DE102020200100A1

DE102020200100A1 - Gesteuerter gleichrichter und verfahren zum betrieb eines motorintegrierten gleichrichters

Info

Publication number: DE102020200100A1
Application number: DE102020200100.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kraus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-08-05
Also published as: CN113098301A

Abstract

Es ist ein gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) und ein Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters (20; 20A; 20C), bereitgestellt. Der gesteuerte Gleichrichter (20; 20A; 20C) umfasst eine Brückenschaltung aus mindestens zwei Dioden (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26), die mindestens eine erste Halbbrücke der Brückenschaltung bilden, mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M), von denen ein erster Transistor (22M; 23M) einer ersten Diode (22; 23) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist und ein zweiter Transistor (24M) einer zweiten Diode (24) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist, und eine Steuereinrichtung (28) zur Steuerung eines leitend Schaltens der mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) abhängig von einem Sperrbetrieb der parallelgeschalteten Diode (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26), um die Verlustleistung des Gleichrichters (20; 20A; 20C) im Teillastbetrieb zu senken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gesteuerten Gleichrichter und ein Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters.
Für Umrichter, wie Frequenzumrichter oder Servoumrichter, werden üblicherweise B6U-Diodengleichrichter eingesetzt. Bei B6U-Diodengleichrichtern sind an den drei Leitungen eines 3-phasigen Systems sechs Dioden in einer Brückenschaltung verschaltet.
Bedingt durch die Kennlinie einer Gleichrichterdiode verursachen typische B6U-Gleichrichter eine hohe Verlustleistung im Teillastbetrieb. Dies ist bei allen Anwendungen unerwünscht, die meistens im Teillastbetrieb betrieben werden. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere mehrachsige Servoantriebe, z.B. Handlingsysteme, Roboter, Verpackungsmaschinen, Kunststoffspritzgussmaschinen, usw.
Die hohe Verlustleistung im Teillastbetrieb ist besonders problematisch, wenn der Gleichrichter hohe Überlastfaktoren (Dauerlast zu Überlast) erfüllen muss und stark eingeschränkte Kühlmöglichkeiten bestehen. Dies ist insbesondere bei motorintegrierten Antrieben oder passiv gekühlten dezentralen Antrieben der Fall, bei welchen die Verlustleistung bei Dauerlast relevant für die Auslegung eines Kühlsystems zum Kühlen des Antriebs ist. Infolge dessen hat der Gleichrichter bzw. das Antriebssystem eine relativ geringe Leistungsdichte. Noch dazu sind die Kosten und der Platzbedarf für einen Kühlkörper oder Lüfter des erforderlichen Kühlsystems relativ hoch.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gesteuerten Gleichrichter und ein Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen ein gesteuerter Gleichrichter und ein Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters bereitgestellt werden, bei welchen eine merkliche Reduktion der Verlustleistung in den Komponenten, insbesondere im Teillastbetrieb des Antriebs, einfach und kostengünstig realisiert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen gesteuerten Gleichrichter nach Anspruch 1 gelöst. Der gesteuerte Gleichrichter hat eine Brückenschaltung aus mindestens zwei Dioden, die mindestens eine erste Halbbrücke der Brückenschaltung bilden, mindestens zwei Transistoren, von denen ein erster Transistor einer ersten Diode in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist und ein zweiter Transistor einer zweiten Diode in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines leitend Schaltens der mindestens zwei Transistoren abhängig von einem Betriebszustand der parallelgeschalteten Diode, um die Verlustleistung des Gleichrichters im Teillastbetrieb zu senken.
Mit dem beschriebenen Gleichrichter ist ein hybrider gesteuerter Gleichrichter realisiert, der insbesondere für Anwendungen mit hoher Überlast geeignet ist. Der gesteuerte Gleichrichter erzeugt durch seinen Aufbau weniger Verlustleistung, insbesondere im Teillastbereich. Durch den Aufbau des Gleichrichters kann mit dem Gleichrichter eine höhere Leistungsdichte erzielt werden. Je nach Anwendungsfall kann zudem ein Kühlkörper oder Lüfter für ein Kühlsystem eines Antriebs als Last ganz entfallen, den bzw. die der Gleichrichter mit elektrischem Strom versorgt. Zumindest kann der Kühlkörper oder Lüfter für ein Kühlsystem eines Antriebs oder der Last verkleinert werden. Dadurch werden der Platzbedarf und die Kosten für das Antriebssystem oder die Last deutlich gesenkt.
Vorteilhaft ist mit dem beschriebenen gesteuerten Gleichrichter eine niedrigere Gesamtverlustleistung im Leerlaufbetrieb oder Teillastbetrieb erreichbar als bei beispielsweise einem ungesteuerten Gleichrichter oder einem B6U-Gleichrichter. Besonders bei Anlagen oder Systemen, die überwiegend in diesem Arbeitspunkt betrieben werden, kann somit mit dem zuvor beschriebenen gesteuerten Gleichrichter eine erhebliche Einsparung der eingesetzten Energie erzielt werden. Dies führt zu einer Reduktion von Stromkosten, die im Betrieb des Gleichrichters bzw. der übergeordneten Anlage verursacht werden, und dadurch gegebenenfalls zur Verminderung des Kohlendioxidausstoßes.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des gesteuerten Gleichrichters sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Brückenschaltung eine einphasige Brückenschaltung mit vier Dioden, wobei zu jeder der vier Dioden ein Transistor parallelgeschaltet ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Brückenschaltung eine dreiphasige Brückenschaltung mit sechs Dioden, wobei zu jeder der sechs Dioden ein Transistor parallelgeschaltet ist.
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Brückenschaltung eine halbgesteuerte Thyristorbrücke, die drei Thyristoren, drei Dioden und drei Transistoren aufweist.
Denkbar ist, dass jeder der mindestens zwei Transistoren ein SiC-MOSFET ist.
Jeder der mindestens zwei Transistoren kann ein NMOS-Transistor sein.
Gemäß einer Option ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, die mindestens zwei Transistoren derart anzusteuern, dass der jeweilige Transistor eingeschaltet ist, sobald die zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode leitet.
Gemäß einer Option ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, die mindestens zwei Transistoren derart anzusteuern, dass der jeweilige Transistor ausgeschaltet ist, wenn die zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode sperren soll.
Der gesteuerte Gleichrichter kann Teil eines Systems sein, das zudem mindestens eine Spule, die eine Netzdrossel bildet, und ein Netzfilter aufweist, wobei das System eine rückspeisefähige Anwendung ist.
Das System kann zudem eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Netzwinkels aufweisen, wobei die Erfassungseinrichtung einen erfassten Wert des Netzwinkels der Steuereinrichtung zuführt.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters nach Anspruch 12 gelöst. Bei dem Verfahren wird ein gesteuerter Gleichrichter verwendet, der eine Brückenschaltung aus mindestens zwei Dioden aufweist, die mindestens eine erste Halbbrücke der Brückenschaltung bilden, und zudem mindestens zwei Transistoren aufweist, von denen ein erster Transistor einer ersten Diode in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist und ein zweiter Transistor einer zweiten Diode in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist, und wobei das Verfahren den Schritt aufweist Steuern, mit einer Steuereinrichtung, eines leitend Schaltens der mindestens zwei Transistoren abhängig von einem Betriebszustand der parallelgeschalteten Diode, um die Verlustleistung des Gleichrichters im Teillastbetrieb zu senken.
Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf den gesteuerten Gleichrichter genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem gesteuerten Gleichrichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem gesteuerten Gleichrichter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem gesteuerten Gleichrichter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
4 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem gesteuerten Gleichrichter gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch ein System 1 mit einer Eingangsstufe 10, einer Messeinrichtung 15, einem gesteuerten Gleichrichter 20, einem Gleichspannungszwischenkreis 30 und einer Last 40. Das System 1 ist beispielsweise ein einphasiges System 1 mit einer einphasigen Eingangsstufe 10, die eine Wechselspannung U1 liefert. Die Wechselspannung U1 wird von dem gesteuerten Gleichrichter 20 gleichgerichtet und über eine elektrische Leitung mit einer Induktivität 29A und einem ohmschen Widerstand 29B sowie den Zwischenkreis 30 für die Last 40 bereitgestellt.
Die Eingangsstufe 10 hat eine Spannungsquelle 11, welche die Wechselspannung U1 über eine Spule 12 und einen elektrischen Leiter L1 in den gesteuerten Gleichrichter 20 einspeist. Für ein besseres Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen ist für alle Ausführungsbeispiele eine Momentanaufnahme der Wechselspannung U1 gezeichnet, bei der Plus am oberen Pol und Minus am unteren Pol der Spannungsquelle 11 anliegt. Die Spule 12 kann die Induktivität des Leiters L1 sein. Alternativ ist die Spule 12 als Drossel ausgelegt, um den elektrischen Wechselstrom in dem elektrischen Leiter L1 zu begrenzen oder Stromspitzen herauszufiltern.
Der gesteuerte Gleichrichter 20 hat eine Brückenschaltung aus einer ersten bis vierten Diode 21 bis 24 und einem ersten bis vierten Transistor 21M bis 24M. Die Gates G1 bis G4 der Transistoren 21M bis 24M sind mit einer Steuereinrichtung 28 verbunden (nicht eingezeichnet) und ansteuerbar, um den entsprechenden Transistor 21M bis 24M leitend oder nichtleitend zu schalten. Die Transistoren 21M bis 24M sind insbesondere jeweils NMOS-Transistoren, wobei NMOS für N-Typ Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor oder n-dotierter Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor steht.
In der Brückenschaltung des Gleichrichters 20 von 1 sind die erste Diode 21 und der erste Transistor 21M parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung aus Diode 21 und Transistor 21M bildet einen ersten Brückenzweig der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20. Außerdem sind die zweite Diode 22 und der zweite Transistor 22M parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung aus Diode 22 und Transistor 22M bildet einen zweiten Brückenzweig der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20. Noch dazu sind die dritte Diode 23 und der dritte Transistor 23M parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung aus Diode 23 und Transistor 23M bildet einen dritten Brückenzweig der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20. Außerdem sind die vierte Diode 24 und der vierte Transistor 24M parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung aus Diode 24 und Transistor 24M bildet einen vierten Brückenzweig der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20.
Die Dioden 21 bis 24 sind beispielsweise Standard-Gleichrichterdioden. Zudem kann jeder Transistor der Transistoren 21M bis 24M als SiC-MOSFET ausgestaltet sein, wobei SiC eine Abkürzung für Siliziumkarbid ist und MOSFET eine Abkürzung für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist. SiC-MOSFET sind NMOS-Transistoren. Somit sind bei diesem Beispiel bei dem Gleichrichter 20 kleine, vergleichsweise günstige SiC-MOSFET als Transistoren 21M bis 24M mit Standard-Gleichrichterdioden als Dioden 21 bis 24 zu einem hybriden Gleichrichter 20 kombiniert. Hierbei sind auch höhere Sperrspannungen der jeweiligen Transistoren 21M bis 24M, insbesondere eine Sperrspannung von 1200V oder mehr, mit geringerem Verbrauch von Chipflächen, und daher vergleichsweise kostengünstig, realisierbar.
Der Zwischenkreis 30 hat einen Kondensator 31, der den von dem Gleichrichter 20 ausgegebenen Gleichstrom zwischenspeichern kann. Danach kann der Gleichstrom in einen beliebigen elektrischen Strom beliebiger Frequenz gewandelt werden.
Die Last 40 ist eine beliebige elektrische Last, beispielsweise ein Umrichter, insbesondere ein Frequenzumrichter oder Servoumrichter, der den Gleichstrom des Zwischenkreises 30 in einen beliebigen elektrischen Strom mit der gewünschten Frequenz wandelt. Alternativ ist die Last 40 ein Transformator mit an seine Sekundärseite angeschlossenem elektrischen Gerät, insbesondere ein Schweißwerkzeug oder ein Leuchte, usw. Alternativ ist die Last 40 eine elektrische Maschine, insbesondere eine Rotationsmaschine oder eine Linearmaschine oder ein Schrittmotor zum Bewegen einer Welle eines Transportbands, oder eine beliebige andere elektrische Last. Andere Beispiele für die elektrische Last sind beispielsweise eine elektrische Anlage oder Maschine, wie eine Produktionsanlage, eine Beleuchtungsanlage, eine Druckmaschine, eine Pumpe, usw.
Beispielsweise ist der Gleichrichter 20 in die Last 40 eingebaut oder integriert. Insbesondere ist der Gleichrichter 20 ein antriebsintegrierter Gleichrichter 20 oder ein motorintegrierter Gleichrichter 20.
Im Betrieb des Systems 1 werden die Transistoren 21M bis 24M von der Steuereinrichtung 28 derart angesteuert, dass der jeweilige Transistor 21M bis 24M abhängig von einem Betriebszustand der jeweils parallelgeschalteten Diode 21 bis 24 leitend oder nicht leitend geschaltet wird. Hierfür wird vorgegangen wie folgt. Die Betriebszustände der Diode 21 bis 24 sind Sperrbetrieb oder Du rch lassbetrieb.
Im Betrieb des Systems 1 steuert die Steuereinrichtung 28 die Transistoren 21M bis 24M derart an, dass der jeweilige Transistor 21M bis 24M eingeschaltet ist, sobald die zugehörige bzw. zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode 21 bis 24 leitet. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung 28 steuert die jeweiligen Transistoren 21M bis 24M derart an, dass die Transistoren 21M bis 24M ausgeschaltet sind, wenn die zugehörige bzw. zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode 21 bis 24 sperren soll. Die Ansteuerung mit der Steuereinrichtung 28 kann beispielsweise unter Verwendung von Messdaten 16 erfolgen, die insbesondere einen Netzwinkel und/oder eine Spannungsamplitude und/oder eine Spannungsfrequenz umfassen. Hierbei können insbesondere die Nulldurchgänge der Spannung U1 ausgewertet und für die Ansteuerung der Transistoren 21M bis 24M verwendet werden. Die Messdaten 16 sind im Betrieb des Systems 1 mit der Messeinrichtung 15 an der Eingangsstufe 10 messbar.
Im Betrieb des Systems 1 sind für die jeweiligen Brückenzweige des Gleichrichters 20 die folgenden verschiedenen Lastbereiche und somit Betriebszustände unterscheidbar.
In einem Teillastbetrieb oder Teillastbereich steuert die Steuereinrichtung 28 den Gleichrichter 20 derart an, dass nur der Transistor 21M leitet. Somit fließt durch die Diode 21 kein Strom. Aufgrund des ohmschen Verhaltens des Transistors 21M entstehen sehr geringe Durchlassverluste im Transistor 21M.
Die Verlustleistung P_V einer einzelnen Diode, beispielsweise der Diode 21, berechnet sich mit Gleichung (1) als: $P_{v} = U_{o} \cdot I_{a v g} + R_{d} \cdot {(I_{R M S})}^{2}$
Hierbei ist U₀ die Durchlassspannung der Diode 21, I_avg der arithmetische Mittelwert oder Gleichrichtwert des Stroms durch die Diode 21, R_d der Durchlasswiderstand der Diode 21, und I_RMS der Effektivwert des Stroms durch die Diode 21. Bei geringen Strömen I_avg, I_RMS ist der erste Teil von Gleichung (1) relevant, also der Term U₀ . I_avg. Dies führt zu einer Kennlinie der Diode 21 im Teillastbereich, die einen linearen und quadratischen Anteil hat.
Dasselbe gilt in dem Teillastbetrieb oder Teillastbereich auch für jede andere Parallelschaltung aus Diode 22 bis 24 und Transistor 22M bis 24M in den anderen Brückenzweigen der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20.
In einem Volllastbetrieb oder Volllastbereich übernimmt die Diode 21, die durch ihren geringen Bahnwiderstand bei hohen Strömen geringere Durchlassverluste als der zugehörige Transistor 21M verursacht. Der Transistor 21M trägt dann nur noch einen kleinen Teil des Stroms. Durch die Parallelschaltung von Transistor 21M und Diode 21 ist der wirksame Gesamtwiderstand niedriger, weshalb die Durchlassverluste geringer sind als bei einer reinen Diodenschaltung.
Dasselbe gilt in dem Volllastbetrieb oder Volllastbereich auch für jede andere Parallelschaltung aus Diode 22 bis 24 und Transistor 22M bis 24M in den anderen Brückenzweigen der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20.
In einem Überlastbetrieb oder Überlastbereich ist der Strom durch den Transistor 21M begrenzt. Dadurch trägt die Diode 21 den wesentlichen Teil des Überlaststroms. Somit ist der Transistor 21M effektiv vor Lastspitzen geschützt.
Dasselbe gilt in dem Überlastbetrieb oder Überlastbereich auch für jede andere Parallelschaltung aus Diode 22 bis 24 und Transistor 22M bis 24M in den anderen Brückenzweigen der Gleichrichterbrücke des Gleichrichters 20.
Somit können hohe Strompulse aus einem Energieversorgungsnetz zur Versorgung der Eingangsstufe 10 mit elektrischer Energie nicht zu einer Zerstörung der Transistoren 22M bis 24M führen. Derartige hohe Strompulse können beispielsweise ein Nachladeimpuls nach einem kurzen Netzeinbruch sein.
Der gesteuerte Gleichrichter 20 ist auch bei Schaltnetzteilen mit Ausgangsspannungen bis maximal 60V einsetzbar, ohne dass aufgrund der hohen Ströme günstige Kleinspannungs-MOSFET mit einer sehr großen Chipfläche einzusetzen sind, um die Verlustleistung P_V soweit wie möglich zu reduzieren.
Der Gleichrichter 20 ist besonders dann interessant, wenn ein Betrieb mit hohen Überlastfaktoren, die sich aus dem Verhältnis von Dauerlast zu Überlast berechnen, und stark eingeschränkten Kühlmöglichkeiten zu erwarten ist. Ein derartiger Betrieb liegt beispielsweise bei motorintegrierten Antrieben vor, da die Verlustleistung bei Dauerlast für die Auslegung des Kühlsystems relevant ist. Durch Verwendung von entsprechend großen Transistoren 22M bis 24M lässt sich die Verlustleistung durch Verwendung eines großen Chips im Prinzip beliebig senken. Begrenzt sind die Möglichkeiten nur durch Bauteilgröße und Kosten.
2 zeigt ein System 1A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das System 1A hat eine dreiphasige Eingangsstufe 10A und einen dreiphasigen Gleichrichter 20A, der auch gesteuerter B6-Gleichrichter genannt wird.
Somit hat die Eingangsstufe 10A drei Leiter L1, L2, L3. Der Leiter L2 ist mit einer Spannungsquelle 13 verbunden, um eine Spannung U2 über eine Spule 14 in den gesteuerten Gleichrichter 20A einzuspeisen. Der Leiter L3 ist mit einer Spannungsquelle 15 verbunden, welche eine Spannung U3 über eine Spule 16 in den gesteuerten Gleichrichter 20A einspeist. Auch hier ist wieder eine Momentanaufnahme der Wechselspannung U1, U2, U3 gezeichnet, bei der Plus am oberen Pol und Minus am unteren Pol der Spannungsquelle 11, 12, 13 anliegt Die Spulen 12, 14, 16 haben dieselbe Funktion, wie zuvor in Bezug auf die Spule 12 von 1 erläutert.
Der gesteuerte Gleichrichter 20A hat eine Brückenschaltung aus einer ersten bis sechsten Diode 21 bis 26 und einem ersten bis sechsten Transistor 21M bis 26M. Hierbei sind die erste Diode 21 und der erste Transistor 21M parallelgeschaltet. Die zweite Diode 22 und der zweite Transistor 22M sind parallelgeschaltet. Die dritte Diode 23 und der dritte Transistor 23M sind parallelgeschaltet. Die vierte Diode 24 und der vierte Transistor 24M sind parallelgeschaltet. Die fünfte Diode 25 und der fünfte Transistor 25M sind parallelgeschaltet. Die sechste Diode 26 und der sechste Transistor 26M sind parallelgeschaltet. Die jeweiligen Parallelschaltungen aus Diode und zugehörigem Transistor bilden die jeweiligen Brückenzweige des Gleichrichters 20A, wie zuvor in Bezug auf 1 erläutert.
Ansonsten ist die Funktionsweise des Systems 1A von 2 analog zu der Funktionsweise des Systems 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Soll beispielsweise ein gesteuerter B6-Gleichrichter 20A mit 2,5 kW Dauerleistung ( = Teillast für den Gleichrichter 20A) und 10 kW Spitzenleistung aufgebaut werden, so kann folgendermaßen vorgegangen werden.
Bei Verwendung einer Diode 21 mit U₀ = 1V und R_d = 10mOhm und ohne Parallelschaltung eines Transistors 21M ergeben sich folgende Verlustleistungen in der nachfolgenden Tabelle 1. Dasselbe gilt für jede der Dioden 22 bis 26. Tabelle 1

Teillast 2,5 kW (4,5A) Spitzenlast 10kW (19A)

Pv(U0) 1,45W 6,13W

Pv(Rd) 0,20W 2,73W

Pv(ges) 1,65W 8,86W
Wird dagegen ein Transistor 21M mit einem Widerstand Rson = 200 mOhm derart parallel geschaltet, wie in 2 gezeigt, beträgt die Durchlassspannung U_D der Diode 21 nicht 0,9V bei einem Gleichstrom la am Ausgang des Gleichrichters von 4,5 A, also einer Ausgangsleistung Pa von 2,5 kW im Teillastbetrieb, sondern die Diode 21 ist nicht im Eingriff. Die Verlustleistung Pv(ges) beträgt also nur noch 0,9 W, was eine Senkung der Verlustleistung Pv(ges) um -45% bedeutet.
Wird ein Transistor 21M mit einem Widerstand Rson = 100 mOhm parallel geschaltet, wie in 2 gezeigt, könnte man die Verlustleistung sogar um über 70% senken, nämlich auf 0,45W im Vergleich zu 1,65W gemäß der Tabelle 1.
Im Spitzenlastfall ändert sich die Verlustleistung Pv(ges) nicht wesentlich, ist aber immer noch geringfügig niedriger.
Bei einem Überstrompuls von 100A (DC) begrenzt die Durchlassspannung U_D der Diode 21 den Spannungsabfall über den Transistor 21M auf 1,9V, dabei fließen nur etwa 10A durch den Transistor 21M. Die Verlustleistung Pv des Transistors 21M beträgt dadurch etwa 20W, was für einen entsprechenden Transistor 21M unproblematisch ist.
3 zeigt ein System 1B gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem System 1 von 1 ist die Spule 12 eine Drossel. Zudem ist ein Netzfilter 50 vorgesehen. Ansonsten ist das System 1B gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf dieselbe Weise ausgeführt wie das System 1 von 1.
Durch die Auslegung der Spule 12 als Drossel und durch das Netzfilter 50 kann mit dem Gleichrichter 20 auch elektrische Energie in die Eingangsstufe 10 bzw. in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden.
Da die Transistoren 21M bis 24M jedoch nicht auf die volle Spitzenleistung ausgelegt sind, wie zuvor beschrieben, ist diese Funktion nicht im vollen Leistungsbereich nutzbar.
Gemäß einer Modifikation des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Drossel und das Netzfilter 50 bei dem System 1A von 2 vorgesehen.
4 zeigt ein System 1C mit einem gesteuerten Gleichrichter 20C. Bis auf die nachfolgenden Unterschiede ist das System 1C auf dieselbe Weise ausgeführt, wie in Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben.
Der gesteuerte Gleichrichter 20C ist eine halbgesteuerte Thyristorbrücke. Der Gleichrichter 20C hat Thyristoren 21T, 23T, 25T in einer ersten Halbbrücke. Zudem sind Dioden 22, 24, 26 und Transistoren 22M, 24M, 26M in einer zweiten Halbbrücke vorgesehen. Der Transistor 22 und die Diode 22 sind parallelgeschaltet. Der Transistor 24M und die Diode 24 sind parallelgeschaltet. Der Transistor 26M und die Diode 26 sind parallelgeschaltet. Die Transistoren 21M bis 24M können ausgestaltet sein, wie zuvor in Bezug auf 1 beschrieben.
Die Thyristoren 21T, 23T, 25T sind steuerbare Dioden, derart, dass sich der jeweilige Thyristor 21T, 23T, 25T in Sperrrichtung wie eine gewöhnliche Diode verhält. Im Grundzustand sperrt jeder der Thyristoren 21T, 23T, 25T in beide Richtungen. Durch einen vorbestimmten Stromimpuls an seinem jeweiligen Steueranschluss G1, G3, G5 kann die Steuerschaltung 28 den gewünschten Thyristor 21T, 23T, 25T in Vorwärtsrichtung oder Durchlassrichtung in den leitenden Zustand versetzen. Dadurch wird der jeweils gewünschte Thyristor 21T, 23T, 25T gezündet.
Im Betrieb des Systems 1C werden die Transistoren 22M, 24M, 26M von der Steuereinrichtung 28 derart angesteuert, dass der jeweilige Transistor 22M, 24M, 26M eingeschaltet ist, sobald die zugehörige bzw. zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode 22, 24, 26 durch Ansteuerung der Steuereinrichtung 28 leitet. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung 28 steuert die jeweiligen Transistoren 22M, 24M, 26M derart an, dass die Transistoren 22M, 24M, 26M ausgeschaltet sind, wenn die zugehörige bzw. zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode 22, 24, 26 sperren soll. Die Ansteuerung mit der Steuereinrichtung 28 kann ansonsten erfolgen, wie zuvor in Bezug auf 1 beschrieben.
Im Betrieb des Systems 1C sind für die jeweiligen Brückenzweige des Gleichrichters 20C die verschiedenen Lastbereiche und somit Betriebszustände unterscheidbar, wie zuvor in Bezug auf 1 beschrieben.
Somit ist bei dem Gleichrichter 20C das gezeigte Funktionsprinzip gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen in den unteren Zweigen der halbgesteuerten Thyristorbrücke eingesetzt. Damit halbiert sich in etwa die Effizienzverbesserung im Vergleich zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen bzw. zu der zuvor vorgestellten Lösung bei ungesteuerten Halbbrücken. Jedoch wird durch den Einsatz nur in den unteren Zweigen einer halbgesteuerten Thyristorbrücke ermöglicht, dass die Thyristoren 21T, 23T, 25T die benötigte Sperreigenschaft bereitstellen. Dadurch wird das Problem gelöst, dass die Body-Diode der Transistoren 22M, 24M, 26M den zugehörigen bzw. parallelgeschalteten Thyristor 21T, 23T, 25T überbrückt.
Gemäß einer Modifikation des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Gleichrichter 20C für ein einphasiges System 1C vorgesehen. Somit kann der Thyristor 25T und der Transistor 26M entfallen.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des gesteuerten Gleichrichters 20, 20A, 20C, der Systeme 1, 1A, 1B, 1C und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Das System 1, 1A, 1B, 1C kann ein elektrisches Antriebssystem oder allgemein ein Rückspeisegerät aller Art, gegebenenfalls auch im regenerativen Bereich oder bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) sein. Somit kann der Gleichrichter 20, 20A, 20C bei einem elektrischen Antriebssystem oder allgemein einem Rückspeisegerät aller Art, gegebenenfalls auch im regenerativen Bereich oder bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzt werden.
Das System 1, 1A, 1B, 1C kann jedoch auch eine nicht rückspeisefähige Anwendung (PFC) sein. Somit kann der Gleichrichter 20, 20A, 20C auch bei nicht rückspeisefähigen Anwendungen (PFC) zum Einsatz kommen.

Claims

Gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C), mit einer Brückenschaltung aus mindestens zwei Dioden (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26), die mindestens eine erste Halbbrücke der Brückenschaltung bilden, mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M), von denen ein erster Transistor (22M; 23M) einer ersten Diode (22; 23) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist und ein zweiter Transistor (24M) einer zweiten Diode (24) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist, und einer Steuereinrichtung (28) zur Steuerung eines leitend Schaltens der mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) abhängig von einem Betriebszustand der parallelgeschalteten Diode (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26), um die Verlustleistung des Gleichrichters (20; 20A; 20C) im Teillastbetrieb zu senken.
Gesteuerter Gleichrichter (20) nach Anspruch 1, wobei die Brückenschaltung eine einphasige Brückenschaltung mit vier Dioden (21 bis 24; 21 bis 26) ist, und wobei zu jeder der vier Dioden (21 bis 24; 21 bis 26) ein Transistor (21M bis 24M; 21M bis 26M) parallelgeschaltet ist.
Gesteuerter Gleichrichter (20A) nach Anspruch 1, wobei die Brückenschaltung eine dreiphasige Brückenschaltung mit sechs Dioden (21 bis 26) ist, und wobei zu jeder der sechs Dioden (21 bis 26) ein Transistor (21M bis 26M) parallelgeschaltet ist.
Gesteuerter Gleichrichter (20C) nach Anspruch 1, wobei die Brückenschaltung eine halbgesteuerte Thyristorbrücke ist, die drei Thyristoren (21T, 23T, 25T), drei Dioden (22, 24, 26) und drei Transistoren (22M, 24M, 26M) aufweist.
Gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder der mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) ein SiC-MOSFET ist.
Gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder der mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) ein NMOS-Transistor ist.
Gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (28) ausgestaltet ist, die mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) derart anzusteuern, dass der jeweilige Transistor eingeschaltet ist, sobald die zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26) leitet.
Gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (28) ausgestaltet ist, die mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) derart anzusteuern, dass der jeweilige Transistor ausgeschaltet ist, wenn die zu dem Transistor parallelgeschaltete Diode (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26) sperren soll.
System (1; 1A; 1B; 1C), mit einem gesteuerten Gleichrichter (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens einer Spule (12; 14, 14, 16), die eine Netzdrossel bildet, und einem Netzfilter (50), wobei das System (1; 1A; 1B; 1C) eine rückspeisefähige Anwendung ist.
System (1; 1A; 1B; 1C) nach Anspruch 9, zudem mit einer Erfassungseinrichtung (15) zur Erfassung eines Netzwinkels, wobei die Erfassungseinrichtung (40) einen erfassten Wert des Netzwinkels der Steuereinrichtung (28) zuführt.
Verfahren zum Betrieb eines motorintegrierten Gleichrichters (20; 20A; 20C), wobei bei dem Verfahren ein gesteuerter Gleichrichter (20; 20A; 20C) verwendet wird, der eine Brückenschaltung aus mindestens zwei Dioden (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26) aufweist, die mindestens eine erste Halbbrücke der Brückenschaltung bilden, und zudem mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) aufweist, von denen ein erster Transistor (22M; 23M) einer ersten Diode (22; 23) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist und ein zweiter Transistor (24M) einer zweiten Diode (24) in der ersten Halbbrücke parallelgeschaltet ist, und wobei das Verfahren den Schritt aufweist Steuern, mit einer Steuereinrichtung (28), eines leitend Schaltens der mindestens zwei Transistoren (22M, 24M; 22M, 24M, 26M; 21M bis 24M; 21M bis 26M) abhängig von einem Betriebszustand der parallelgeschalteten Diode (22, 24; 22, 24, 26; 21 bis 24; 21 bis 26), um die Verlustleistung des Gleichrichters (20; 20A; 20C) im Teillastbetrieb zu senken.