eine Zenerdiodenschaltung Z1 und drei Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 auf, die alle hochsperrend sind. Die Zenerdiodenschaltung Z1 ist anodenseitig mit den Anoden dieser drei Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 und kathodenseitig mit dem positiven Potential +U_d des Spannungszwischenkreises 8 direkt verbunden. Kathodenseitig sind die Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 mit den Steuereingängen G1, G3 und G5 r Halbleiterschalter T1, T3 und T5 der oberen Brückenhälfte direkt verbunden. Das Teildiodennetzwerk für die Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der mehrphasige Stromrichterbrückenschaltung weist ebenfalls eine hochsperrende Zenerdiodenschaltungs Z2, drei hochsperrende Entkopplungsdioden D_U, D_V, und D_W und drei niedersperrende Dioden D21, D41 und 6 auf. Diese niedersperrenden Dioden D21, D41 und D61 sind direkt 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 Zenerdiodenschaltungs Z2 mit den Kathoden der hochsperrenden Entkopplungsdioden D_U, D_V, und D_Wdirekt verbunden, deren Anoden mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W der mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 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 Zenerdiodenschaltungen 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 Zenerdiodenschaltungs Z1 des Diodennetzwerkes 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach den 2 bis 6 näher dargestellt. Danach kann die Zenerdiodenschaltungs Z1, aber auch die Zenerdiodenschaltungs 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 Zenerdiodenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenchaltung 2 verknüpft. Die Anode der Diode D_S der Spannungsanhebeeinrichtung 20 ist mit den Anoden der Zenerdiodenschaltung 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 mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung 2 dargestellt ist, wird ein weglaufen der Zener spannung der Zenerdiodenschaltung 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 mehrphasige Stromrichterbrücken Schaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8), verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1,...,T6) mit Freilaufdioden aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das eine Zenerdiodenschaltung (Z1) und für jeden Halbleiterschalter (T1,...,T6) eine Entkopplungsdiode (D1,...,D6) aufweist, und wobei die Zenerdiodenschaltung (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden aller Entkopplungsdioden (D1,...,D6) direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1,...,G6) der Halbleiterschalter (T1,...,T6) der mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2) direkt verbunden sind.
Schaltungsanordnung mit einer dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1,...,T6) mit Freilaufdioden aufweist, und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das eine Zenerdiodenschaltungs (Z1), vier hochsperrende Dioden (D1,D3,D4,D5) und drei niedersperrende Dioden (D21,D41,D61) aufweist, wobei die Zenerdiodenschaltung (Z1) kathodenseitig mit dem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden der vier hochsperrenden Dioden (D1,D3,D4,D5) direktverbunden ist, von denen drei kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss (G1, G3, G5) der Halbleiterschalter (T1, T3, T5) einer positiven Brückenseite der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2) und eine kathodenseitigdirekt mit den Anoden der niedersperrenden Dioden (D21, D41, D61) verbunden sind, deren Kathoden mit jeweils einem Steueranschluss (G2,G4,G6) der Halbleiterschalter (T2,T4,T6) einer negativen Brückenseite der dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2) direkt verbunden sind.
Schaltungsanordnung mit einer dreiphasigen Stromrichterschaltung (2), mit drei Zweigmodulen die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1,.,., T6) mit Freilaufdioden, aufweist, und mit einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das entsprechend der Anzahl der Zweigmodule Sromrichterschaltung (2) Zenerdiodenschaltungen (Z1,Z2,Z3) und entsprechend der Anzahl der Halbleiterschalter (T1, T2; T3, T4; T5, T6) pro Zweismodule Stromrichterschaltung (2) Entkopplungsdioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) aufweist, und wobei jede Zenerdiodenschaltung (Z1, Z2, Z3) kathodenseitig mit einem positiven Potential (+U_d1, +U_d2, +U_d3) der Zweigmodule der Stromrichterschaltung (2) und anodenseitig mit den Anoden der Entkopplungsdioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) eines korrespondierenden Zweigmoduls direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit eine Steueranschluss (G1, G2; G3, G4; G5, G6) eines entsprechenden Halbleiterschalters (T1, T2; T3, T4; T5; T6) direkt vrerbunden sind.
Schaltungsanordnung mit einer dreiphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2), die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis (8) verknüpft ist und mehrere Halbleiterschalter (T1,...,T6) mit Freilaufdioden aufweist, und mit einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung (4), wobei als Überspannungsschutzvorrichtung (4) ein Diodennetzwerk (10) vorgesehen ist, das aus zwei Zenerdiodenschaltungen (Z1,Z2), sechs hochsperrenden Entkopplungsdioden (D1, D3, D5, D_u, D_v, D_w) und drei niedersperrenden Entkopplungsdioden (D21,D41,D61) besteht, wobei eine erste Zenerdiodenschaltung (Z1) kathodenseitig mit einem positiven Potential (+U_d) des Spannungszwischenkreises (8) und anodenseitig mit den Anoden dreier hochsperrender Entkopplungsdioden (D1,D3,D5) direkt verbunden ist, deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss (G1,G3,G5) der Halbleiterschalter (T1,T3,T5) der positiven Brückenhälfte der Stromrichterbrückenschaltung (2) verbunden sind, wobei eine zweite Zenerdiodenschaltung (Z2) kathodenseitig mit den Kathoden dreier hochsperrender Entkopplungsdioden (D_u, D_v, D_W), die anodenseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (U, V, W) der Stromrichterbrückenschaltung (2) direkt 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 Stromrichterbrückenschaltung (2) direkt verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Diodennetzwerk (10) und den Steueranschlüssen (G1,...,G6) der Halbleiterschalter (T1,..., T6) der mehrphasigen Stromrichterbrückenschaltung (2) jeweils eine Verstärkerstufe (12) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zenerdiodenschaltung (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) direkt 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 Zenerdiodenschaltung (Z1) mit den Entkopplungsdioden (D1,...,D6) des Diodennetzwerks (10) und andererseits mit einem Signaleingang (24) einer Treiberstufe (22) direkt verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode der Zenerdiodenschaltung (Z1,Z2,Z3), eine Transildiode ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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) mit einem Anschluss des Entladewiderstandes (R_E) verbunden ist.
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 Zenerdiodenschaltung (Z1,Z2,Z3) eine Reihenschaltung mehrerer Transildioden ist.