DE10160361A1

DE10160361A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom

Info

Publication number: DE10160361A1
Application number: DE10160361A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lindemann
Original assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Current assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Priority date: 2001-12-08
Filing date: 2001-12-08
Publication date: 2003-07-03

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom mit abschaltbaren Leistungshalbleitern beschrieben. Zum Stellen von Wechselstrom werden rückwärtssperrende IGBTs T1, T2 (Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor), die gegensinnig parallel geschaltet sind, derart angesteuert, dass die IGBTs während der positiven und negativen Halbwelle ein- und abgeschaltet werden. Mit den rückwärtssperrenden IGBTs kann ein Wechselstromsteller mit verhältnismäßig geringen Netzrückwirkungen und einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) geschaffen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom mit abschaltbaren Leistungshalbleitern.
Zum Stellen von Wechselstrom sind Wechselstromsteller allgemein bekannt. Die bekannten Wechselstromsteller machen von Halbleiterbauelementen Gebrauch, die sich über einen Steueranschluss ein-, jedoch nicht wieder abschalten lassen.

Die Grundschaltung eines Wechselstromstellers ist beispielsweise in K. Heumann: Grundlagen der Leistungselektronik; B. G. Teubner Verlag, Stuttgart, 4. Auflage 1989 beschrieben. Als Leistungshalbleiter finden zwei Thyristoren Verwendung, die gegensinnig parallel geschaltet sind. Die periodischen Zündzeitpunkte der beiden Thyristoren sind um den Steuerwinkel α gegenüber dem Nulldurchgang der Wechselspannung u verzögert. Nach verzögertem Zünden der jeweiligen Thyristoren springt bei ohmscher Last R der Strom und verläuft vom Zündzeitpunkt an sinusförmig bis zum Nulldurchgang. Demnach fliesst kein kontinuierlicher Strom, sondern ein lückender Netzstrom. Die Stromaufnahme der Last kann durch Veränderung des Steuerwinkels α stetig zwischen dem Höchstwert U/R bei α = 0 und Null bei α = 180° gestellt werden. Bei induktiver Last eilt die Spannung dem Strom voraus; für Zündzeitpunkte nach dem natürlichen Zündzeitpunkt stellt sich ein aus einzelnen Stromkuppen bestehender, lückender Netzstrom ein.

Bei den bekannten Wechselstromstellern mit Thyristoren oder Triacs als Leistungshalbleiter kann die Ansteuerung über die Einstellung des die Stromaufnahme bestimmenden Steuerwinkels α hinaus nicht direkt Einfluss auf den Stromverlauf nehmen.

Es ergeben sich Rückwirkungen auf das speisende Netz. Die wesentlichen Netzrückwirkungen sind Grundschwingungs-Blindleistung sowie Verzerrungsblindleistung durch Oberschwingungen des Stroms. Die Netzrückwirkungen beim Betrieb des Wechselstromstellers auf das speisende Netz bestimmen auch dessen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Als Leistungshalbleiter sind IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) bekannt, die im Gegensatz zu Thyristoren über den Steueranschluss abgeschaltet werden können: Eine positive Steuerspannung auf das Gate steuert den IGBT durch, andernfalls nimmt er in Vorwärtsrichtung Sperrspannung auf. Bei Anlegen von signifikanter Spannung in Rückwärtsrichtung fallen die bekannten IGBT's, die als abschaltbare Leistungshalbleiter im Allgemeinen Verwendung finden, allerdings aus.

Beispielsweise aus US 6091086 oder A. Lindemann: A New IGBT with Reverse Blocking Capability; EPE Conference, Graz, 2001 ist hingegen ein IGBT bekannt, der sich von den Standard-IGBT's dadurch unterscheidet, dass er in Rückwärtsrichtung sperrt, d. h. der IGBT sperrt bei Anlegen einer Kollektor- Emitterspannung U_CE < 0. Dieser IGBT wird auch als rückwärtssperrender IGBT (Reverse Blocking IGBT) bezeichnet. In Wechselstromstellern sind rückwärtssperrende IGBT's bisher nicht eingesetzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom mit geringen Netzrückwirkungen und einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Stellen von Wechselstrom mit abschaltbaren Leistungshalbleitern anzugeben, mit dem sich die Netzrückwirkungen verringern und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern lässt.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäss mit den im Patentanspruch 1 bzw. 6 genannten Merkmalen.

Zum Stellen von Wechselstrom werden gegensinnig parallel geschaltete rückwärtssperrende IGBT's derart angesteuert, dass die IGBT's während der positiven und negativen Halbwelle mindestens einmal und bevorzugt mehrfach ein- und ausgeschaltet werden. Bei einphasigen Netzen finden zwei antiparallel geschaltete IGBT's Verwendung, während bei mehrphasigen Netzen für jede Phase zwei IGBT's verwendet werden.

Anders als bei Thyristoren oder Triacs, die in Vorwärtsrichtung Sperrspannung aufnehmen können, wenn sie nicht gezündet sind und der Strom zu Null wird, lässt sich der Strom durch rückwärtssperrende IGBT's durch ein Abschaltsignal am Steueranschluss unterbrechen. Das Ein- und Abschalten der IGBT's während einer Halbperiode erlaubt eine Einstellung des Verlaufs des Netzstroms sowie der Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und der Grundschwingung des Netzstroms. So lässt sich vorteilhafterweise erreichen, dass sich eine ohmsch- induktive Last am Netz weitgehend wie eine ohmsche Last verhält. Mit einem entsprechenden Eingangsfilter, dessen Grösse durch Steigerung der Taktfrequenz der IGBT's gegenüber einem Filter für Netzfrequenz signifikant vermindert werden kann, lässt sich zudem ein weitgehend kontinuierlicher anstelle eines lückenden Netzstroms erreichen.

Weiterhin lassen sich mit einer entsprechenden Ansteuerung der rückwärtssperrenden IGBT's Verlauf und Phasenlage des Laststroms einstellen. Insbesondere letzteres ist beispielsweise in Beleuchtungsanlagen mit Leuchtstoffröhren aus Sicherheitsgründen von Nutzen, wenn netzsynchrone Antriebe beleuchtet werden sollen. Zudem kann eine übergeordnete Regelung wesentlich schneller eingreifen und Last- oder Netzstrom beeinflussen. Dies ist für Anwendungen mit entsprechenden Anforderungen an die Regeldynamik von Vorteil.

Die Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom verfügt für jede Phase über zwei gegensinnig parallel geschaltete IGBT's, die rückwärtssperrend sind, sowie eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass die IGBT's während der positiven und negativen Halbfälle ein- und abschaltbar sind.

Der Netzstrom wird vorzugsweise geglättet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wechselstromstellers sind daher Mittel zur Glättung des Netzstroms vorgesehen. Vorzugsweise ist der Schaltung ein Netzfilter mit einer Filterspule und einem Filterkondensator vorgeschaltet.

Um die rückwärtssperrenden IGBT's bei Lasten mit induktivem Anteil vor Zerstörung zu schützen, müssen Abschalt-Überspannungen vermieden werden, die deren Sperrspannung übersteigen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind daher Mittel zur Reduzierung von Abschalt- Überspannungen vorgesehen, die vorzugsweise einen Freilaufzweig umfassen. Der Freilaufzweig wird vorzugsweise von zwei gegensinnig parallel geschalteten, rückwärtssperrenden IGBT's gebildet, die parallel zur Last geschaltet sind.

Der Freilaufzweig ist insbesondere bei ohmsch-induktiver oder induktiver Last von Vorteil. Bei ohmscher Last kann auf den Freilaufzweig grundsätzlich verzichtet werden, da nicht die Gefahr der Zerstörung der rückwärtssperrenden IGBT's aufgrund von Abschalt-Überspannungen besteht.

Im Folgenden wird das Verfahren zum Stellen von Wechselstrom anhand eines Ausführungsbeispiels eines Wechselstromstellers unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltung des Wechselstromstellers mit Freilaufzweig und ohmsch- induktiver Last,
Fig. 2 den Verlauf von Netzspannung und -strom bei ohmsch-induktiver Last ohne Wechselstromsteller über beide Halbperioden,
Fig. 3 den Verlauf des dem Netzfilter entnommenen Eingangsstroms des Wechselstromstellers von Fig. 1 über beide Halbperioden,
Fig. 4 den Verlauf des Freilaufstroms über beide Halbperioden,
Fig. 5 den Verlauf des Laststroms über beide Halbperioden,
Fig. 6 den Verlauf des dem Netzfilter entnommenen Eingangsstroms des Wechselstromstellers von Fig. 1 für einige Taktperioden,
Fig. 7 den Verlauf des Freilaufstroms für einige Taktperioden, und
Fig. 8 den Verlauf des Laststroms für einige Taktperioden.
Fig. 1 zeigt die Schaltung des Wechselstromstellers, der einen Leistungsteil 1 und eine Steuerschaltung 2 umfasst. Es wird eine ohmsch-induktive Last angenommen, die als Reihenschaltung eines Widerstandes R_L und einer Induktivität L_L dargestellt ist. Es fliesst der Laststrom i_L.
Die ohmsch-induktive Last R_L und L_L liegt über zwei rückwärtsperrende IGBT's 11, 12 (Reverse Blocking IGBT) am Netz, die gegensinnig parallel geschaltet sind. In die Schaltung fliesst der Eingangsstrom i_n; netzseitig vorgeschaltet ist ein Netzfilter 3, der aus einem LC-Glied mit einer Filterspule der Induktivität L_n und einem Filterkondensator der Kapazität C_n besteht. In den Netzfilter 3 fliesst der geglättete netzseitige Eingangsstrom i_n*. Parallel zur Last R_L und L_L liegen zwei weitere rückwärtssperrende IGBT's T₃, T₄, die ebenfalls antiparallel geschaltet sind. Die IGBT's T₃, T₄ bilden für die Last einen Freilaufkreis, in dem der Strom i_F fliesst.
Fig. 1 zeigt der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine Phase. In Drehstromstellern werden alle Phasen entsprechend der Schaltung von Fig. 1 aufgebaut.
Die Funktion der Schaltung von Fig. 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 erläutert. Es werden eine sinusförmige Netzspannung U_n mit einem Effektivwert von 230 V und einer Frequenz von 50 Hz sowie eine ohmsch- induktive Last mit dem Widerstand R_L = 10 Ω und der Induktivität L_L = 10 mH angenommen. Die Schaltung wird mit einer Taktfrequenz von 2,5 kHz betrieben. Diese Werte werden lediglich für das beschriebene Ausführungsbeispiel angenommen, sie stellen aber keineswegs notwendige Betriebsparameter oder -einschränkungen dar.
Fig. 2 zeigt den sinusförmigen Verlauf von Netzspannung u_n und Netzstrom i_n ohne Wechselstromsteller. Aufgrund der ohmsch-induktiven Last eilt der Strom i_n der Spannung u_n nach. Die berechneten Strom- und Spannungsverläufe über eine Netzperiode für die Schaltung von Fig. 1 sind in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Fig. 3 zeigt den dem Netzfilter entnommenen Eingangsstrom i_n des Wechselstromstellers, Fig. 4 den Freilaufstrom i_F im Freilaufzweig sowie Fig. 5 den Laststrom i_L. Die Fig. 6 bis 8 zeigen den dem Netzfilter entnommenen Eingangsstrom i_n, den Freilaufstrom i_F und den Laststrom i_L in vergrösserter Darstellung nur für einige Taktperioden, so dass sich die Funktionsweise des Stellers im Detail besser nachvollziehen lässt. Die Steuerschaltung 2 steuert die IGBT's T₁ bis T₄ des Wechselstromstellers wie folgt an:
Bei t = 5,2 ms schaltet die Steuerschaltung 2 den IGBT T₁ ein. Zu diesem Zeitpunkt ist die Netzspannung U_n > 0, wie Fig. 2 zu entnehmen ist. Der Freilaufzweig sperrt, da einerseits die Netzspannung an dem IGBT T₃ als Rückwärtsspannung anliegt, wodurch der rückwärtssperrende IGBT T₃ sperrt und da andererseits die Steuerschaltung sicherstellt, dass T₄ ausgeschaltet ist. Die Netzspannung liegt an der Last R_L und L_L, wodurch der Eingangsstrom i_n, der jetzt gleich dem Laststrom i_L ist, ansteigt. Bei ca. t = 5,4 ms wird der IGBT T₁abgeschaltet, der Eingangsstrom i_n ist Null. Der von der Induktivität L_L der Last getriebene Laststrom i_L kommutiert auf den Freilaufzweig, so dass i_F > 0 wird. Der Strom fällt wegen des Lastwiderstandes R_L im Stromkreis innerhalb dieses Freilaufintervalls ab. Bei t = 5,6 ms wird der IGBT T₁ wieder eingeschaltet, wodurch eine neue Taktperiode beginnt. Bei umgekehrten Polaritäten von Spannung bzw. Strom verhält sich die Schaltung mit ihren aus je zwei rückwärtssperrenden IGBT's zusammengesetzten bidirektionalen Schaltern entsprechend. Durch den Netzfilter 3 ist der netzseitige Eingangstrom i_n* geglättet.
Es ist deutlich zu erkennen, dass Mittelwert des Eingangsstroms i_n weitgehend einer Sinuskurve folgt. Die Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und der Grundschwingung des Netzstroms ist verhältnismässig gering, wie ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt. Dies stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber konventionellen Wechselstromstellern mit Thyristoren oder Triacs nach dem Stand der Technik dar, in denen sich ein noch ungünstigerer Stromverlauf als in Fig. 2 einstellt. Der Laststrom in der erfindungsgemässen Schaltung nach Fig. 1 i_L ist weitgehend sinusförmig.

Claims

1. Vorrichtung zum Stellen von Wechsel- oder Drehstrom mit abschaltbaren Leistungshalbleitern und einer Steuerschaltung zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die abschaltbaren Leistungshalbleiter rückwärtssperrende IGBT's (T₁, T₂) sind, die gegensinnig parallel geschaltet sind, wobei die Steuerschaltung (2) derart ausgebildet ist, dass die IGBT's während der positiven und negativen Halbwelle ein- und abschaltbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (3) zur Glättung des netzseitigen Eingangsstroms vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die Mittel zur Glättung des netzseitigen Eingangsstroms einen LC-Filter (3) mit einer Filterspule L_n und einem Filterkondensator C_n umfassen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (T₃, T₄) zur Reduzierung von Abschalt-Überspannungen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung von Abschalt-Überspannungen einen Freilaufzweig umfassen, der von zwei gegensinnig parallel geschalteten, rückwärtssperrenden IGBT's (T₃, T₄) gebildet wird, die parallel zur Last geschaltet sind.

6. Verfahren zum Stellen von Wechsel- oder Drehstrom, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Netz und Last oder zwischen einem Netzfilter und der Last gegensinnig parallel geschaltete, rückwärtssperrende IGBT's während der positiven und negativen Halbwelle der Netzspannung mindestens einmal ein- und ausgeschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage der Grundschwingung und/oder der Oberschwingungsgehalt des Netz- bzw. Eingangsstroms über die Einstellung der Schaltzeitpunkte der rückwärtssperrenden IGBT's geregelt oder gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kurvenform und/oder Phasenlage des Laststroms über die Einstellung der Schaltzeitpunkte der rückwärtssperrenden IGBT's geregelt bzw. gesteuert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einen Freilaufzweig bildende, rückwärtssperrende IGBT's so angesteuert werden, dass der Laststrom bei Unterbrechung des Stromflusses zum Netz hin durch einen netzseitigen, rückwärtssperrenden IGBT in den Freilaufzweig fliesst, ohne dass einer der den Freilaufzweig bildenden, rückwärtssperrenden IGBT's die Last bei eingeschaltetem netzseitigen, rückwärtssperrenden IGBT für die jeweilige Stromrichtung kurzschliesst.