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Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltung, die als Multilevel-Brückenschaltung einschließlich Treiberschaltung oder zumindest Teilen hiervon ausgebildet ist. Diese Multilevel-Brückenschaltung ist dazu eingerichtet mit Gleichstromanschlüssen als Eingänge mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden zu sein. Als Ausgang weist die Multilevel-Brückenschaltung einen Wechselspannungsanschluss auf. Derartige Leistungshalbleiterschaltungen finden Anwendung in der Leistungselektronik, insbesondere in den Bereichen erneuerbare Energien und unterbrechungsfreie Stromversorgungen ist ihr Einsatz besonders bevorzugt.
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Multilevel-Brückenschaltung sind grundsätzlich geeignet zum Schalten von Eingangsspannungen, die höher sind als die Sperrspannung eines einzelnen Leistungshalbleiterschalter.
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Ein weiterer Vorteil von Multilevel-Brückenschaltungen ist eine genauere Steuerung der Ausgangsspannung. Beispielhaft ergibt sich bei 3-Level-Schaltungen ein zusätzliches Spannungsniveau, mit einer Spannung von der Hälfte der Zwischenkreisspannung.
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Die Multilevel-Technik zeichnet sich somit insbesondere durch einen verringerten Klirrfaktor des Ausgangsstromes und der Ausgangsspannung und damit verbundenem reduzierten Filteraufwand aus. Bei Anwendungen, die eine Ausgangsspannungs- und / oder eine Ausgangsstromform ohne hohen Oberwellenanteil zur Verfügung stellen müssen, wie z. B. unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Solarwechselrichter, ist dies von großer Bedeutung.
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Den allgemein bekannten Stand der Technik bilden intelligente Leistungshalbleitermodule (IPMs = Intelligent power modules) mit 2-Level-Brückenschaltungen, die einen Kurzschluss, der durch gleichzeitiges Einschalten des oberen und des unteren Leistungshalbleiterschalters verursacht wird, verhindern.
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Bei Drei-, Fünf- oder weiteren Multilevel-Leistungshalbleiter-Modulen, wie sie beispielhaft aus der
WO 2005/109590 A1 bekannt sind, ist es grundsätzlich nicht möglich, alle oberen oder unteren Leistungshalbleiter-Schalter gleichzeitig gegeneinander zu verriegeln, da es im Betrieb ein notwendiger Zustand ist, dass regelmäßig die Hälfte aller Leistungshalbleiterschalter gleichzeitig eingeschaltet ist. Dies sind nicht immer ausschließlich die oberen oder unteren Leistungshalbleiterschalter. Es sind Betriebszustände notwendig, bei denen ein definierter Teil der oberen und unteren Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet sind.
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Andererseits sind Schaltzustände grundsätzlich möglich, die einen Kurzschluss mit einhergehender Zerstörung der Leistungshalbleiterschaltung bewirken.
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Aus der Druckschrift 41 15 387 C1 ist eine Einrichtung zur Verhinderung des gleichzeitigen Einschaltens der über ihre Steuerelektrode abschaltbaren Halbleiterventile in einem Zweigpaar einer Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Ventil eine Steuerbaugruppe zugeordnet ist, die für die Leitphase des Ventils eine Steuerspannung einer bestimmten Polarität und für die Sperrphase des Ventils eine Steuerspannung der entgegengesetzten Polarität an die Steuerelektrode des jeweiligen Ventils legt, und dass durch Vergleich von Höhe und Polarität dieser Steuerspannung des jeweils einen Ventils mit einem Sollwert definierter Polarität Rückschlüsse auf ein ordnungsgemäßes Sperren dieses Ventils gezogen werden, was einen HF-Generator veranlasst, Impulse über einen Impulstransformator an die Steuerbaugruppe des jeweils anderen Ventils abzugeben, wodurch in positiver Logik ein an dieser Steuerbaugruppe anliegendes Ansteuersignal freigegeben wird, bekannt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 021 412 B3 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem elektrisch isolierenden Substrat zur Anordnung mit einer Leiterplatte, die vom Substrat durch ein Gehäuse beabstandet ist, bekannt, wobei auf der der Leiterplatte zugewandten Innenseite des Substrates erste Leiterbahnen und an diesen Leistungshalbleiterbauelemente kontaktiert sind, die durch ein Steuer-IC-Bauelement ansteuerbar sind, auf der dem Substrat zugewandten Innenseite der Leiterplatte zwischen zwei Leiterbahnen vorgesehen sind, und im Gehäuse zwischen den ersten und den zweiten Leiterbahnen federnde Verbindungselemente durchkontaktiert sind, wobei der Innenseite des Substrates zusätzlich zu den ersten Leiterbahnen auch IC-Leiterbahnen und das Steuer-IC-Bauelement vorgesehen sind.
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In Kenntnis des oben genannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiterschaltung in Ausgestaltung einer Multilevel-Brückenschaltung zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Multilevel-Brückenschaltung eine hohe Sicherheit gegenüber fälschlicherweise gleichzeitig eingeschalteten Leistungshalbleiterschaltern bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Leistungshalbleiterschaltung mit zwei Gleichstromanschlüssen, ausgebildet zur Verbindung mit einem Gleichspannungszwischenkreis, und mit einem zwischen oberen und unteren Leistungshalbleiterschaltern angeordneten Wechselstromanschluss, wobei die Leistungshalbleiterschaltung ausgebildet ist als Multilevel-Brückenschaltung mit N ersten, oberen Leistungshalbleiterschaltern und N zweiten, unteren Leistungshalbleiterschaltern, wobei die ersten N Leistungshalbleiterschalter mit einer Ordnungszahl n, mit n = 1...N, bezeichnet sind und die zweiten N Leistungshalbleiterschalter mit einer Ordnungszahl m, mit m = N + 1...2N, bezeichnet sind und wobei den jeweiligen Leistungshalbleiterschalter eine Treibereinrichtung zugeordnet ist, und wobei die Multilevel-Brückenschaltung eine Verriegelungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist zu verhindern, dass jeweils zwei einander zugeordnete Leistungshalbleiterschalter gleichzeitig eingeschaltet werden, wobei jeweils ein erster und ein zweiter Leistungshalbleiterschalter zugeordneter Ordnungszahl gegeneinander verriegelt werden deren zugeordnete Ordnungszahlen die Bedingung m = N + n erfüllen.
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Bevorzugt ist eine Leistungshalbleiterschaltung wobei die Verriegelungseinrichtung als mindestens ein Logikbaustein mit Logikgattern ausgebildet ist und Logikeingangssignalpaare für die korrespondierende, der Bedingung m = N + n gehorchende, Leistungshalbleiter-Schalter zu Logikausgangssignalen dieser Leistungshalbleiter-Schalter verarbeitet, wobei die Logikausgangssignale an den Eingängen der jeweiligen Treibereinrichtungen anliegen.
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Hierbei kann die Verriegelungseinrichtung in ihrer Gesamtheit, oder jeder Logikbaustein als integrierte Schaltung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Verriegelungseinrichtung oder der Logikbaustein als ein programmierbares Logikbauelement, insbesondere als ein PLD oder FPGA, oder alternativ als ein integraler Bestandteil eines ASICs mit weiterer Funktionalität, insbesondere Sicherheits-, Steuer- und/oder Regelfunktionalität, ausgebildet sein.
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Ebenso bevorzugt ist eine Leistungshalbleiterschaltung, wobei die jeweiligen Leistungshalbleiterschalter als ein IGBT oder als eine Mehrzahl von parallel geschalteten IGBTs mit einer antiparallel geschalteten Diode oder einer Mehrzahl antiparallel geschalteter Dioden ausgebildet sind.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen herkömmlicher Stromrichter und deren Betriebsverfahren zu erreichen. Insbesondere sind die genannten bevorzugten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterung der Erfindung vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung oder von Teilen hiervon. Dabei zeigt:
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1: eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung.
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2: einen Logikbaustein einer Verriegelungseinrichtung.
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3: eine 3-Level-Brückenschatlung in „T“-Topologie.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung in 5-Level-Brückenschaltunng, wobei das gesagte in fachmännisch angepasster Weise auch für andere Multilevel-Brückenschaltungen, vereinfacht auch für eine 3-Level-Brückenschatung gilt. Diese Brückenschaltung weist einen Gleichstromanschluss P positiver Polarität und einen Gleichstromanschluss negativer Polarität M auf. Zwischen diesen Gleichstromanschlüssen kann, wie hier dargestellt, eine Kondensatoreinrichtung vorgesehen sein, die einen Gleichspannungszwischenkreis 2 ausbildet. Dieser ist hier symmetrisch mit einer Mehrzahl von Kondensatoren 20, einem Mittelpunktanschluss G, der auch als Erdungsanschluss ausgebildet sein kann, und weiteren schaltungsrelevanten Anschlüssen ausgestaltet.
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Weiterhin weist die Brückenschaltung sechs Leistungshalbleiterschalter 60 auf, die jeweils in bevorzugter Weise wie hier für den ersten Leistungshalbleiteschalter dargestellt mit einer Mehrzahl, hier drei, Leistungstransistoren 62 und mit einer Mehrzahl, hier zwei, antiparallel dazu geschalteten Leistungsdioden 64 ausgebildet sind. Die sechs Leistungshalbleiterschalter 60 bilden zwei Gruppen, die ersten, oberen drei Leistungshalbleiterschalter 60-1, 60-2, 60-3 und die zweiten, unteren drei Leistungshalbleiterschalter 60-4, 60-5, 60-6 aus. Allgemein entspricht dies N oberen und N unteren Leistungshalbleiterschaltern 60.
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Weitere Schaltungsbestandteile, insbesondere Dioden die fachüblich zwischen Leistungshalbleiterschaltern und dem Gleichspannungszwischenkreis vorzusehen sind, wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur schematisch angedeutet, da sie im Übrigen nicht erfindungsrelevant sind.
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Erfindungsrelevant und daher dargestellt sind die jedem Leistungshalbleiterschalter 60 zugeordnete Treibereinrichtungen 50, die dazu ausgebildet sind Steuersignale derart zu verstärken, dass die Leistungstransistoren 62 der Leistungshalbleiterschalter 60 ein, d.h. leitend, bzw. aus, d.h. nicht leitend, geschaltet werden können.
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Weiterhin weist die Brückenschaltung 2 eine Verriegelungseinrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist zu verhindern, dass jeweils zwei einander zugeordnete Leistungshalbleiterschalter 60-n; 60-m gleichzeitig eingeschaltet werden, wobei jeweils ein erster und ein zweiter Leistungshalbleiterschalter 60 gegeneinander verriegelt sind deren Ordnungszahlen die Bedingung m = N + n erfüllen. Die dargestellte Verriegelungseinrichtung 3 weist hierfür drei gleichartige Logikbausteine 30 auf.
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An den Eingängen eines Logikbausteins
30 liegt beispielhaft, vgl. auch
2, das den korrespondierenden obere und unteren Leistungshalbleiterschaltern
60-1 und
60-4, allgemein
60-n und
60-m, zugeordnete Logikeingangssignalpaar
110/
140, allgemein 1n0/1m0, an. Der Logikbaustein
30 verarbeitete dieses Logikeingangssignalpaar gemäß folgender Tabelle von Logikwerten zu einem Logikausgangssignalpaar
111/
141, allgemein
1n1/
1m1:
| 110, allgemein: 1n0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 140, allgemein: 1m0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 111, allgemein: 1n1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 141, allgemein: 1m1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
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Hierbei wird die Verriegelungsfunktion deutlich, indem beide Logikeingangssignale eines Logikeingangssignalpaars 110/140, allgemein: 1n0/1m0, einen unterschiedlichen Logikzustand aufweisen, dieser beim Logikausgangssignalpaar 111/141, allgemein 1n1/1m1, unverändert bleibt.
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Analog gilt trivialerweise für beide Logikeingangssignale eines Logikeingangssignalpaars die eine logische „0“ aufweisen, dass diese ebenfalls beim Logikausgangssignalpaar unverändert bleibt.
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Entscheidend ist allerdings, wenn beide Logikeingangssignale eines Logikeingangssignalpaars eine logische „1“ aufweisen, also den zugeordneten Leistungshalbleiterschalter 60 einschalten würden, dass Logikausgangssignalpaar für beide Werte eine logische „0“ ausgibt. Hierdurch wird eine Fehlansteuerung der zugeordneten Leistungshalbleiterschalter, die sich wahrscheinlich zerstörend auswirken würde, sicher verhindert.
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2 zeigt einen Logikbaustein 30 einer Verriegelungseinrichtung 3. Der Logikbaustein 30 weist zwei Eingänge für Logikeingangssignale auf. Diese Logikeingangssignale sind hier einmal mit den Bezugszeichen zugeordnete zu den Schaltern mit den Ordnungszahlen 1 und 4 einer 5-Level-Brückenschaltung. Ebenso sind die allgemeinen Ordnungszahlen zweier korrespondierender Schalter angegeben. Weiterhin weis der Logikbaustein 30 zwei Ausgänge für Logikausgangssignale auf. Intern weist der Logikbaustein zwei UND-Gatter 40, 42 auf, die mit beiden Logikeingangssignale beaufschlagt sind, wovon jeweils eines invertiert ist. Die Logikausgangssignale ergeben sich somit gemäß obiger Tabelle.
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3 zeigt eine Brückenschaltung in sog. „T“-Topologie. Hierbei sind die vier Schalter nicht in einer Reihe angeordnet. Vielmehr sind die zwei Leistungshalbleiterschalter 60-1, 60-4 also diejenigen mit der Ordnungszahl 1 und 4 in einer Reihe angeordnete, wobei dieser Reihe die Gleichstromanschlüsse P, M und als Mittelanzapfung der Wechselstromanschluss W zugeordnet sind. Dieser Punkt der Mittelanzapfung ist weiterhin mit dem einem Erdungspunkt G über zwei weitere Leistungshableiterschalter 60-2, 60-3 also diejenigen mit der Ordnungszahl 2 und 3, verbunden. Diese sind wie auch diejenigen der oben genannten Reihe hier als Leistungstransistoren 62 mit antiparallel geschalteter Diode 64 ausgebildet.
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In der erfindungsgemäßen Nomenklatur ist der Leistungshalbleiterschalter 60-2, also derjenige mit der Ordnungszahl 2, in dieser T-Topologie derjenige, bei welchem die Durchlassrichtung dessen Leistungstransistor diejenige von der Erdung zur Mittelanzapfung ist. Analog ist der Leistungshalbleiterschalter 60-3, also derjenige mit der Ordnungszahl 3, in dieser T-Topologie derjenige, bei welchem die Durchlassrichtung dessen Leistungstransistor diejenige von der Mittelanzapfung zur Erdung ist. Somit bilden die Leistungsschalter 60-1, 60-2, also diejenigen mit den Ordnungszahlen 1 und 2, die ersten, und die Leistungsschalter 60-3, 60-4, also diejenigen mit den Ordnungszahlen 3 und 4, die zweiten Leistungsschalter im Sinne dieser Druckschrift aus.
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Erfindungsgemäß sind somit auch in dieser T-Topologie einer 3-Phasen-Brückenschaltung diejenigen Schalter mit den Ordnungszahlen 1 und 3 bzw. 2 und 4 in oben genannter Weise und mittels oben genannter Mittel gegeneinander verriegelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/109590 A1 [0006]
- DE 102006021412 B3 [0009]
