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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für eine aktive
Gleichrichterschaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren
zur Steuerung einer aktiven Gleichrichterschaltung.
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In
einigen Frequenzumrichtern werden netzseitig als Gleichrichter aktive
Brückenschaltungen eingesetzt.
Eine derartige Brückenschaltung
ist in 1 schematisch wiedergegeben. Diese Brückenschaltung
besteht aus drei parallelen Zweigen, in denen jeweils zwei Schalter
T1 und T2, T3 und T4, T5 und T6 hintereinander geschaltet sind.
Die gesamte Parallelschaltung ist einerseits an eine positive Versorgungsspannung
DC+ und andererseits an eine negative Versorgungsspannung DC– angeschlossen.
Zwischen den einzelnen Schaltern jedes Zweigs der Parallelschaltung
ist jeweils eine Phase U, V, W eines Dreiphasensystems angeschlossen.
Jeder der Schalter T1 bis T6 besteht aus einer Parallelschaltung
einer Diode mit einem abschaltbaren Halbleiterschalter. Dieser abschaltbare
Halbleiterschalter ist beispielsweise durch einen IGBT, Biopolartransistor oder
MOSFET-Transistor realisierbar.
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Es
gilt nun, die einzelnen aktiven Elemente, speziell die abschaltbaren
Halbleiterschalter des in
1 dargestellten
aktiven Netzgleichrichters in geeigneter Weise anzusteuern. Hierzu
muss das höchste
Potential ermittelt und für
den zugehörigen Leistungshalbleiter
bzw. Halbleiterschalter ein Ansteuersignal durch Vergleich des Potentials
der einzelnen Netzspannungen generiert werden. Dieser Vergleich
wird entsprechend der Druckschrift
DE 199 13 634 A1 mit einer in
2 schematisch wiedergegebenen
Schaltung durchgeführt.
Demnach dient zur Ansteuerung des bereits in der
1 dargestellten Schalters T1 eine Phase
U eines Dreiphasensystems als Referenzspannung eines Komparators
K1 und liegt an dessen positivem Eingang. An dem negativen Eingang
des Komparators K1 liegt über
einen Widerstand R1 eine zweite Phase V des Dreiphasensystems. Zwischen
den negativen Eingang des Komparators K1 und der als Referenzspannung
dienenden Phase U liegt eine Antiparallelschaltung zweier Dioden
D1 und D2. Der Komparator K1 ist an eine positive Versorgungsspannung
P15 und eine negative Versorgungsspannung N15 mit einer Gleichspannung
von +15V bzw. –15V
angeschlossen. Analog hierzu ist eine Vergleichsschaltung für die Phasen
U und W aufgebaut, wobei wiederum die Phase U als Referenzspannung
für einen
Komparator K2 dient. Die Beschaltung des negativen Eingangs bzw.
Messeingangs des Komparators K2 erfolgt mit den Elementen R2, D3
und D4 analog zu der oben geschilderten Beschaltung des Komparators
K1.
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Die
beiden Ausgangssignale der Komparatoren K1 und K2 werden in einem
UND-Glied miteinander verknüpft.
Das Ausgangssignal des UND-Glieds dient als Ansteuersignal für den Schalter
T1. In analoger Weise werden Befehle für die Schalter T3 und T4 bzw.
die Schalter T2, T4 und T6 erzeugt.
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Mittels
der beiden Komparatoren K1 und K2 werden die Potentiale der Phasen
V und W mit dem Potential der Phase U verglichen. Die Netzwerke
an den Komparatoreingängen
mit den Bauelementen R1, D1 und D2 bzw. R2, D2 und D4 dienen zur
Spannungsbegrenzung am jeweiligen Komparatoreingang. Ist das Potential
der Phase U größer als
das der Phasen V und W, wird der zugehörige Leistungshalbleiter eingeschaltet.
Der Nachteil des mit Hilfe von 2 erläuterten
Verfahrens besteht darin, dass den Komparatoren K1 und K2 in Bezug
auf das Potential U sowohl eine positive als auch eine negative Versorgungsspannung
T15, N15 zur Verfügung
gestellt werden muss. Üblicherweise
werden hierzu Spannungsbeträge
von 15V gewählt,
es können
aber auch andere Spannungsbeträge,
z. B. 5V, verwendet werden. Es ist jedoch nicht möglich, auf
eine der beiden Versorgungsspannungen, z. B. die negative Versorgungsspannung,
zu verzichten und eine Verbindung des negativen Versorgungspins
des jeweiligen Komparators mit dem Potential U herzustellen. Der Grund
hierfür
liegt darin, dass dann der negative Eingang des Komparators ein
niedrigeres Potential als das Potential U und somit ein niedrigeres
Potential als sein negativer Versorgungspin annehmen könnte.
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Aus
dem Stand der Technik sind einfache und kostengünstige Bootstrap-Schaltungen
bekannt, mit denen eine Versorgungsspannung bereitgestellt werden
kann. Diese Bootstrap-Schaltungen sind jedoch nur in der Lage, beispielsweise
ein positives Potential bereitzustellen, nicht hingegen ein negatives Potential.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine einfache
und kostengünstige Spannungsversorgung
für Gleichrichter
zur Verfügung
zu stellen. Darüber
hinaus soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Ansteuervorrichtung für
eine aktive Gleichrichterschaltung mit einem Komparator, der einen
Referenzspannungseingang, einen Messspannungseingang, einen ersten
Versorgungseingang und einen zweiten Versorgungseingang aufweist, wobei
der erste Versorgungseingang an eine Gleichspannungsquelle und der
Messspannungseingang mit einer ersten Wechselspannungsleitung verbindbar
ist, und wobei mit dem Ausgang des Komparators die Gleichrichterschaltung
ansteuerbar ist, und einer Messschaltung die zwischen den Messspannungseingang
und den Referenzspannungseingang des Kamparators geschaltet ist
und die zumindest das Vorzeichen der Spannung zwischen der ersten Wechselspannungsleitung
und dem Referenzspannungseingang am Messspannungseingang des Kamparators
abbildet, sowie einer Potentialverschiebungsschaltung, die zwischen
den Referenzspannungseingang und den zweiten Versorgungseingang,
der an eine zweite Wechselspannungsleitung anschließbar ist,
geschaltet ist und zwischen diesen Anschlüssen eine zusätzliche
Spannung einprägt.
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Darüber hinaus
wird erfindungsgemäß bereitgestellt
ein Verfahren zur Steuerung einer aktiven Gleichrichterschaltung
mit Hilfe eines Komparators, der einen Referenzspannungseingang,
einen Messspannungseingang, einen ersten Versorgungseingang und
einen zweiten Versorgungseingang aufweist, durch Bereitstellen einer
Gleichspannung an dem ersten Versorgungseingang, Bereitstellen eines ersten
Wechselspannungspotentials an dem zweiten Versorgungseingang, Bereitstellen
einer Referenzspannung, die um mindestens zwei Diodenschwellen höher ist
als das erste Wechselspannungspotential, an dem Referenzspannungseingang,
Bereitstellen einer Messspannung, die sich um höchstens eine Diodenschwelle
von der Referenzspannung unterscheidet, an dem Messspannungseingang
und Ansteuern der Gleichrichterschaltung mit dem Komparatorausgangssignal.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung besteht die Potentialverschiebungsschaltung
aus einer Diode oder einer Reihenschaltung mehrerer Dioden. Prinzipiell
kann für die
Potentialverschiebungsschaltung jede beliebige Spannungsquelle verwendet
werden, die für
die gewünschte
Potentialverschiebung sorgt.
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Weiterhin
ist es günstig,
wenn die Messschaltung aus einer Antiparallelschaltung von Dioden besteht.
Dadurch findet eine nichtlineare Abbildung der zu messenden Spannung
auf den Komparatoreingang statt. Eine lineare Abbildung lässt sich
beispielsweise durch einen ohmschen Widerstand erreichen.
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Vorzugsweise
besitzt die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung
für eine
weitere Messspannung einen weiteren Komparator mit der gleichen
Diodenbeschaltung, wobei die beiden Ausgänge der Komparatoren in einem
UND-Glied verknüpft
werden, so dass die Gleichrichterschaltung mit dem Verknüpfungsergebnis
ansteuerbar ist. Damit ist die Ansteuervorrichtung für ein Mehrphasensystem
einsetzbar.
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Günstigerweise
wird zwischen die beiden Versorgungseingänge des Komparators ein Kondensator
zur Energiespeicherung ge schaltet. Dieser sorgt für eine kontinuierliche
Versorgungsspannung des Komparators.
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An
den ersten Versorgungseingang der Ansteuervorrichtung kann eine
Bootstrap-Schaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung geschaltet
sein. Diese Schaltung ist sehr einfach zu realisieren und zeichnet
sich durch ihre geringen Kosten aus.
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Eine
besonders vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass ein Frequenzumrichter,
der eine aktive Gleichrichterschaltung aufweist, mit der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung
ausgestaltet ist. Damit können
auch Frequenzumrichter entsprechend kostengünstiger und einfacher gestaltet
werden. Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die Gleichrichterschaltung
eine Brückenschaltung
aus mehreren Parallelschaltungen von abschaltbaren Halbleiterschaltern
und Dioden beinhaltet.
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Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines aktiven Netzgleichrichters nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
Ansteuerschaltung eines Gleichrichters nach dem Stand der Technik;
und
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3 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung.
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Das
nachfolgend näher
geschilderte Ausführungsbeispiel
stellt eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar.
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Die
in 3 wiedergegebene erfindungsgemäße Schaltung besitzt prinzipiell
die gleiche Funktion wie die obere Hälfte der Schaltung von 2.
Bei der Schaltung von 3 ist jedoch keine gesonderte negative
Versorgungsspannung N15 not wendig. Vielmehr genügt die Bereitstellung einer
positiven Gleichspannung P15.
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Analog
zum Stand der Technik nach 2 sind die
beiden Komparatoreingänge,
nämlich
der Referenzspannungseingang bzw. Pluseingang „+" und der Messspannungseingang bzw. Minuseingang „–" des Komparators
K1 über
eine Antiparallelschaltung zweier Dioden D1 und D2 miteinander verbunden.
An den Messspannungseingang „–" des Komparators
K1 ist ferner die Phase V eines Dreiphasensystems über einen
Widerstand R1 angeschlossen.
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Der
erfinderische Gedanke besteht nun darin, als Referenzspannung am
positiven Eingang des Komparators K1 bzw. K2 nicht das Potential
der Phase U, sondern ein gegenüber
diesem Potential um ΔΦ erhöhtes Potential
zu verwenden und am negativen Eingang des Komparators das Messsignal
ebenfalls um ΔΦ zu verschieben.
Als Maß für ΔΦ gilt, dass es
höher als
eine Diodenschwelle (0,7V) z. B. der Diode D2 und niedriger als
die positive Versorgungsspannung (abzüglich einer Diodenschwelle)
sein muss. Mit dieser Lösung
ist es möglich,
als negative Versorgungsspannung für die Komparatoren K1, K2 das
Potential der Phase U zu verwenden, da der negative Eingang der
Komparatoren K1, K2 dann immer höheres
Potential als das Potential der Phase U besitzt. Somit kann die
Versorgungsspannung mit einer kostengünstigen Bootstrap-Schaltung,
die nur eine positive Gleichspannung zur Verfügung stellt, realisiert werden.
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In
dem konkreten Fall von 3 sind zwei in Serie geschaltete
Dioden D5 und D6 zwischen den Referenzspannungseingang „+" bzw. positiven Eingang
des Komparators K1 und den negativen Versorgungseingang E2 des Komparators
K1, der mit der Phase U verbunden ist, geschlossen. Der Referenzspannungseingang
ist darüber
hinaus mit Hilfe eines Widerstands R3 an eine nicht dargestellte Bootstrap-Schaltung
angeschlossen, die das positive Potential von 15V Gleichspannung
P15 liefert. Gleichzeitig liegt die positive Versorgungsspannung P15
an dem positi ven Versorgungseingang E1 des Komparators K1 an. Zwischen
die beiden Versorgungseingänge
des Komparators K1 ist ferner ein Kondensator C1 geschaltet, der
als Energiespeicherkondensator dient und von der Bootstrap-Schaltung geladen
wird.
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In
dem in 3 wiedergegebenen Beispiel wird das Vergleichsverfahren
durch Beschalten eines mit einer Bootstrap-Schaltung versorgten
Komparators mit zwei Dioden D5 und D6 realisiert. Diese Dioden D5
und D6 definieren die oben genannte Potentialdifferenz ΔΦ, die etwa
1,4V beträgt.
Um diesen Wert sind die Eingangsspannungen am Komparator K1 gegenüber dem
Potential der Phase U nach oben verschoben, so dass in jedem Betriebspunkt
alle Komparatoreingänge
im Potential höher
als das Potential der Phase U liegen.
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Ist
in dem gewählten
Beispiel das Potential der Phase V größer als das der Phase U, so
liegt der negative Eingang des Komparators K1 um drei Diodenschwellen
(D1, D5, D6) über
dem Potential der negativen Versorgungsspannung des Komparators bzw.
dem Potential der Phase U. Ist hingegen das Potential der Phase
V kleiner als das der Phase U, so fließt ein Strom von der Klemme
P15 über
R2, D2 und R1 nach V. Dies führt
dazu, dass an dem Minuseingang des Komparators K1 ein Potential
anliegt, das um eine Diodenschwelle über dem Potential der Phase
U liegt. Das Potential an dem Pluseingang (Referenzspannungseingang)
des Komparators K1 liegt dann um zwei Diodenschwellen über dem
Potential der Phase U. Auch in diesem Fall ist somit eine geeignete
Versorgung gewährleistet.
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Das
Ausgangssignal des Komparators K1 ist auch hier mit dem Ausgangssignal
eines Komparators K2 UND-verknüpft.
Das resultierende Signal dient zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters
T1, der im Zusammenhang mit den 1 und 2 bereits
dargestellt wurde. In ähnlicher
Weise lassen sich als Spannungsversorgung der Ansteuerschaltungen
für die
Leistungshalbleiter T3 und T5 (vgl. 1) kostengünstige Bootstrap-Schaltungen verwenden.
Ein aufwendiges Schaltnetzteil ist somit nicht mehr erforderlich.
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In
dem obigen Beispiel wurde die Anhebung des Referenzpotentials durch
die Dioden D5 und D6 erreicht. Diese Anhebung des Referenzpotentials
unabhängig
von dem Potential der Phase V, d. h. auch unabhängig davon, welches Potential
der Phase V oder U größer ist,
kann auch durch andere Mittel erreicht werden, z. B. durch drei
oder mehr Dioden.
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Die
Darstellung von 3 ist ferner lediglich skizzenhaft
zu verstehen, da beispielsweise ein Treiber, der zwischen das UND-Gatter
und den Leistungshalbleiter T1 geschaltet ist, in dem Schaltplan nicht
eingezeichnet ist.