DE102009005089A1 - Converter circuit with distributed energy storage - Google Patents

Converter circuit with distributed energy storage Download PDF

Info

Publication number
DE102009005089A1
DE102009005089A1 DE102009005089A DE102009005089A DE102009005089A1 DE 102009005089 A1 DE102009005089 A1 DE 102009005089A1 DE 102009005089 A DE102009005089 A DE 102009005089A DE 102009005089 A DE102009005089 A DE 102009005089A DE 102009005089 A1 DE102009005089 A1 DE 102009005089A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
turn
converter circuit
semiconductor switch
subsystem
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102009005089A
Other languages
German (de)
Inventor
Steffen Prof. Bernet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Siemens AG
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden, Siemens AG filed Critical Technische Universitaet Dresden
Priority to DE102009005089A priority Critical patent/DE102009005089A1/en
Priority to PCT/EP2009/067969 priority patent/WO2010081627A1/en
Publication of DE102009005089A1 publication Critical patent/DE102009005089A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4811—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode having auxiliary actively switched resonant commutation circuits connected to intermediate DC voltage or between two push-pull branches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4826—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode operating from a resonant DC source, i.e. the DC input voltage varies periodically, e.g. resonant DC-link inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

haltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (T1, T3, T5; T2, T4, T6) aufweisenden Phasenmodul (100), wobei jedes Stromrichterventil (T1 ... T6) wenigstens ein zweipoliges Subsystem (11, 12, 14) aufweist, wobei jedes Subsystem (11, 12, 14) zwei elektrisch in Reihe gesch einer Freilaufdiode (2, 4, D1, D2) und einen unipolaren Speicherkondensator (9, 10, 18) aufweist, der elektrisch parallel zur Reihenschaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S, S) geschaltet ist, wobei ein Verbindungspunkt (16) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S, S) eine Anschlussklemme (X2, X1) eines jeden Subsystems (11, 12, 14) bildet. Erfindungsgemäß ist jedem abschaltbaren Halbleiterschalter (S, S) ein Kondensator (C, C) elektrisch parallel geschaltet, ist ein zweiter unipolarer Speicherkondensator (20) elektrisch in Reihe zum ersten unipolaren Speicherkondensator (18) geschaltet und ist mittels eines Hilfszweiges (24), bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters (26) und einer Drossel (28), der Verbindungspunkt (16) der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (S, S) mit einem Verbindungspunkt (22) der beiden unipolaren Speicherkondensatoren (18) verbindbar. Somit erhält man einen Stromrichter mit verteilten Energiespeichern, dessen ...comprising at least one phase module (100) having an upper and a lower converter valve (T1, T3, T5; T2, T4, T6), each converter valve (T1 ... T6) having at least one bipolar subsystem (11, 12, 14) each subsystem (11, 12, 14) has two electrically in series gesch a freewheeling diode (2, 4, D1, D2) and a unipolar storage capacitor (9, 10, 18), which is electrically parallel to the series connection of the two turn-off semiconductor switch (1, 3, S, S) is connected, wherein a connection point (16) of the two electrically connected in series turn-off semiconductor switch (1, 3, S, S) a terminal (X2, X1) of each subsystem (11, 12, 14). According to the invention, a capacitor (C, C) is electrically connected in parallel to each semiconductor switch (S, S) which can be switched off, a second unipolar storage capacitor (20) is electrically connected in series with the first unipolar storage capacitor (18) and is provided by means of an auxiliary branch (24) from a series connection of a bidirectional switch (26) and a throttle (28), the connection point (16) of the two turn-off semiconductor switch (S, S) with a connection point (22) of the two unipolar storage capacitors (18) connectable. Thus, you get a power converter with distributed energy storage, whose ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a converter circuit according to the preamble of claim 1.

Eine derartige gattungsgemäße Stromrichterschaltung ist aus der DE 101 03 031 A1 bekannt und ein Ersatzschaltbild einer derartigen Stromrichterschaltung ist in der 1 näher dargestellt. Gemäß diesem Ersatzschaltbild weist diese bekannte Stromrichterschaltung drei Phasenmodule auf, die jeweils mit 100 bezeichnet sind. Diese Phasenmodule 100 sind gleichspannungsseitig jeweils mit einer positiven und einer negativen Gleichspannungs-Sammelschiene P0 und N0 elektrisch leitend verbunden. Zwischen diesen beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P0 und N0 steht eine nicht näher bezeichnete Gleichspannung an. Jedes Phasenmodul 100 weist ein oberes und ein unteres Stromrichterventil T1 bzw. T3 bzw. T5 und T2 bzw. T4 bzw. T6 auf. Jedes dieser Stromrichterventile T1 bis T6 weist eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen 11 auf. In diesem Ersatzschaltbild sind vier dieser Subsysteme 11 dargestellt. An Stelle der zweipoligen Subsysteme 11 (2) können auch zweipolige Subsysteme 12 (3) elektrisch in Reihe geschaltet werden. Jeder Verknüpfungspunkt zweier Stromrichterventile T1 und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6 eines Phasenmoduls 100 bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss L1 bzw. L2 bzw. L3 dieses Phasenmoduls 100. Da in dieser Darstellung die Stromrichterschaltung drei Phasenmodule 100 aufweist, kann an deren wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2 und L3, auch als Lastanschlüsse bezeichnet, eine dreiphasige Last, beispielsweise ein Drehstrommotor, angeschlossen werden.Such a generic power converter circuit is known from DE 101 03 031 A1 known and an equivalent circuit diagram of such a converter circuit is in the 1 shown in more detail. According to this equivalent circuit, this known power converter circuit on three phase modules, each with 100 are designated. These phase modules 100 DC voltage side are respectively electrically connected to a positive and a negative DC busbar P 0 and N 0 . Between these two DC busbars P 0 and N 0 is an unspecified DC voltage is applied. Each phase module 100 has an upper and a lower converter valve T1 and T3 or T5 and T2 or T4 or T6. Each of these power converter valves T1 to T6 has a number of two-pole subsystems connected electrically in series 11 on. In this equivalent circuit are four of these subsystems 11 shown. Instead of the bipolar subsystems 11 ( 2 ) can also be bipolar subsystems 12 ( 3 ) are electrically connected in series. Each connection point of two power converter valves T1 and T2 or T3 and T4 or T5 and T6 of a phase module 100 forms an AC-side terminal L1 or L2 or L3 of this phase module 100 , Since in this illustration, the power converter circuit three phase modules 100 has, at their AC-side terminals L1, L2 and L3, also referred to as load terminals, a three-phase load, such as a three-phase motor, are connected.

In der 2 ist ein Ersatzschaltbild einer aus der DE 101 03 031 A1 bekannten Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems 11 näher dargestellt. Die Schaltungsanordnung nach 3 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar, die ebenfalls aus der DE 101 03 031 A1 bekannt ist. Diese bekannten zweipoligen Subsysteme 11 und 12 weisen jeweils zwei abschaltbare Halbleiterschalter 1, 3, und 5, 7 zwei Dioden 2, 4 und 6, 8 und einen unipolaren Speicherkondensator 9 und 10 auf. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 bzw. 5 und 7 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltungen elektrisch parallel zu einem Speicherkondensator 9 bzw. 10 geschaltet sind. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 bzw. 5 und 7 ist eine der beiden Dioden 2, 4 und 6, 8 derart elektrisch parallel geschaltet, dass diese zum korrespondierenden abschaltbaren Halbleiterschalter 1, 3, 5, oder 7 antiparallel geschaltet ist. Der unipolare Speicherkondensator 9 des Subsystems 11 bzw. 12 besteht entweder aus einem Kondensator oder einer Kondensatorbatterie aus mehreren solchen Kondensatoren mit einer resultierenden Kapazität C0. Der Verbindungspunkt von Emitter des abschaltbaren Halbleiterschalters 1 bzw. 5 und Anode der Diode 2 bzw. 6 bildet eine Anschlussklemme X1 des Subsystems 11 bzw. 12. Der Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 und der beiden Dioden 2 und 4 bilden eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 11. Der Verbindungspunkt von Kollektor-Anschluss des abschaltbaren Halbleierschalters 5 und Kathode der Diode 6 bildet eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 12.In the 2 is an equivalent circuit diagram of the DE 101 03 031 A1 known embodiment of a bipolar subsystem 11 shown in more detail. The circuit arrangement 3 represents a functionally completely equivalent variant, which likewise from the DE 101 03 031 A1 is known. These known bipolar subsystems 11 and 12 each have two turn-off semiconductor switches 1 . 3 , and 5 . 7 two diodes 2 . 4 and 6 . 8th and a unipolar storage capacitor 9 and 10 on. The two turn-off semiconductor switches 1 and 3 respectively. 5 and 7 are electrically connected in series, these series circuits being electrically parallel to a storage capacitor 9 respectively. 10 are switched. Each turn-off semiconductor switch 1 and 3 respectively. 5 and 7 is one of the two diodes 2 . 4 and 6 . 8th electrically connected in parallel, that this to the corresponding turn-off semiconductor switch 1 . 3 . 5 , or 7 is connected in anti-parallel. The unipolar storage capacitor 9 of the subsystem 11 respectively. 12 consists of either a capacitor or a capacitor bank of several such capacitors with a resulting capacitance C 0 . The connection point of the emitter of the turn-off semiconductor switch 1 respectively. 5 and anode of the diode 2 respectively. 6 forms a connection terminal X1 of the subsystem 11 respectively. 12 , The connection point of the two turn-off semiconductor switches 1 and 3 and the two diodes 2 and 4 form a second connection terminal X2 of the subsystem 11 , The connection point of the collector connection of the disconnectable half-circuit breaker 5 and cathode of the diode 6 forms a second connection terminal X2 of the subsystem 12 ,

In beiden Darstellungen der Ausführungsformen der beiden Subsysteme 11 und 12 werden als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 wie in den 2 und 3 dargestellt Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Außerdem können MOS-Feldeffekttransistoren, auch als MOS-FET bezeichnet, verwendet werden. Ebenfalls können als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 Gate-Turn-Off-Thyristoren, auch als GTO-Thyristoren bezeichnet, oder Integrated-Gate-Commutated Thyristoren (IGCT) verwendet werden.In both representations of the embodiments of the two subsystems 11 and 12 be as turn-off semiconductor switch 1 and 3 like in the 2 and 3 illustrated Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) used. In addition, MOS field effect transistors, also referred to as MOSFETs, can be used. Also can be used as a turn-off semiconductor switch 1 and 3 Gate turn-off thyristors, also referred to as GTO thyristors, or integrated gate commutated thyristors (IGCT) can be used.

Gemäß der DE 101 03 031 A1 können die Subsysteme 11 bzw. 12 eines jeden Phasenmoduls 100 der Stromrichterschaltung nach 1 in einem Schaltzustand I und II gesteuert werden. Im Schaltzustand I ist der abschaltbare Halbleiterschalter 1 bzw. 5 eingeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 bzw. 7 des Subsystems 11 bzw. 12 ausgeschaltet. Dadurch ist eine an den Anschlussklemmen X1 und X2 anstehende Klemmenspannung UX21 des Subsystems 11 bzw. 12 gleich Null. Im Schaltzustand II sind der abschaltbare Halbleiterschalter 1 bzw. 5 ausgeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 bzw. 7 des Subsystems 11 bzw. 12 eingeschaltet. In diesem Schaltzustand II ist die anstehende Klemmenspannung UX21 gleich der am Speicherkondensator 9 bzw. 10 anstehenden Kondensatorspannung UC.According to the DE 101 03 031 A1 can the subsystems 11 respectively. 12 of each phase module 100 the converter circuit after 1 be controlled in a switching state I and II. In switching state I is the turn-off semiconductor switch 1 respectively. 5 switched on and the turn-off semiconductor switch 3 respectively. 7 of the subsystem 11 respectively. 12 switched off. As a result, there is a terminal voltage U X21 of the subsystem present at the terminals X1 and X2 11 respectively. 12 equals zero. In switching state II are the turn-off semiconductor switch 1 respectively. 5 switched off and the turn-off semiconductor switch 3 respectively. 7 of the subsystem 11 respectively. 12 switched on. In this switching state II, the pending terminal voltage U X21 is equal to the storage capacitor 9 respectively. 10 pending capacitor voltage U C.

Gemäß dem Ersatzschaltbild der Stromrichterschaltung nach 1 weist diese pro Phasenmodul 100 acht zweipolige Subsysteme 11 bzw. 12, jeweils vier pro Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 auf, die mittels ihrer Anschlussklemmen X1 und X2 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsysteme 11 bzw. 12 hängt einerseits von einer zwischen den beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P0 und N0 anstehenden Gleichspannung und andererseits von den verwendeten abschaltbaren Halbleiterschaltern 1, 3, 5 und 7 ab. Außerdem spielt es eine Rolle, wie genau eine am wechselspannungsseitigen Anschluss L1, L2 bzw. L3 anstehende sinusförmige Wechselspannung einem Sinusverlauf folgen soll.According to the equivalent circuit diagram of the converter circuit according to 1 shows this per phase module 100 eight two-pole subsystems 11 respectively. 12 , four each per converter valves T1, T2 and T3, T4 and T5, T6, which are connected in series by means of their terminals X1 and X2. The number of bipolar subsystems connected in series 11 respectively. 12 depends, on the one hand, on a DC voltage present between the two DC busbars P 0 and N 0 and, on the other hand, on the switchable semiconductor switches used 1 . 3 . 5 and 7 from. It also plays a role in how exactly a sinusoidal alternating voltage applied to the AC-side terminal L1, L2 or L3 should follow a sinusoidal course.

Der Wirkungsgrad dieser bekannten Stromrichterschaltung (Stromrichtertopologie) ist durch die Reihenschaltung mehrerer Subsysteme pro Stromrichterventil eines jeden Phasenmoduls allerdings begrenzt. Bei Verwendung von abschaltbaren Halbleiterschaltern, beispielsweise IGBTs bzw. IGCTs mit hoher Nennspannung von beispielsweise 3,3 kV, 4,5 kV oder 6,5 kV in den Subsystemen treten erhebliche Schaltverluste bei moderaten Durchlassverlusten auf. Werden Niederspannungs-IGBTs für beispielsweise 1200 V oder 1700 V eingesetzt, sind die Schaltverluste geringer, aber die resultierenden Stromrichterdurchlassverluste erheblich, da pro Stromrichterventil eines Phasenmoduls wegen der Niederspannungs-IGBTs eine höhere Anzahl von Subsystem verwendet werden müssen. Die Subsysteme dieser bekannten Stromrichterschaltung gehören zu den hartschaltenden Zweipunkt-Stromrichtern.Of the Efficiency of this known converter circuit (converter topology) is due to the series connection of several subsystems per converter valve however, limited by each phase module. When using switchable semiconductor switches, such as IGBTs or IGCTs with high rated voltage of, for example, 3.3 kV, 4.5 kV or 6.5 kV in the subsystems occur significant switching losses at moderate Pass losses on. Be low-voltage IGBTs for For example, 1200 V or 1700 V are used, the switching losses lower, but the resulting power converter passage losses considerably, because per converter valve of a phase module because of the low-voltage IGBTs a higher number of subsystem must be used. The subsystems of this known power converter circuit include to the hard-switching two-point converters.

Aus der Veröffentlichung ”The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter” von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235 , ist eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der Stromrichterschaltungen verlustärmer werden, Dazu wird ein Hilfszweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters und einer Drossel, verwendet, mit dem ein wechselspannungsseitiger Anschluss eines Phasenmoduls beispielsweise eines netzseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, mit einem Verbindungspunkt zweier elektrischen Reihe geschalteter Zwischenkreiskondensator verbindbar ist. Außerdem sind den abschaltbaren Halbleiterschaltern eines jeden Phasenmoduls des netzseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters jeweils ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Diese Kondensatoren, die auch als Entlastungskondensatoren bezeichnet werden, und der zusätzliche Hilfszweig bilden eine Kommutierungseinrichtung. Mittels dieser zusätzlichen Kommutierungseinrichtung, die auch als ARCP-Prinzip in der Literatur eingegangen ist, arbeiten die abschaltbaren Halbleiterschalter eines jeden Phasenmoduls des netzseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters als Nullspannungsschalter und der bidirektionale Schalter des zusätzlichen Hilfszweiges als Nullstromschalter. Durch die Verwendung dieser Kommutierungseinrichtung werden harte Schaltvorgänge vollständig vermieden.From the publication "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter" by RW De Doncker and JP Lyons, 1990, pages 1228 to 1235 For this purpose, an auxiliary branch, consisting of a series connection of a bidirectional switch and a choke, is used, with which an AC side terminal of a phase module, for example, a network-side converter of a voltage source inverter, with a connection point of two electrical series switched intermediate circuit capacitor is connectable. In addition, the turn-off semiconductor switches of each phase module of the network-side converter of the voltage source inverter each have a capacitor connected in parallel electrically. These capacitors, which are also referred to as discharge capacitors, and the additional auxiliary branch form a commutation device. By means of this additional commutation device, which has also been described in the literature as the ARCP principle, the turn-off semiconductor switches of each phase module of the line-side converter of the voltage source converter operate as a zero-voltage switch and the bidirectional switch of the additional auxiliary branch as a zero-current switch. By using this commutation hard switching operations are completely avoided.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein zweipoliges Subsystem für eine Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern anzugeben, mit dem die Stromrichterverluste deutlich reduziert und sein Wirkungsgrad deutlich erhöht werden.Of the The invention is based on the object, a bipolar subsystem for a power converter circuit with distributed energy storage specify, with the converter losses significantly reduced and its efficiency can be significantly increased.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.These The object is achieved with the characterizing features of claim 1 according to the invention.

Kern der Erfindung ist die Anwendung des bekannten sogenannten ARCP-Prinzips auf eine gattungsgemäße Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern. Dadurch ändern sich Schaltungsstruktur und Betriebsweise, d. h., die Kommutierung eines jeden Subsystems der Phasenmodule einer mehrphasigen Stromrichterschaltung. Durch die erfindungsgemäße Abänderung eines bekannten Subsystems erhält man ein sogenanntes ARCP-Subsystem. Im Vergleich zu einem gattungsgemäßen hart schaltenden Stromrichter mit verteilten Energiespeichern können die Schaltverluste eines erfindungsgemäßen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern beispielsweise um mehr als 50% reduziert werden. Werden dann noch abschaltbare Halbleiterschalter verwendet, die für weiches Schalten optimiert sind, ist eine weitere Reduktion von Schaltverlusten möglich. Außerdem werden durch die Verwendung erfindungsgemäßer Subsysteme in einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern auftretende Spannungsänderungsgeschwindigkeiten deutlich im Vergleich zu hartschaltenden Stromrichter mit verteilten Energiespeichern reduziert.core The invention is the application of the known so-called ARCP principle to a generic converter circuit with distributed energy storage. This will change the circuit structure and operation, d. h., the commutation of each subsystem the phase modules of a multi-phase converter circuit. By the modification of the invention known subsystem to obtain a so-called ARCP subsystem. Compared to a generic hard-switching Power converters with distributed energy storage can use the Switching losses of a power converter according to the invention with distributed energy storage, for example, reduced by more than 50% become. Are then turn-off semiconductor switches used, which are optimized for smooth shifting is another Reduction of switching losses possible. Furthermore become due to the use of the invention Subsystems in a power converter circuit with distributed energy storage occurring voltage change speeds significantly in Compared to hard-switching power converters with distributed energy storage reduced.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are the dependent claims refer to.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern schematisch veranschaulicht ist.to Further explanation of the invention is based on the drawing Reference is made in one embodiment of a bipolar Subsystem of a power converter circuit with distributed energy storage is illustrated schematically.

1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer bekannten Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern, in den 1 shows an equivalent circuit diagram of a known power converter circuit with distributed energy storage, in the

2 und 3 sind jeweils ein Ersatzschaltbild einer ersten und zweiten Ausführungsform eines bekannten zweipoligen Subsystems näher dargestellt, die 2 and 3 each an equivalent circuit diagram of a first and second embodiment of a known bipolar subsystem are shown in more detail, the

4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines zweipoligen Subsystems einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern nach der Erfindung, in den 4 shows an equivalent circuit diagram of a bipolar subsystem of a power converter circuit with distributed energy storage devices according to the invention, in the

5 bis 7 sind jeweils eine Ausführungsform eines bidirektionalen Schalters eines erfindungsgemäßen zweipoligen Subsystems dargestellt, in den 5 to 7 In each case, an embodiment of a bidirectional switch of a two-pole subsystem according to the invention are shown in the

8 und 9 sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t Strom- und Spannungsverläufe während einer Kommutierung eines positiven Stromes von einer Freilaufdiode auf einen abschaltbaren Halbleiterschalter eines zweipoligen Subsystems nach 4 veranschaulicht und in den 8th and 9 are each in a diagram over the time t current and voltage curves during a commutation of a positive current from a freewheeling diode to a turn-off semiconductor switch a bipolar subsystem after 4 illustrated and in the

10 und 11 sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t Strom- und Spannungsverläufe während einer Kommutierung eines negativen Stromes von einer Freilaufdiode auf einen abschaltbaren Halbleiterschalter eines zweipoligen Subsystems nach 4 dargestellt. 10 and 11 are each in a di agramm over time t current and voltage curves during commutation of a negative current from a freewheeling diode to a turn-off semiconductor switch a bipolar subsystem after 4 shown.

Das Ersatzschaltbild eines zweipoligen Subsystems 14 einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern ist in der 4 näher dargestellt. Dieses zweipolige Subsystem 14 entspricht in der Grundstruktur der Zellenkonfiguration des zweipoligen Subsystems 11 nach 2. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 ist eine Diode D1 und D2 elektrisch antiparallel geschaltet. Diese Dioden D1 und D2 fungieren jeweils als Freilaufdioden. Ein Verbindungspunkt 16 dieser beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 bilden eine Anschlussklemme X2 des zweipoligen Subsystems 14. Elektrisch parallel zur Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter S1 und S2 ist eine Reihenschaltung zweier unipolarer Speicherkondensatoren 18 und 20 geschaltet. Der Verbindungspunkt dieser beiden unipolaren Speicherkondensatoren 18 und 20 ist mit 22 bezeichnet. Dieser Verbindungspunkt bildet einen Mittelpunkt der beiden unipolaren Speicherkondensatoren 18 und 20 eines zweipoligen Subsystems 14. Zwischen den Verbindungspunkten 16 und 22 ist ein Hilfszweig 24 geschaltet. Dieser Hilfszweig 24 weist eine Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters 26 und einer Drossel 28 auf. Diese Drossel 28 wird auch als Kommutierungsdrossel bezeichnet. Au ßerdem ist jedem abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 ein Kondensator C1 und C2 elektrisch parallel geschaltet. Diese Kondensatoren C1 und C2 werden auch als Entlastungskondensatoren bezeichnet. Der Verbindungspunkt vom Kondensator 20 und abschaltbaren Halbleiterschalter S2 ist mit 30 bezeichnet und bildet eine zweite Anschlussklemme X1 des zweipoligen Subsystems 14 der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern. Diese Ausführungsform des zweipoligen Subsystems 14 stellt ein ARCP-Subsystem dar. Dieses ARCP-Subsystem kann auch in der Zellenkonfiguration des zweipoligen Subsystems 12 nach 3 in analoger Weise verwendet werden. Ausführungen des bidirektionalen Schalters 26 sind in den 5 bis 7 schematisch dargestellt.The equivalent circuit of a two-pole subsystem 14 a power converter circuit according to the invention with distributed energy storage is in the 4 shown in more detail. This bipolar subsystem 14 corresponds in basic structure to the cell configuration of the bipolar subsystem 11 to 2 , Each turn-off semiconductor switch S 1 and S 2 , a diode D1 and D2 is electrically connected in anti-parallel. These diodes D1 and D2 each act as freewheeling diodes. A connection point 16 These two switchable semiconductor switches S 1 and S 2, which are electrically connected in series, form a connection terminal X 2 of the two-pole subsystem 14 , Electrically parallel to the series connection of two turn-off semiconductor switches S 1 and S 2 is a series connection of two unipolar storage capacitors 18 and 20 connected. The connection point of these two unipolar storage capacitors 18 and 20 is with 22 designated. This connection point forms a center of the two unipolar storage capacitors 18 and 20 a bipolar subsystem 14 , Between the connection points 16 and 22 is an auxiliary branch 24 connected. This help branch 24 has a series connection of a bidirectional switch 26 and a throttle 28 on. This throttle 28 is also referred to as a commutation reactor. In addition, each turn-off semiconductor switch S 1 and S 2, a capacitor C 1 and C 2 are electrically connected in parallel. These capacitors C 1 and C 2 are also referred to as discharge capacitors. The connection point of the condenser 20 and turn-off semiconductor switch S 2 is with 30 denotes and forms a second terminal X1 of the bipolar subsystem 14 the power converter circuit according to the invention with distributed energy storage. This embodiment of the bipolar subsystem 14 represents an ARCP subsystem. This ARCP subsystem may also be used in the cell configuration of the bipolar subsystem 12 to 3 be used in an analogous manner. Versions of the bidirectional switch 26 are in the 5 to 7 shown schematically.

Die 5 zeigt zwei antiparallel geschaltete abschaltbare Thyristoren 32 und 34, die auch als GTO-Thyristoren bezeichnet werden. Anstelle von abschaltbaren Thyristoren 32 und 34 können auch IGCTs und sperr- und blockierfähige IGBTs verwendet werden. Ferner können als Leistungshalbleiter auch symmetrische Thyristoren verwendet werden.The 5 shows two antiparallel switched turn-off thyristors 32 and 34 , which are also referred to as GTO thyristors. Instead of turn-off thyristors 32 and 34 It is also possible to use IGCTs and blocking and blocking IGBTs. Furthermore, symmetrical thyristors can also be used as power semiconductors.

Zwei weitere Ausführungsformen des bidirektionalen Schalters 26 des Hilfszweiges 24 des zweipoligen Subsystems 14 nach 4 sind in den 6 und 7 näher dargestellt. Bei beiden Ausführungsformen sind zwei abschaltbare Halbleiterschalter 36 und 38 elektrisch antiseriell geschaltet. Als abschaltbarer Halbleiterschalter 36 und 38 werden Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IBGT) verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode 40 und 42 aufweisen. Statt IGBTs können auch vorteilhaft Leistungs-MOSFETs verwendet werden. Bei MOSFETs können die Inversdioden im MOSFET-Schalter integriert sein. Bei hinreichender Geschwindigkeit dieser integrierten Dioden und Robustheit der MOSFET-Schalter müssen keine weiteren diskreten Inversdioden vorgesehen werden.Two further embodiments of the bidirectional switch 26 of the auxiliary branch 24 of the bipolar subsystem 14 to 4 are in the 6 and 7 shown in more detail. In both embodiments, two turn-off semiconductor switches 36 and 38 switched electrically antiserial. As a turn-off semiconductor switch 36 and 38 Insulated gate bipolar transistors (IBGT) are used, each one a reverse diode 40 and 42 exhibit. Instead of IGBTs, it is also advantageous to use power MOSFETs. In MOSFETs, the inverse diodes can be integrated in the MOSFET switch. With sufficient speed of these integrated diodes and ruggedness of the MOSFET switches, no further discrete inverse diodes need to be provided.

Neben diesen dargestellten Ausführungsformen des bidirektionalen Schalters 26 kann dieser als Diodenbrücke mit einem ab schaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einem IGBT, ausgeführt sein. Eine derartige Ausführungsform ist aus der Veröffentlichung ”A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection” von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000 , bekannt. Bei dieser Ausführungsform des bidirektionalen Schalters 26 wird die Sperrfähigkeit und die resultierende bidirektionale Stromtragfähigkeit des bidirektionalen Schalters 26 durch die Dioden der Diodenbrücke realisiert.In addition to these illustrated embodiments of the bidirectional switch 26 this can be designed as a diode bridge with a switchable semiconductor switch, in particular an IGBT. Such an embodiment is from the publication "A Matrix converter without diode clamped overvoltage protection" by Jochen Mahlein and Michael Braun, reprinted in IEEE Trans. On Ind. Electr. from the year 2000 , known. In this embodiment of the bidirectional switch 26 becomes the blocking capability and the resulting bidirectional current carrying capacity of the bidirectional switch 26 implemented by the diodes of the diode bridge.

In der Ausführungsform gemäß 6 sind diese beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 derart antiseriell geschaltet, dass deren Kollektor-Anschlüsse C1, C2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Deshalb wird diese antiserielle Schaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 auch als Common Kollektor Mode bezeichnet.In the embodiment according to 6 These are two turn-off semiconductor switches 36 and 38 switched so antiserial that their collector terminals C1, C2 are electrically connected to each other. Therefore, this antiserial circuit of the two turn-off semiconductor switches 36 and 38 also referred to as common collector mode.

In der 7 sind die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 derart antiseriell geschaltet, dass deren Emitter-Anschlüsse E1, E2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Gemäß der Verknüpfung der Emitter-Anschlüsse E1 und E2 wird diese Verschaltung als Common Emitter Mode bezeichnet.In the 7 are the two turn-off semiconductor switches 36 and 38 switched so antiserial that their emitter terminals E1, E2 are electrically connected to each other. According to the combination of the emitter terminals E1 and E2, this interconnection is referred to as common emitter mode.

An den zugänglichen Anschlüssen des bidirektionalen Schalters 26 ist die interne Topologie dieses Schalters 26 erkennbar. Beim bidirektionalen Schalter 26 in der Topologie ”Common Kollektor Mode” gemäß 6 sind am bidirektionalen Schalter 26 die Anschlüsse E1, E2, G1 und G2 zugänglich. Im Gegensatz dazu sind beim bidirektionalen Schalter 26 in der Topologie ”Common Emitter Mode” gemäß 7 die Anschlüsse C1, C2, G1 und G2 zugänglich.At the accessible ports of the bidirectional switch 26 is the internal topology of this switch 26 recognizable. With the bidirectional switch 26 in the topology "Common Collector Mode" according to 6 are at bidirectional switch 26 the terminals E1, E2, G1 and G2 accessible. In contrast, the bidirectional switch 26 in the topology "Common Emitter Mode" according to 7 the terminals C1, C2, G1 and G2 accessible.

Nachfolgend wird anhand der Signalverläufe gemäß der Diagramme der 8 und 9 die Kommutierung eines positiven Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter 52 des zweipoligen Subsystems 14 gemäß 4 näher beschrieben:
Dieser Kommutierungsvorgang wird durch Schließen des bidirektionalen Schalters 26 zum Zeitpunkt t0 eingeleitet. Wegen der Drossel 28 des Hilfszweiges 24 schaltet dieser bidirektionale Schalter 26 entlastet mit sehr geringen Verlusten ein. Mit dem Schließen des bidirektionalen Schalters 26 und wegen der Drossel 28 im Hilfszweig 24 steigt der Strom iHZ im Hilfszweig 24 an. Bedingt durch diesen Stromanstieg des Stromes iHZ im Hilfszweig 24, sinkt der Betrag des Zweigstromes iZ1. Zum Zeitpunkt t1 wechselt dieser Zweigstrom iZ1 seine Polarität. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D1 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S1 des Subsystems 14. Zum Zeitpunkt t2 erreicht der Strom durch den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 den sogenannten Booststrom Iboost und schaltet entlastet aktiv aus, wodurch der Strom zum Zeitpunkt t3 auf die Freilaufdiode D2 kommutiert. Während dieser Kommutierung wechselt die Spannung über dem Hilfszweig 24 seine Polarität, so dass der Strom iHZ im Hilfszweig 24 sinkt. Zum Zeitpunkt t4 wechselt der Zweigstrom iZ2 seine Polarität. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D2 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des Subsystems 14. Zum Zeitpunkt t5 ist der Strom vollständig auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 kommutiert. Zu diesem Zeitpunkt t5 wird der bidirektionale Schalter 26 des Hilfszweiges 24 stromlos ausgeschaltet, wodurch dieser wieder eine Spannung (Sperrspannung) aufnimmt. Mit dem stromlosen Sperren des bidirektionalen Schalters 26 ist die Kommutierung beendet und der Zweigstrom i0 fließt über den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des zweipoligen Subsystems 14.The following is the waveforms according to the diagrams of the 8th and 9 the commutation of a positive branch current i 0 from the freewheeling diode D1 to the turn-off half lead terschalter 52 of the bipolar subsystem 14 according to 4 described in more detail:
This commutation process is accomplished by closing the bidirectional switch 26 initiated at time t0. Because of the throttle 28 of the auxiliary branch 24 Switches this bidirectional switch 26 Relieves with very low losses. With the closing of the bidirectional switch 26 and because of the throttle 28 in the auxiliary branch 24 the current i HZ in the auxiliary branch increases 24 at. Due to this current increase of the current i HZ in the auxiliary branch 24 , the amount of the branch current i Z1 decreases. At time t1, this branch current i Z1 changes its polarity. D. h., The current commutates from the freewheeling diode D1 on the associated turn-off semiconductor switch S 1 of the subsystem 14 , At the time t2, the current through the turn-off semiconductor switch S 1 reaches the so-called boost current I boost and actively switches off, thereby causing the current to commutate to the freewheeling diode D 2 at time t 3. During this commutation the voltage changes over the auxiliary branch 24 its polarity, so that the current i HZ in the auxiliary branch 24 sinks. At time t4, the branch current i Z2 changes its polarity. D. h., The current commutated by the freewheeling diode D2 on the associated turn-off semiconductor switch S 2 of the subsystem 14 , At time t5, the current is completely commutated to the turn-off semiconductor switch S 2 . At this time t5 becomes the bidirectional switch 26 of the auxiliary branch 24 de-energized, whereby this again receives a voltage (reverse voltage). With the currentless blocking of the bidirectional switch 26 the commutation is completed and the branch current i 0 flows through the turn-off semiconductor switch S 2 of the bipolar subsystem 14 ,

Ein weiterer Kommutierungsvorgang eines negativen Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D2 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 des zweipoligen Subsystems 14 gemäß 4 wird anhand der Diagramme der 10 und 11 näher erläutert:
Zum Zeitpunkt t0 leitet die Freilaufdiode 2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2 einen Zweigstrom i0 kleiner Null. Auch diese Kommutierung wird mit dem aktiven Einschalten des bidi rektionalen Schalters 26 des Hilfszweiges 24 eingeleitet. Dieser bidirektionale Schalter 26 schaltet entlastet durch die Drossel 28 mit sehr geringen Verlusten ein. Bedingt durch den Anstieg des Stromes iHZ im Hilfszweig 24 sinkt der Betrag des Zweigstromes iZ2 und wechselt sein Vorzeichen zum Zeitpunkt t1. D. h., dass der Strom von der Freilaufdiode D2 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S2 kommutiert ist. Nach Erreichen des sogenannten Booststromes Iboost schaltet der abschaltbare Halbleiterschalter S2 aktiv aus und der Strom kommutiert auf die Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters 3 des zweipoligen Subsystems 14. Während dieser Kommutierung wechselt die Spannung über dem Hilfszweig 24 die Polarität, so dass der Strom iHZ im Hilfszweig 24 sinkt. Dadurch sinkt der Betrag des Zweigstromes in ab und wechselt seine Polarität zum Zeitpunkt t4. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1. Zum Zeitpunkt t5 ist dieser Kommutierungsvorgang, der wegen des eingeschalteten Hilfszweiges 24 auch als ARCP-Kommutierung bezeichnet wird, beendet. Zu diesem Zeitpunkt t5 wird der bidirektionale Schalter 26 des Hilfszweiges 24 stromlos aktiv ausgeschaltet und der Zweigstrom i0 fließt über den abschaltbaren Halbleiterschalter S1.Another commutation of a negative branch current i 0 of the freewheeling diode D2 on the turn-off semiconductor switch S 1 of the bipolar subsystem 14 according to 4 is based on the diagrams of 10 and 11 explained in more detail:
At time t0, the freewheeling diode conducts 2 of the turn-off semiconductor switch S 2 a branch current i 0 less than zero. This commutation also comes with the active switching on the bidi rektionalen switch 26 of the auxiliary branch 24 initiated. This bidirectional switch 26 switches off relieved by the throttle 28 with very low losses. Due to the increase of the current i HZ in the auxiliary branch 24 decreases the amount of the branch current i Z2 and changes its sign at time t1. This means that the current from the freewheeling diode D2 is commutated to the associated turn-off semiconductor switch S2. After reaching the so-called boost current I boost the turn-off semiconductor switch S 2 turns off active and the current commutes to the freewheeling diode D1 of the turn-off semiconductor switch 3 of the bipolar subsystem 14 , During this commutation the voltage changes over the auxiliary branch 24 the polarity, so that the current i HZ in the auxiliary branch 24 sinks. As a result, the amount of branch current decreases in and changes its polarity at time t4. D. h., The current commutates from the freewheeling diode D1 on the turn-off semiconductor switch S 1st At time t5 is this commutation, because of the switched auxiliary branch 24 also called ARCP commutation terminated. At this time t5 becomes the bidirectional switch 26 of the auxiliary branch 24 normally active off and the branch current i 0 flows through the semiconductor switches S1.

Diese ARCP-Kommutierung des negativen Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D2 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 verläuft analog zur ARCP-Kommutierung des positiven Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters S1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des zweipoligen Subsystems 14.This ARCP commutation of the negative branch current i 0 from the freewheeling diode D2 to the turn-off semiconductor switch S 1 is analogous to the ARCP commutation of the positive branch current i 0 of the freewheeling diode D1 of the turn-off semiconductor switch S 1 on the turn-off semiconductor switch S 2 of the two-pole subsystem 14 ,

Neben diesen beiden ARCP-Kommutierungen existieren noch zwei sogenannte kapazitive Kommutierungen. Bei der einen kapazitiven Kommutierung kommutiert ein positiver Zweigstrom i0 vom abschaltbaren Halbleiterschalter S2 auf die Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters S1. Diese Kommutierung wird durch das aktive Aufschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters S2 eingeleitet und endet mit dem passiven Einschalten der Freilaufdiode D1.In addition to these two ARCP commutations there are two so-called capacitive commutations. In the case of capacitive commutation, a positive branch current i 0 commutes from the semiconductor switch S 2 which can be switched off to the freewheeling diode D1 of the semiconductor switch S 1 which can be switched off . This commutation is initiated by the active connection of the turn-off semiconductor switch S 2 and ends with the passive turn-on of the freewheeling diode D1.

Bei der zweiten kapazitiven Kommutierung kommutiert ein negativer Gleichstrom i0 vom abschaltbaren Halbleiterschalter S1 auf die Freilaufdiode D2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2. Diese zweite kapazitive Kommutierung wird durch das aktive Ausschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters S1 eingeleitet und endet mit dem positiven Einschalten der Freilaufdiode D2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2.In the second capacitive commutation commutes a negative direct current i 0 from the turn-off semiconductor switch S 1 on the freewheeling diode D2 of the turn-off semiconductor switch S2. This second capacitive commutation is initiated by the active switching off of the turn-off semiconductor switch S 1 and ends with the positive turn-on of the freewheeling diode D2 of the turn-off semiconductor switch S 2 .

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der zweipoligen Subsysteme 14 einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern werden gegenüber einer hart schaltenden Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern die Stromrichterverluste deutlich reduziert und der Stromrichterwirkungsgrad deutlich erhöht. Im Vergleich zu konventionellen hart schaltenden Stromrichtern mit verteilten Energiespeichern können die Schaltverluste wenigstens halbiert werden.Due to the inventive design of the bipolar subsystems 14 a converter circuit with distributed energy storage devices, the power converter losses are significantly reduced and the converter efficiency significantly increased compared to a hard-switching power converter circuit with distributed energy storage. Compared to conventional hard-switching power converters with distributed energy storage, the switching losses can be at least halved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10103031 A1 [0002, 0003, 0003, 0005] - DE 10103031 A1 [0002, 0003, 0003, 0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - ”The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter” von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235 [0008] - "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter" by RW De Doncker and JP Lyons, 1990, pages 1228 to 1235 [0008]
  • - ”A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection” von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000 [0023] - "A Matrix converter without diode clamped overvoltage protection" by Jochen Mahlein and Michael Braun, reprinted in IEEE Trans. On Ind. Electr. from the year 2000 [0023]

Claims (10)

Stromrichterschaltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (T1, T3, T5; T2, T4, T6) aufweisenden Phasenmodul (100), wobei jedes Stromrichterventil (T1 ... T6) wenigstens ein zweipoliges Subsystem (11, 12, 14) aufweist, wobei jedes Subsystem (11, 12, 14) zwei elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) jeweils mit einer Freilaufdiode (2, 4, D1, D2) und einem unipolaren Speicherkondensator (9, 10, 18, 20) aufweist, der elektrisch parallel zur Reihenschaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) geschaltet ist, wobei ein Verbindungspunkt (16) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) eine Anschlussklemme (X2, X1) eines jeden Subsystems (11, 12, 14) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass jedem abschaltbaren Halbleiterschalter (S1, S2) ein Kondensator (C1, C2) elektrisch parallel geschaltet ist, dass ein zweiter unipolarer Speicherkondensator (20) elektrisch in Reihe zum ersten unipolaren Speicherkondensator (18) geschaltet ist und dass mittels eines Hilfszweiges (24), bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters (26) und einer Drossel (28), der Verbindungspunkt (16) der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (S1, S2) mit einem Verbindungspunkt (22) der beiden unipolaren Speicherkondensatoren (18, 20) verbindbar ist.Converter circuit comprising at least one phase module having an upper and a lower converter valve (T1, T3, T5, T2, T4, T6) ( 100 ), wherein each converter valve (T1 ... T6) at least one bipolar subsystem ( 11 . 12 . 14 ), each subsystem ( 11 . 12 . 14 ) two electrically connected in series semiconductor switch ( 1 . 3 , S 1 , S 2 ) each with a freewheeling diode ( 2 . 4 , D1, D2) and a unipolar storage capacitor ( 9 . 10 . 18 . 20 ), which is electrically parallel to the series connection of the two turn-off semiconductor switch ( 1 . 3 , S 1 , S 2 ), wherein a connection point ( 16 ) of the two turn-off semiconductor switches ( 1 . 3 , S 1 , S 2 ) a connection terminal (X2, X1) of each subsystem ( 11 . 12 . 14 ), characterized in that each turn-off semiconductor switch (S 1 , S 2 ), a capacitor (C 1 , C 2 ) is electrically connected in parallel, that a second unipolar storage capacitor ( 20 ) electrically in series with the first unipolar storage capacitor ( 18 ) and that by means of an auxiliary branch ( 24 ), consisting of a series connection of a bidirectional switch ( 26 ) and a throttle ( 28 ), the connection point ( 16 ) of the two turn-off semiconductor switches (S 1 , S 2 ) with a connection point ( 22 ) of the two unipolar storage capacitors ( 18 . 20 ) is connectable. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiparallel geschaltete abschaltbare Thyristoren (32, 34) aufweist.Converter circuit according to claim 1, characterized in that the bidirectional switch ( 26 ) two antiparallel switched turn-off thyristors ( 32 . 34 ) having. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiparallel geschaltete Thyristoren aufweist.Converter circuit according to claim 1, characterized in that the bidirectional switch ( 26 ) has two anti-parallel connected thyristors. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiseriell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) aufweist, denen jeweils eine Diode (40, 42) antiparallel geschaltet sind.Converter circuit according to claim 1, characterized in that the bidirectional switch ( 26 ) two antiseries switched off semiconductor switch ( 36 . 38 ), each having a diode ( 40 . 42 ) are connected in anti-parallel. Stromrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (36, 38) derart antiseriell geschaltet sind, dass deren Kollektor-Anschlüsse (C1, C2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.Converter circuit according to claim 4, characterized in that the two turn-off semiconductor switches ( 36 . 38 ) are connected antiserially such that their collector terminals (C1, C2) are electrically conductively connected to each other. Stromrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (36, 38) derart antiseriell geschaltet sind, dass deren Emitter-Anschlüsse (E1, E2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.Converter circuit according to claim 4, characterized in that the two turn-off semiconductor switches ( 36 . 38 ) are connected antiserially such that their emitter terminals (E1, E2) are electrically conductively connected to each other. Stromrichterschaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor ist.Converter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that each turn-off semiconductor switch ( 36 . 38 ) is an insulated gate bipolar transistor. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein MOS-Feldeffekt-Transistor ist.Converter circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that each turn-off semiconductor switch ( 36 . 38 ) is a MOS field effect transistor. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Gate-Turn-Off-Thyristor ist.Converter circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that each turn-off semiconductor switch ( 36 . 38 ) is a gate turn-off thyristor. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Integrated-Gate-Commutated-Thyristor ist.Converter circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the turn-off semiconductor switch ( 36 . 38 ) is an integrated gate commutated thyristor.
DE102009005089A 2009-01-19 2009-01-19 Converter circuit with distributed energy storage Ceased DE102009005089A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009005089A DE102009005089A1 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Converter circuit with distributed energy storage
PCT/EP2009/067969 WO2010081627A1 (en) 2009-01-19 2009-12-28 Converter circuit with distributed energy stores in resonant subsystems

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009005089A DE102009005089A1 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Converter circuit with distributed energy storage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009005089A1 true DE102009005089A1 (en) 2010-07-22

Family

ID=42104548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009005089A Ceased DE102009005089A1 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Converter circuit with distributed energy storage

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009005089A1 (en)
WO (1) WO2010081627A1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (en) 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5568368A (en) * 1993-05-03 1996-10-22 General Electric Company Square-wave converters with soft voltage transitions for ac power distribution systems
DE102005045091B4 (en) * 2005-09-21 2007-08-30 Siemens Ag Control method for redundancy use in case of failure of a multiphase power converter with distributed energy storage

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (en) 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection" von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000
"The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter" von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235
J. Mahlein, M. Braun:" A Matrix Converter without Diode clamped Over-voltage Protection", Power Electronics and Motion Control Conf, Proc. IPEMC 2000, vol. 2, pp. 817-822, Aug. 2000 *
K. Fujii: "Characterization and Optimization of Soft-Switched Multi-Level Converters for STATCOMs", Dissertation an der RWTH Aachen University, ISBN 978-3-8322-6981-4, Aachener Beiträge des ISEA, Band 47, Febr. 2008 *
P. Köllensperger et al.: "Design of a Flexible Control Platform for Soft-Switching Multilevel Inverters", IEEE Trans. Power Electron. vol 22, no. 5, pp. 1778-1785, Sep. 2007 *
R.W. De Doncker, J.P. Lyons: "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter", Industry App. Soc. Ann. Meeting 1990, Conf. Rec. of the IEEE 1990, vol. 2, pp. 1228-1235 *
R.W. De Doncker, J.P. Lyons: "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter", Industry App. Soc. Ann. Meeting 1990, Conf. Rec. of the IEEE 1990, vol. 2, pp. 1228-1235 P. Köllensperger et al.: "Design of a Flexible Control Platform for Soft-Switching Multilevel Inverters", IEEE Trans. Power Electron. vol 22, no. 5, pp. 1778-1785, Sep. 2007 K. Fujii: "Characterization and Optimization of Soft-Switched Multi-Level Converters for STATCOMs", Dissertation an der RWTH Aachen University, ISBN 978-3-8322-6981-4, Aachener Beiträge des ISEA, Band 47, Febr. 2008 J. Mahlein, M. Braun:" A Matrix Converter without Diode clamped Over-voltage Protection", Power Electronics and Motion Control Conf, Proc. IPEMC 2000, vol. 2, pp. 817-822, Aug. 2000

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010081627A1 (en) 2010-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010008426B4 (en) 3-stage pulse inverter with discharge network
EP2898595B1 (en) Modulat multilevel dc/dc converter for hvdc applications
DE102018106357A1 (en) POWER CONVERSION DEVICE
WO2007023061A2 (en) Pulse resistor (brake resistor) for a frequency converter in the higher voltage and capacity range
DE112010003664T5 (en) Power conversion device
DE102015112513A1 (en) Matryoshka inverter
DE102008007658A1 (en) Static converter
DE102011006345A1 (en) Modular multi-converter with reverse conducting power semiconductor switches
EP1760870A2 (en) High voltage rectifier
DE10124197A1 (en) Converter with a line and load side self-commutated pulse converter
DE3244623A1 (en) Circuitry for electronic branch pairs in a reverse-parallel circuit
DE102018210807A1 (en) Electrical circuit for zero voltage soft switching in a DC converter
DE10033092A1 (en) Rectifier IGBT circuit with several IGBTs in series comprises reverse feed diode for disposing of discharge energy of switching capacitor to storage capacitor on switch-on of IGBT
DE102018208264A1 (en) Configurable AC charging device
EP0751612A2 (en) Power converter circuit
DE102016222001A1 (en) ACTIVE THREE-LEVEL NPC MOVEMENT MODULE
DE102016211403B4 (en) HIGH-SET CIRCUITS AND INVERTER TOPOLOGIES WITH TANDEM DIODE CIRCUIT
DE102010038511A1 (en) Overvoltage protection circuit for at least one branch of a half-bridge, inverter, DC-DC converter and circuit arrangement for operating an electrical machine
DE202010012983U1 (en) Circuit branch of a three-stage converter and three-phase three-stage converter
DE19638620A1 (en) Self-adjusting static converter circuit arrangement
DE102015105889A1 (en) Switching module and converter with at least one switching module
DE102017219985A1 (en) Power converter component and semiconductor module of such a power converter component
DE112016006420T5 (en) SUBMODULE OF A CASCADED POWER SUPPLY
DE102009005089A1 (en) Converter circuit with distributed energy storage
DE102021204518A1 (en) Circuit arrangement for power semiconductors connected in parallel and electronic module

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection