DE102004029901A1

DE102004029901A1 - Umrichter

Info

Publication number: DE102004029901A1
Application number: DE200410029901
Authority: DE
Inventors: Friedrich Wilhelm Fuchs; Markus Haberberger
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Umrichter mit einer Mehrzahl von über mit einer Gleichstromquelle (9) verbundenen Brückenventilen (2) und einer Schaltung zum Schutz der Leistungshalbleiter (2) vor bei Stromflussunterbrechungen auftretenden Überspannungen, die mit einer durch Netzgleichrichterdioden gebildeten Vollbrücke und einer Netzdrossel (8), mit zwei Überspannungsdetektoren (4, 5), die jeweils für eine Halbbrücke die Überspannungswerte für die jeweiligen Halbleiterventile (2) detektieren und eine Last (6, 7) schalten, so dass die Spannungswerte zum Schutz der Brückenventile (2) jeweils für nur eine Halbbrücke begrenzt werden, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schaltungsanspruchs 1.

In allen kontaktlosen Schaltsystemen der Leistungselektronik sind Sicherheitsschaltungen bekannt, die die Halbleiter-Leistungstransistoren – heute bevorzugt in der Ausführungsform bipolarer Transistoren mit isoliertem Gate (sog. IBGT-Leistungsschalter) – vor Überstrom und Überspannungen schützen. In Netzumrichtern betrifft das im Besonderen die Halbleiterventile. Zum Stand der Technik gehört hierzu in der einfachsten, aber sichersten und wirkungsvollsten Grundausführung eine Schutzschaltung, die z. B. jedes Ventil – in der Grundausführung sechs Ventile – bei der Kommutierung von Gleichspannung in Drehstrom separat schützt. Dieses Verfahren ist wirkungsvoll, aber sehr materialaufwendig. Eine in der Anwendung weit verbreitete Schaltungsvariante benutzt eine Stromdrossel, die in den Energiegleichstromkreis gelegt wird, an ihr durch intelligente elektronische Detektionsschaltungen eine Überspannungserkennung und -limitierung vorgenommen wird, die bei definierten Schwellen einen Hochleistungsverbraucher – meist in Form eines gut gekühlten und sehr schnell schaltenden Leistungstransistors mit Freilaufdiode – parallel zum gesamten Brückenzweig schaltet. Beide Varianten können zum Stand der Technik 1 und zum Stand der Technik 2 gezählt werden und sind in den Publikationen DE 197 40 540 C1 , DE 197 02 134 A1 , JP-OS 7-183781, der JP-OS 6-105448 und besonders umfassend in der Offenlegungsschrift DE 198 25 211 A1 u. a. umfassend angegeben.

Während die Schutzschaltung, die jedem einzelnen Ventil zugeordnet ist, in ihrer technischen Wirksamkeit kaum verbesserungsfähig ist, wurde bei der Schutzschaltung nach dem Stand der Technik 2 von der Annahme ausgegangen, dass sich die ZK-Spannung immer auf beide Ventile eines Brückenzweiges verteilt und somit die Spannung über jedem einzelnen Ventil stets kleiner als die ZK-Spannung bzw. die Begrenzungsspannung der gemeinsamen Schutzschaltung sein muss, egal wie symmetrisch oder unsymmetrisch sich die Spannung auf die in Reihe liegenden Ventile aufteilt. Dieser Zustand trifft nur dann zu, wenn die gesamte Brücke abgeschaltet ist – also sich das Potenzial des Zwischenkreises frei bewegen kann. Bei den zu schützenden Fällen [Ventil-, Treiber-, Spannungsausfall] ist dies praktisch nicht der Fall, da mindestens eines der sechs Ventile immer noch leitend ist und somit die zugehörige ZK-Schiene auf einem der drei Netzpotenziale liegt. Dieses hat zur Folge, dass sich die Spannungen bzw. die Überspannungen an den Ventilen aus der ZK-Spannung und der Leiterspannung zusammensetzen. Ein zufälliges Beispiel soll zeigen, dass es trotz aktiver ZK-Schutzschaltung nach dem Stand der Technik 2 zu einem Überschreiten der IGBT-Durchbruchspannung führen kann.

Es soll die Spannung des Drehstromnetzes mit seinen Leitern L1, L2 und L3 zu Beginn der Kommutierung an den Stromrichterventilen anliegen. Die oberen Ventile der Brückenschaltung sollen mit den ungeraden Zahlen V1, V3 und V5 und deshalb mit den äußeren Elektrodenspannungen u_V1, u_V3 und u_V5 beziffert werden, die unteren Ventile der Brückenschaltung mit geraden Zahlen V2, V4 und V6 und deshalb mit den äußeren Elektrodenspannungen u_V2, u_V4 und u_V6. Verbindet man nun die Drehstromleitungen L1 mit der Mittenleitung der Ventile V1 und V2, die Leitung L2 mit den Ventile V3, V4 und die Drehstromleitung mit den Ventile V5 und V6, so lassen sich die (Richtungs-)Spannungen zwischen den Leitern L1, L2 als u₁₂, zwischen L2, L3 als u₃₂ und zwischen L3 und L1 als u₃₁ definieren und die auf der Gleichstromseite zwischen den Elektroden des aktiv geschalteten Hochleistungsverbrauchers als u_d. Mit diesen gewählten Festlegungen lassen sich zu Beginn der Kommutierung die Knotenspannungsgleichungen schreiben. Die eingetragenen Spannungswerte beziehen sich ausgangsseitig auf ein 400 VDC-Drehstromnetz. uV1 = uV4 = 0 uV3 = –u12 = –566 V uV5 = u32 – u12 = u31 = –286 V < 0 ud = u12 = 566V

Für diesen Momentanzustand ergeben sich folgende Zeitverläufe. Nachdem V1 abgeschaltet wird, steigt u_V1 und mit ihr die Spannungen an allen anderen Ventilen in der oberen Halbbrücke an. Sobald die Spannung über V5 positiv wird, müsste V5 anfangen zu leiten. Da V5 zwar eingeschaltet war – aber, das sei hier festgelegt, zufällig durchgeschlagen, also nicht leitend ist – steigt die Spannung weiter, da ein durchgeschlagenes Ventil sich bezüglich der Ausgangselektrodenspannung wie eine Unterbrechung verhält. Weiterhin sei festgelegt, dass die Durchbruchspannung der IGBT-Ventile 1000V betragen solle, so dass die Ansprechschwelle der ZK-Spannung u_d etwa bei 1000 V liegt. Auf Grund des angenommenen Defektes von V5 ist zu diesem Zeitpunkt die Spannung über dem intakten IGBT-Ventil V1 = 1566 V (über V5 läge sie bei 1288 V) – also über der Spannungsfestigkeit beider Ventile. Es erfolgt daher in diesem konstruierten, aber praxisrelevanten Fall kein Schutz für das Ventil V1. Der Bereich, in dem die Schutzschaltung unwirksam ist, umfasst praktisch alle Kommutierungsvorgänge mit negativer Kommutierungsspannung, da sich hier zur ZK-Spannung die Kommutierungsspannung addiert und somit mindestens immer ein Ventil mit einer höheren Spannung als der ZK-Spannung beaufschlagt werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die ein sicheres Überschreiten der festgelegten und damit eingestellten Durchbruchspannung der Leistungshalbleiter gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Schaltungsanordnung durch die im Hauptanspruch 1 aufgezeigte Schaltungsstruktur sowie die dazu in den Unteransprüchen genannten Ausführungsformen gelöst.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Figuren erläutert. Dabei zeigt die
1: Einen Umrichter für Gleich- in Dreiphasendrehstrom mit Vollbrücke und zwei Halbbrückenschutzschaltungen und
2: Einen Umrichter für Gleich- in Dreiphasendrehstrom mit Vollbrücke und einer Vollbrückenschutzschaltung.
Die Schaltung besteht aus einer Vollbrücke mit sechs Netzgleichrichterdioden, den entsprechenden sechs IGBT's 2, den dazugehörenden Freilaufdioden 3, der Netzdrossel 8 und der Gleichstromquelle 9. Neu eingefügt ist ein Überspannungsschutzdetektor 4, der so konfiguriert ist, dass er nur für die obere Halbbrücke Überspannungen detektiert und diese mit einem schnellen Halbleiterleistungsschalter 6, der ebenfalls nur die Ventile der oberen Halbbrücke vor Überspannungen schützt, unwirksam macht. Ebenfalls neu eingefügt ist ein Überspannungsschutzdetektor 5, der nur Spannungsüberschreitungen für die untere Halbbrücke erkennt und der auch mit einem schnellen Halbleiterschutzschalter 7 gekoppelt ist und nur die unteren Ventile der Halbbrücke schützt. Die drei Kondensatoren 1 an den Drehstromleitern dienen der Beseitigung von Schaltimpulsen, die durch die Ein- und ausschaltflanken der IGBT-Ventile hervorgerufen werden.
Für den gesamten Ventilschutz ist die Schaltung nach 2 genauso wirkungsvoll wie die Erfindung nach 1. Auch die Schaltung nach 2 besteht aus je einem Überspannungsdetektor 4, 5, der jeweils für die obere und untere Halbbrücke zum Erkennen von Überspannungen in einer Halbbrücke ausgelegt ist, wobei die detektierten Signale mit einem ODER-Glied 10 verknüpft sind, die einen Halbleiterhochleistungsschalter 11 mit Freilaufdiode 12 als Schutzschalter ansteuern, sobald eine der beiden Begrenzungsschaltungen 4 oder 5 anspricht. Die Gefahr eines Netzkurzschlusses unter Beteiligung der Schutzschaltung besteht bei dieser Variante nicht.

Claims

Umrichter mit einer Mehrzahl von über mit einer Gleichstromquelle (9) verbundenen Brückenventile (2) und einer Schaltung zum Schutz der Leistungshalbleiter (2) vor bei Stromflussunterbrechungen auftretenden Überspannungen, die mit einer durch Netzgleichrichterdioden gebildeten Vollbrücke und einer Netzdrossel (8) gekennzeichnet durch zwei Überspannungdetektoren (4, 5) die jeweils für eine Halbbrücke die Überspannungswerte für die jeweiligen Halbleiterventile (2) detektieren und eine Last (6, 7) schalten, so dass die Spannungswerte zum Schutz der Brückenventile (2) jeweils für nur eine Halbbrücke begrenzt werden.
Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Überspannungsdetektoren (4, 5) detektierte Signal durch ein ODER-Glied (10) verknüpft ist.
Umrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ODER verknüpfte Signal nur einen Hochleistungshalbleiterschalter (11) zur Spannungsbegrenzung beider Halbbrücken ansteuert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ODER-Verknüpfung (10) ein galvanisch getrennter Leistungs-IGBT (11) nachgeschaltet ist.