DE19945864A1

DE19945864A1 - ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

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Publication number: DE19945864A1
Application number: DE19945864A
Authority: DE
Inventors: Ralph Teichmann
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2000-10-26

Abstract

Es wird ein Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter vorgeschlagen, DOLLAR A - mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S¶1¶...S¶8¶) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschaltet sind, DOLLAR A - wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungskapazität (C¶1¶...C¶8¶) angeordnet ist, DOLLAR A - wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungspunkte (0, 1', 3') und Spannungsmittelpunkte (1, 3, 11, 12, 13, 14) verfügbar sind, DOLLAR A - wobei der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung mindestens eine Resonanz-Induktivität (L¶aux¶, L¶aux1¶, L¶aux2¶) und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (S¶aux1¶...S¶aux4¶) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist, DOLLAR A - wobei die Verbindungspunkte (7, 9, 17, 19, 27, 49) der Entlastungskapazitäten (C¶1¶...C¶8¶), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Ladungssteuerungsschalter (S¶n-NPC¶, S¶p-NPC¶, S¶n-NPC1¶...S¶n-NPC3¶, S¶p-NPC1¶...S¶p-NPC3¶) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten (0, 1', 3') der Stromrichterebenen verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter und insbesondere auf weich schaltende Mehrpunktstromrichtertopologien für Hoch leistungsstromrichter.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter, wie sie z. B. von A. Nabae et. al. in der Ver öffentlichung "A New Neutral Point Clamped PWM Inverter", in den "Transactions of the IEEE Industrial Applications Society", Vol. IA-17, No. 5, 1981 vorgeschlagen wur den, werden im Hochleistungsbereich zur Steuerung von Drehstromantrieben bzw. bei Energieübertragungsanlagen zur Netzkopplung und Kompensation eingesetzt. Das Mehrpunktstromrichterkonzept hat sich insbesondere bei hohen Spannungse benen bewährt, in denen die maximale Sperrspannung eines heute verfügbaren ein zelnen Halbleiterventiles nicht ausreicht.

Gegenwärtig werden in den Mehrpunktstromrichtern mit Spannungszwischenkreis im hohen Leistungsbereich GTO Schalter mit Inversdioden eingesetzt. Bei dieser Konfi guration müssen die maximal auftretenden Stromanstiege di/dt und Spannungsan stiege du/dt durch passive Begrenzernetzwerke begrenzt werden, um eine Zerstö riung der Halbleiterventile zu vermeiden. Diese Netzwerke sind oft stark verlustbe haftet und tragen wesentlich zur Stromrichterkomplexität und den Stromrichterkosten bei.

Die maximal erreichbare Schaltfrequenz in diesen Hochleistungsstromrichtern ist be grenzt durch die im Halbleiter auftretenden Schaltverluste sowie durch die minimalen Schalt- und Erholzeiten der Halbleiterbauelemente. Da die Schaltfrequenz direkten Einfluß auf die Qualität der elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen und somit auf das gesamte Systemdesign hat, ist die erreichbare Schaltfrequenz ein wesentli ches Gütekriterium für einen Stromrichter.

Fortschritte in der Leistungshalbleiterentwicklung ermöglichen heute einen Strom richterbetrieb mit wesentlich höherem di/dt und du/dt, was eine beträchtliche Verklei nerung oder sogar den Verzicht auf die Begrenzernetzwerke zur Folge hat. Die ge genwärtige Grenze in der erreichbaren Schaltfrequenz ist somit im wesentlichen nur noch durch die maximal zulässigen Halbleiterverluste gegeben.

Zur Erhöhung der maximalen Schaltfrequenz in Stromrichtern im kleinen und mittle ren Leistungsbereich wurden verschiedene weich schaltende Stromrichtertopologien vorgestellt, die eine Reduktion der Schaltverluste ermöglichen. Insbesondere das im Patent US 5047913 von R. De Doncker et. al. vorgeschlagene "Auxiliary Resonant Commutated Pole" (ARCP) Prinzip für Zweipunktstromrichter eignet sich sehr gut zur Reduzierung von Schaltverlusten. Bei einem solchen ARCP Stromrichter ist jedem Hauptschalter ein Entlastungskondensator elektrisch parallel geschaltet. Außerdem ist eine Hilfsschaltung, bestehend aus einem Hilfsschalter, der elektrisch in Reihe mit einer Resonanz-Induktivität geschaltet ist, vorgesehen, die einen Mittelpunkt eines Gleichspannungs-Zwischenkreis-Kondensators mit einem Ausgangsanschluß der Stromrichterphase verbindet.

Neben der drastischen Reduzierung der Schaltverluste ermöglicht das ARCP Prinzip auch eine Steuerung des maximalen du/dt bzw. des di/dt, was neben der Möglichkeit des Einsatzes kritischer Halbleiterschalter auch eine Reduzierung der Beanspru chung der Endwindungen in Drehstrommotoren mit sich bringt.

Möglichkeiten der Erweiterung dieses ARCP Prinzips auf Dreipunktstromrichter mit Entkopplungsdioden wurden von Cho et. al. auf der IEEE Konferenz PESC 1996, im Patent DE 195 36 470 von Dr. A. Mertens und M. Bruckmann und von D. G. Rouaud et. al. im Patent US 5684688 vorgestellt. In diesen Lösungen ist der Stromrichter ausgang wieder mit mindestens einer Resonanz-Induktivität verbunden, die über mindestens zwei bidirektionale Schalter unabhängig mit den zwei Spannungsmittel puhkten der zwei Stromrichterebenen im Dreipunktstromrichter verbunden werden können. Der Unterschied in den Topologien ist in der Anordnung der Entlastungska pazitäten für die vier Hauptschalter zu finden. Das Problem der unsymmetrischen Ladungsverschiebung zwischen der oberen und der unteren Stromrichterebene im Kommutierungsfall wurde auf vielfältige Weise durch Variation der Anzahl und An ordnung der Entlastungskapazitäten zu lösen versucht. Bisher konnte jedoch nicht der Idealfall, der eine maximale Hauptschalterentlastung und gleichmäßige Konden satorbelastung garantiert, gefunden werden, d. h. eine Parallelschaltung von exakt gleichen Entlastungskapazitäten so nah wie möglich am jeweiligen Hauptschalter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreipunkt- oder Mehrpunktstrom richter mit ARCP Stromrichtertopologie anzugeben, dessen Entlastungsnetzwerk für jeden Hauptschalter gleich ist und direkt parallel zu jedem Hauptschalter angeordnet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ durch die im Anspruch 1 und 5 ange gebenen Topologien gelöst.

Durch die Anordnung mehrerer Stromrichterphasen, die jeweils elektrisch parallel zu einem aus einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren bestehenden Gleichspan nungs-Zwischenkreises geschaltet sind, eine obere und untere Stromrichterebene mit jeweils zwei Hauptschaltern aufweisen und deren Verbindungspunkte jeweils mittels einer Entkopplungsdiode mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensato ren des Gleichspannungs-Zwischenkreises verknüpft sind, erhält man den Aufbau eines Dreipunktstromrichters.

Ausgehend von der hart schaltenden Dreipunktstromrichtertopologie mit Entkopp lungsdioden kann die weich schaltende ARCP Dreipunktstromrichtertopologie mit Ladungssteuerungsschaltern durch folgende Modifikationen und Erweiterungen er zielt werden:

1. In jeder Stromrichterebene muß durch eine Serienschaltung von zwei Kapazitäten oder alternativen Spannungsquellen dafür gesorgt werden, daß ein Spannungs mittelpunkt bezüglich der Stromrichterebene zur Verfügung steht.
2. Der Ausgang der Stromrichterphase muß durch eine Reihenschaltung einer Re sonanz-Induktivität und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter mit den Spannungsmittelpunkten in jeder Stromrichterebene verbunden werden. Da bei ist jeweils ein Anschluß eines Hilfsschalters mit einem Spannungsmittelpunkt einer Stromrichterebene und ein Anschluß der Resonanz-Induktivität mit dem Ausgang der Stromrichterphase verbunden.
3. Parallel zu jedem Hauptschalter muß eine Entlastungskapazität angebracht wer den.
4. Ein steuerbarer Hilfsschalter muß antiparallel zu jeder Entkopplungsdiode ge schalten werden.

Somit erhält man einen verlustarmen ARCP Stromrichter mit Ladungssteuerungs schaltern gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 5, der die Vorteile eines Dreipunktstromrichters bzw. Mehrpunktstromrichters mit denen eines ARCP Strom richters kombiniert, wobei eine maximale Schaltentlastung erzielt werden kann. Eine Steuerung der Ladung der Entlastungskapazitäten über den Hauptschaltern erfolgt durch zusätzliche Ladungssteuerungsschalter, die antiparallel zu den Entkopplungs dioden des Dreipunktstromrichters geschalten sind.

Mit dieser Topologie ist es möglich, den Schaltaugenblick der Hauptschalter der Stromrichterphase frei festzulegen, wodurch herkömmliche Pulsweitenmodulations verfahren eingesetzt werden können. Die Hauptschalter und die antiparallelen Hilfs schalter zu den Entkopplungsdioden - die Ladungssteuerungsschalter - in dieser ARCP Stromrichterphase schalten bei verschwindender Spannung über diesen Bau elementen ein und aus (Zero-Voltage-Switch-(ZVS)-Prinzip). Die Hilfsschalter in Rei he zur Resonanz-Induktivität werden nach dem Zero-Current-Switch-(ZCS-) Prinzip ebenfalls schaltentlastend betrieben. Beim ZCS-Prinzip wird der Hilfsschalter bei ver schwindendem Strom ein- und abgeschaltet. Das heißt, alle in dieser Stromrichter phase verwendeten Halbleiterschalter schalten verlustarm. Die spannungsmäßige Auslegung der Hauptschalter, Hilfsschalter und Ladungssteuerungsschalter sowie die Betriebsweise der Schalter kann der nachstehenden Tabelle 1 entnommen wer den, wobei zur Erläuterung der angeführten Bezugszeichen auf die Zeichnung hin gewiesen wird. Die Auslegung der Schalter bzgl. des Nennstromes hängt von den Schaltungsparametern, die den Effektivstrom durch den Schalter bestimmen, und den thermischen und elektrischen Eigenschaften der Schalter ab. Die Vorteile der ARCP Dreipunktstromrichtertopologie mit Ladungssteuerungsschaltern gegenüber den bisher vorgestellten ARCP Dreipunktstromrichtern sind:

a) eine gleichmäßige Strombelastung der Entlastungskapazitäten,
b) eine Minimierung von Streuinduktivitäten und der damit verbundenen optimalen Entlastung der Hauptschalter,
c) eine Minimierung der parasitären Schwingungen nach den Kommutierungen,
d) eine Möglichkeit der Aufteilung der hohen Verluste der Halbleiter im Nullpfad bei kleinen Ausgangsspannungen und hohem Ausgangsstrom auf die durch Parallel schaltung der Nullpfade erzielbare doppelte Anzahl an Halbleitern,
e) eine Realisierung der Entkopplungsdiode und des antiparallelen Schalters in ei nem Standardmodul,
f) erzielbare Fertigungskostenvorteile durch die Gleichheit aller entlasteten Haupt schaltermodule.

Tabelle 1

Schalterauslegung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Stromrichterphase eines verlustar men ARCP Stromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern schematisch veranschau licht sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausgangsphase eines ARCP Dreipunktstromrichters mit La dungssteuerungsschaltern gemäß Erfindung,

Fig. 2, 3 alternative Möglichkeiten zur Anordnung der Induktivität(en) im ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern,

Fig. 4 eine Phase eines ARCP Dreipunktstromrichters, die direkte Wechsel von der maximalen positiven Spannung zur maximalen negativen Spannung zuläßt,

Fig. 5 eine alternative Realisierungsmöglichkeit für die in Fig. 4 gezeigte Stromrichterphase,

Fig. 6 eine Phase eines ARCP Fünfpunktstromrichters mit Ladungssteue rungsschaltern, welche nach den benannten Designrichtlinien ent worfen wurde,

Fig. 7 qualitativ den Verlauf der Spannung über den Entlastungskapazitä ten C₁ bis C₄, die Spannung über den Ladungssteuerungsschaltern v_SpNPC und v_SnNPC sowie die Ausgangsspannung v_o für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern und positiven Ausgangsstrom i_o,

Fig. 8 die Schaltzustände für alle steuerbaren Schalter innerhalb einer Schaltsequenz für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungs steuerungsschaltern und positiven Ausgangsstrom i_o,

Fig. 9 qualitativ den Verlauf der Ströme durch die Ladungssteuerungs schalter, bestehend aus den aktiven Schaltern T_p-NPC, T_n-NPC und den Entkopplungsdioden D_p-NPC und D_n-NPC, sowie den Strom durch die Resonanz-Induktivität L_aux für einen ARCP Dreipunktstromrichter,

Fig. 10, 11, 12 ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern (entspre chend den Fig. 7 bis 9).

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Ausgangsphase eines Dreipunktstromrichters, beste hend aus einer Reihenschaltung von Hauptschaltern S₁, S₂, S₃, S₄ die elektrisch par allel zu einem Gleichspannungszwischenkreis geschalten sind, welcher aus einer Reihenschaltung von gleich großen Kapazitäten (Kondensatoren) C_dc1, C_dc2, C_dc3, C_dc4 besteht und damit eine positive Gleichspannungsschiene 2 mit einer negativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet. Während der Verbindungspunkt 0 der Kapa zitäten C_dc2 und C_dc3 als Stromrichtermittelpunkt bezeichnet wird, repräsentieren Ver bindungspunkte 1 und 3 die Spannungsmittelpunkte bezüglich der oberen und unte ren Stromrichterebene.

Direkt parallel zu jedem Hauptschalter S₁ bis S₄ sind Entlastungskapazitäten C₁, C₂, C₃, C₄ geschalten. Die Schalter S₁ bis S₄ bestehen jeweils aus einem aktiv aus schaltbaren Leistungshalbleiter T₁, T₂, T₃, T₄ mit antiparallel geschalteter Diode D₁, D₂, D₃, D₄. Der Stromrichtermittelpunkt 0 ist mit dem Verbindungspunkt 7 der Haupt schalter S₁ und S₂ durch einen Ladungssteuerungsschalter S_p-Npc Und mit dem Ver bindungspunkt 9 der Hauptschalter S₃ und S₄ durch einen Ladungssteuerungs schalter S_n-NPC verbunden. Diese Ladungssteuerungsschalter bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter T_p-NPC, T_n-NPC mit antiparaller Diode D_p-NPC, D_p-NPC, die als Entkopplungsdiode (n = negativ, p = positiv) fungiert.

Zusätzlich sind die Spannungsmittelpunkte 1 und 3 der Stromrichterebenen jeweils über einen Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 mit einer Resonanz-Induktivität (allgemein Induktivität) L_aux verbunden - siehe Verbindungspunkt 8. Die andere Seite der Reso nanz-Induktivität L_aux ist am Ausgang der Stromrichterphase 10 (gleichzeitig auch als Verbindungspunkt bezeichnet) angeschlossen. Die Hilfsschalter bestehen aus einer Serienschaltung von zwei aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschalten sind, daß ein bidirektionaler Schalter ent steht.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Stromrichterphase, wobei gleiche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 sind anstelle einer Resonanz-Induktivität L_aux zwei Resonanz-Induktivitäten L_aux1 und L_aux2 vorgesehen. Diese beiden Resonanz- Induktivitäten L_aux1 und L_aux2 sind jeweils mit einem Hilfsschalter S_aux1 bzw. S_aux2 elektrisch in Reihe geschaltet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungs form in Fig. 2 durch die Ankopplung der Resonanz-Induktivitäten an die Stromrich terphase. Diese beiden Resonanz-Induktivitäten L_aux1 und L_aux2 sind jeweils mit ei nem Hilfsschalter S_aux1 bzw. S_aux2 elektrisch in Reihe geschaltet und direkt an die Verbindungspunkte 7 und 9 angeschlossen. Der wesentliche Vorteile dieser Anord nung besteht darin, daß die maximale Sperrspannungsbelastung der Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 nur V_dc/4 beträgt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungs form in Fig. 1 durch die Ankopplung eines zusätzlichen Hilfsschalters S_aux3 zwischen dem Stromrichtermittelpunkt 0 und dem Anschlußpunkt 8 der Resonanz-Induktivität. Dies erweitert die Betriebsmöglichkeiten des Stromrichters derart, daß entlastete Schalttransitionen von der maximalen negativen Gleichspannungsebene, der Gleich spannungsschiene 4, zur maximalen positiven Gleichspannungsebene, der Gleich spannungsschiene 2, möglich sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungs form in Fig. 4 durch eine Reihenschaltung von Hilfsschaltern S_aux1 bis S_aux3 und den entsprechenden Resonanz-Induktivitäten L_aux1 bis L_aux3 sowie deren Ankopplung in der Stromrichterphase an die Verbindungspunkte 7, 10 und 9. Vorteilhaft in dieser Anordnung ist, daß die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 mit einer maximalen Sperrspan nung von V_dc/4 belastet werden.

Fig. 6 zeigt eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf einen ver lustarm schaltenden ARCP Mehrpunktstromrichter mit mehr als drei Punkten, wobei in jeder Stromrichterebene durch eine Serienschaltung von zwei Kapazitäten C_dc1. . . C_dc8 dafür gesorgt wird, daß ein Spannungsmittelpunkt bezüglich der jeweili gen Stromrichterebene zur Verfügung steht, wobei der Ausgang der Stromrichter phase 10 durch eine Reihenschaltung von mindestens einer Resonanz-Induktivität L_aux und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter S_aux1 . . . S_aux4 mit den Spannungsmittelpunkten in jeder Stromrichterebene verbunden ist, wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter S₁ . . . S₈ eine einzelne Entlastungskapazität C₁ . . . C₈ angeordnet ist und wobei eine Steuerung der Ladung der Entlastungskapazitäten über den Hauptschaltern durch zusätzliche Ladungssteuerungsschalter S_p-NPC1, S_p-NPC2, S_p-NPC3, S_n-NPC1 S_n-NPC2, S_n-NPC3 erfolgt, die antiparallel zu den Entkopplungs dioden des Mehrpunktstromrichters geschalten sind. Im konkreten Fall ist ein ARCP Fünfpunktstromrichter dargestellt.

Im einzelnen besteht die Ausgangsphase des Fünfpunktstromrichters aus einer Rei henschaltung der Hauptschalter S₁ bis S₈, die elektrisch parallel zu einem Gleich spannungszwischenkreis geschalten sind, welcher aus einer Reihenschaltung der gleich großen Kapazitäten C_dc1 bis C_dc8 besteht und damit die positive Gleichspan nungsschiene 2 mit der negativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet. Während der Verbindungspunkt 0 der Kapazitäten C_dc4 und C_dc5 als Stromrichtermittelpunkt bezeichnet wird, repräsentieren die Verbindungspunkte 1' und 3' die Spannungs mittelpunkte bezüglich der oberen und unteren Stromrichterhälfte und damit die Ver bindungspunkte zwischen den Stromrichterebenen. Die obere und untere Strom richterhälfte wird im Fünfpunktstromrichter noch einmal in jeweils zwei Stromrichter ebenen unterteilt, so daß insgesamt vier Stromrichterebenen existieren.

Die Schalter S₁ bis S₈ bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungs halbleiter T₁, T₂. . . mit antiparallel geschalteter Diode D₁, D₂. . .. Der Stromrichtermittel punkt 0 ist mit dem Verbindungspunkt 7 der Hauptschalter S₂ und S₃ durch die Ent kopplungsdiode D_p-NPC2 sowie mit dem Verbindungspunkt 9 der Hauptschalter S₆ und S₇ durch die Entkopplungsdiode D_n-NPC2 verbunden. Der Spannungsmittelpunkt 1' der oberen Stromrichterhälfte ist mit dem Verbindungspunkt 27 der Hauptschalter S₁ und S₂ durch die Entkopplungsdiode D_p-NPC1 sowie mit dem Verbindungspunkt 19 der Hauptschalter S₅ und S₆ durch die Entkopplungsdiode D_n-NPC1 verbunden. Der Spannungsmittelpunkt 3' der unteren Stromrichterhälfte ist mit dem Verbindungs punkt 17 der Hauptschalter S₃ und S₄ durch die Entkopplungsdiode D_p-NPC3 sowie mit dem Verbindungspunkt 49 der Hauptschalter S₇ und S₈ durch die Entkopplungs diode D_n-NPC3 verbunden.

Direkt parallel zu den Hauptschaltern S₁ bis S₈ sind die Entlastungskapazitäten C₁ bis C₈ geschalten. Die Ladungssteuerungsschalter bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter T_p-NPC1 . . ., T_n-NPC1 . . ., die antiparallel zu jeder Ent kopplungsdiode geschalten werden.

Zusätzlich sind die Spannungsmittelpunkte 11, 12, 13 und 14 aller Stromrichterebe nen jeweils über die Hilfsschalter S_aux1 bis S_aux4 mit einer Resonanz-Induktivität L_aux verbunden - siehe Verbindungspunkt 8. Die andere Seite der Resonanz-Induktivität L_aux ist am Ausgang 10 der Stromrichterphase angeschlossen. Die Hilfsschalter be stehen aus einer Serienschaltung von zwei aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschalten sind, daß ein bidirektiona ler Schalter entsteht.

Ähnlich wie in der Ausführung gemäß Fig. 3 kann auch in dem Fünfpunktstromrichter jeder bidirektionale Hilfsschalter mit einer separaten Resonanz-Induktivität verbun den werden. Die Sperrspannungsbelastung der Hilfsschalter kann somit auf maximal 3/8V_dc begrenzt werden, wenn die Hilfsschalter nicht am Punkt 8 mit einer Resonanz- Induktivität verbunden werden, sondern jeweils die Punkte 12 und 27, 11 und 17, 13 und 19 bzw. 14 und 49 mit einer Serienschaltung, bestehend aus einer Resonanz- Induktivität und eines bidirektionalen Hilfsschalters verbunden werden.

Fig. 7 stellt die Spannungen über den Entlastungskapazitäten v_C1 bis v_C4, und damit die Spannungen über den Hauptschaltern S₁ bis S₄, die Stromrichterausgangsspan nung v_o und die Spannung über den Ladungssteuerungsschaltern v_SpNPC und v_SnNPC für alle möglichen Kommutierungen in den Stromrichtertopologien der Fig. 1 bis 3 links von der Markierung A dar. Unter Annahme eines positiven Laststromes i_o ist ei ne volle Schaltsequenz von der maximalen positiven Ausgangsspannung v_o über die maximale negative Ausgangsspannung v_o und zurück dargestellt. Die ersten beiden Kommutierungen sind kapazitive Kommutierungen. Die Ausgangsspannung v_o wird mittels zweier ARCP Kommutierungen wieder auf die maximale positive Ausgangsspannung zurückgeschwungen. Für die Stromrichter nach Fig. 4 und 5 sind alle in Fig. 7 dargestellten Kommutierungen möglich. Die beiden letzten Kom mutierungen sind direkte Transitionen von der maximalen positiven zur maxima len negativen Ausgangsspannung, wobei die erstere wieder eine kapazitive Kommu tierung und die letztere eine ARCP Kommutierung ist. Der Maßstab einer Tei lung der Ordinate entspricht der Größe der Gleichspannung V_dc im Gleichspan nungszwischenkreis. Da die Spannung über den Entlastungskapazitäten den Span nungen über den Hauptschaltern entspricht, kann daraus die Sperrspannungsbela stung aller Hauptschalter zu V_dc/2 bestimmt werden. Die Kommutierungszeiten sind stark von den gewählten Schaltungsparametern abhängig. Alle Verläufe werden im weiteren im Detail beschrieben.

Fig. 8 zeigt die Logikzustände aller Schalter in einer Stromrichterphase des ARCP Dreipunktstromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern korrespondierend zu den Kommutierungen dargestellt in Fig. 7. Auch hier sind die Kommutierungen rechts von der Markierung A nur von den erweiterten Topologien gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 durchführbar. Alle Hilfsschalter sind nur während Kommutierungen eingeschalten und beeinflussen den stationären Betrieb des Stromrichters nicht.

Fig. 9 gibt qualitativ die Stromverläufe durch die Ladungssteuerungsschalter, jeweils bestehend aus aktiven Schalter T_x-NPC (x = p bzw. n) und Entkopplungsdiode D_x-NPC, und durch die Resonanz-Induktivität L_aux wieder. Eine Ordinatenteilung entspricht der Größe des Ausgangsstrom i_o. Die Entkopplungsdioden D_p-NPC und D_n-NPC werden wie im hart schaltenden Stromrichter auch im stationären Zustand "0" mit dem Aus gangsstrom i_o belastet, wobei die Ausgangsstromrichtung entscheidet, ob die positive oder negative Entkopplungsdiode leitet. Zusätzlich werden die Entkopplungsdioden bzw. die Ladungssteuerungsschalter mit dem Resonanzstrom bei der ARCP Kom mutierung bzw. einem Teil des Umladestromes bei der kapazitiven Kommutierung belastet. Der Kommutierungsablauf korrespondiert zu den Beschreibungen für Fig. 7 und Fig. 8.

Fig. 10 entspricht Fig. 7, zeigt jedoch qualitativ den Verlauf der Spannung über den Entlastungskapazitäten und den Ladungssteuerungsschaltern für eine Schaltse quenz mit ARCP unterstützter kapazitiver Kommutierung für einen ARCP Dreipunkt stromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern. Für Stromrichter nach Fig. 1 bis Fig. 3 sind alle links von der Markierung A gezeigten Kommutierungen möglich. Die Ordi natenteilung entspricht der Teilung in Fig. 7. Auch hier sind für alle Schalter Nenn- Sperrspannungen von V_dc/2 erforderlich. Die ersten beiden Kommutierungen sind in diesem Fall ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen. Die Kondensato ren werden nicht linear wie in Fig. 7, sondern mit Hilfe einer resonanten Schwingung umgeladen. Die darauffolgenden zwei ARCP Kommutierungen entsprechen qualitativ den ARCP Kommutierungen in Fig. 7. Für die Stromrichter nach Fig. 4 und 5 sind alle in Fig. 10 dargestellten Kommutierungen möglich. Die beiden letzten Kom mutierungen sind direkte Transitionen von der maximalen positiven zur maxima len negativen Ausgangsspannung v_o, wobei die erstere eine ARCP unterstützte ka pazitive Kommutierung und die letztere eine ARCP Kommutierung ist. Auch die Kommutierungszeiten für die ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierungen sind stark von den gewählten Schaltungsparametern abhängig.

Fig. 11 entspricht der Fig. 8 und zeigt die Ansteuerlogik für alle Schalter für die für Fig. 10 diskutierten Kommutierungen. Auch hier werden die Hilfsschalter S_aux und die Ladungssteuerungsschalter nur zu den Kommutierungen aktiviert.

Fig. 12 zeigt qualitativ den Verlauf der Ströme in den Ladungssteuerungsschaltern und den Entkopplungsdioden, sowie der resonanten Induktivität L_aux für die für Fig. 10 diskutierten Kommutierungen. Der Ordinatenmaßstab wurde aus Fig. 9 über nommen, obwohl der Laststrom i_o, in dieser Darstellung nur etwa 10% des Laststro mes in Fig. 9 entspricht. Alle dargestellten Stromverläufe sind im weiteren beschrie ben. Bezüglich der Strombelastung der Entkopplungsdioden treffen die für Fig. 9 gemachten Aussagen zu.

Im folgenden soll nun die Funktionsweise der Stromrichterphase gemäß Fig. 1 die ses erfindungsgemäßen, verlustarmen ARCP Dreipunktstromrichters mit Ladungs steuerungsschaltern anhand der Kommutierungsvorgänge von den oberen Haupt schaltern S₁ und S₂ auf die unteren Hauptschalter S₃ und S₄ sowie zurück beschrie ben werden. Für den Betrieb eines beliebigen Dreipunktstromrichters sind die in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigten Schaltzustände maßgebend, um die gewünsch ten Ausgangsspannungen v_o bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0 (siehe Spalte 2) zu erzielen.

Tabelle 2

Schaltzustände eines Dreipunktstromrichters

Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schalttransitionen ist im folgenden für einen positiven Ausgangsstrom i_o gegeben. Die Kommutierungen p→0 und 0→n sind in diesem Fall kapazitive Kommutierungen bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kom mutierungen und die Kommutierungen n→0 und 0→p sind ARCP Kommutierungen.

Bei relativ kleinem Ausgangsstrom, relativ großen Entlastungskapazitäten bzw. rela tiv großer Gleichspannung kann es zu ungewollt langen Kommutierungszeiten für die kapazitive Kommutierung kommen. Um die Kommutierungsdauer für die kapazitive Kommutierung zu verkürzen, kann man den ARCP Hilfszweig zur Beschleunigung der Kommutierung nutzen, was zu einer ARCP unterstützten kapazitiven Kommutie rung führt.

Nachfolgend wird eine Kommutierung p→0 für i_o<0 behandelt.

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Hauptschalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Ausgangsstrom i_o fließt durch die Leistungshalbleiter (Schalter) T₁ und T₂. Die Span nung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind damit im Sperrzustand.

Der Leistungshalbleiter (Schalter) T_n-NPC muß vor dem Start der kapazitiven Kommu tierung aktiv eingeschalten werden, um während der Kommutierung eine korrekte Umladung der Entlastungskapazitäten C₁ und C₃ parallel zu den an der Kommutie rung beteiligten Hauptschaltern S₁ und S₃ zu gewährleisten. Da die Spannung über dem Kondensator C₄ gleich v_C4 = V_dc/2 ist, wird der Leistungshalbleiter (Schalter) T_n-NPC unter v_SnNPC = 0 und damit ZVS Bedingungen eingeschalten. Da der Schalter T₃ noch ausgeschalten und die Inversdiode D₃ noch im Sperrzustand ist, fließt durch den Schalter S_n-NPC kein Strom.

Die Kommutierung beginnt, wenn der Schalter T₁ aktiv ausgeschalten wird. Der Last strom i_o kommutiert jeweils zur Hälfte in die Entlastungskapazitäten C₁ und C₃, die umgeladen werden. Dabei sinkt die Spannung in C₃ linear ab, während sie in C₁ line ar ansteigt. Wie in Fig. 9 erkennbar, trägt der Schalter T_n-NPC nun die Hälfte des Laststromes i_SnNPC = i_o/2. Die andere Hälfte fließt über die positive Gleichspannungs schiene 2. Die Spannung über dem Kondensator C₄ bleibt wegen dem eingeschalte nen Schalter T_n-NPC konstant bei v_C4 = V_dc/2.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kondensator C₃ den Wert v_C3 = 0 erreicht hat und der Schalter S₃ mit der Diode D₃ unter ZVS Bedingung einschaltet. Jeweils die Hälfte des Laststromes wird nun von den Serienschaltungen T_n-NPC/D₃ und T₂/D_P-NPC getragen. Hier kann einer der beiden parallelen Zweige - der mit dem Schalter S_n-NPC - verlustarm, da bei v_SnNPC=0, aus geschalten werden, was zu einem Transfer des Laststromes i_o komplett zur positiven Entkopplungsdiode D_p-NPC führt (siehe Fig. 9). Damit ist die Kommutierung abge schlossen und der "0" Zustand erreicht. Die Schalter S₂ und S₃ sind eingeschalten und die Spannungen v_C1 und v_C4 betragen jeweils V_dc/2. Die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 werden für diese Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Last strom i_o fließt durch die Schalter T₁ und T₂. Die Spannung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind im Sperrzustand. Bevor die Kommutierung gestartet werden kann, muß der Schalter T_n-NPC einge schalten werden, um während der Kommutierung ein korrektes Umladen der Entla stungskapazitäten C₁ und C₃ parallel zu den an der Kommutierung beteiligten Haupt schaltern S₁ und S₃ zu gewährleisten. Da die Spannung über der Kapazität C₄ gleich v_C4 = V_dc/2 ist, wird der Schalter T_n-NPC bei v_SnNPC = 0 und damit unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Durch diesen Schalter fließt jedoch noch kein Strom, da T₃ ausge schalten ist und die Inversdiode D₃ wegen der Sperrspannung von V_dc/2 blockiert ist. Der Kommutierungsvorgang wird mit dem Einschalten von S_aux1 bei i_aux = 0 (ZCS) ge startet. Wegen der nun negativen Spannung über der Induktivität L_aux, v_Laux = -V_dc/4 kommt es zu einem negativen Stromanstieg i_aux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T₁ bzw. T₂, bestehend aus der Überlagerung des Laststromes i_o mit dem Strom i_aux, ei nen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Haupt schalter durch aktives Ausschalten von T₁ gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der ge wünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Nach dem Ausschalten von T₁ kommutiert der Umladestrom, bestehend aus einer Überlagerung von dem Laststrom i_o und dem Strom i_aux, in die Entlastungskapazitä ten (Kondensatoren) C₁ und C₃ und lädt diese um. Dabei wird der Kondensator C₁ nichtlinear geladen, während der Kondensator C₃ dementsprechend entladen wird. Der Schalter T_n-NPC trägt nun die Hälfte dieses Umladestromes (siehe Fig. 12). Die andere Hälfte wird über die positive Gleichspannungsschiene 2 geführt. Die Span nung über der Kapazität C₄ wird dabei durch den geschlossenen Schalter S_n-NPC konstant bei v_C4 = V_dc/2 gehalten.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über C₃ den Wert v_C3 = 0 erreicht hat und der Schalter S₃ unter ZVS Bedingungen eingeschalten wird. Der Laststrom i_o mit dem überlagerten Strom i_aux, der während der Kommutie rung jeweils zur Hälfte von der positiven Gleichspannungsschiene 2 und der Serien schaltung T_n-NPC und D₃ getragen wurde, kommutiert mit dem Einschalten von S₃ von der positiven Gleichspannungsschiene 2 auf die Serienschaltung S₂ und D_p-NPC. Wie auch in Fig. 12 zu erkennen ist, wird nun der Laststrom i_o mit dem überlagerten Strom i_aux zur Hälfte von der Serienschaltung von T_n-NPC und D₃ getragen, während die andere Hälfte von S₂ und der positiven Entkopplungsdiode D_P-NPC getragen wird. Eine positive Spannung von v_Laux = V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux im Hilfs zweig, was zu einem positiven Stromgradienten in i_aux führt. Wenn der Strom i_aux den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux1 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit fließt jetzt ein Strom in Höhe des Laststromes i_o durch die parallelen Zweige T_n-NPC/D₃ und S₂/D_p-NPC. Abschließend kann nun einer der beiden parallelen Zweige - der Zweig mit dem Schalter S_n-NPC - verlustarm, da bei v_SnNPC = 0, ausge schalten werden, was den Laststrom i_o komplett auf die positive Entkopplungsdiode D_p-NPC kommutieren läßt (siehe Fig. 12). Damit ist die gesamte Kommutierung been det und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung 0→n für i_o<0 behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₂ und S₅ geschlossen. Der Last strom i_o fließt durch T₂ und die positive Entkopplungsdiode D_p-NPC. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₄ ist jeweils v_C1 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₁ und D₄ sind damit gesperrt.

Die Kommutierung wird initiiert, indem der Schalter T₂ aktiv ausgeschalten wird. Da der Schalter S₃ eingeschalten ist, kommutiert der Laststrom i_o jeweils zur Hälfte in die Kondensatoren C₂ und C₄, wobei diese umgeladen werden. Dabei steigt die Span nung am Kondensator C₂ linear an, während die Spannung am Kondensator C₄ line ar fällt. Ein Umladen des Kondensators C₁ wird anforderungsgemäß durch die Ent kopplungsdiode D_P-NPC, die einen Pfad für den Umladestrom des Kondensators C₂ bereitstellt, verhindert. Damit bleiben die Spannungen über C₁ und C₃ jeweils bei v_C1 = V_dc/2 und v_C3 = 0. Die positive Entkopplungsdiode D_p-NPC und die negative Gleich spannungsschiene 4 tragen nun jeweils die Hälfte des Laststromes i_o (siehe Fig. 9). Die Kommutierung ist beendet, wenn die Spannung über C₄ den Wert v_C4 = 0 erreicht hat und der Schalter S₄ unter ZVS Bedingung eingeschalten wird. Der Laststrom i_o, der während der Kommutierung jeweils zur Hälfte von der Serienschaltung S₂ und positive Entkopplungsdiode D_p-NPC bzw. von der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wurde, kommutiert nun komplett auf die Inversdioden D₃ und D₄. Damit ist die Kommutierung beendet und der "n" Zustand mit einer Ausgangsspannung von v_o = -V_dc/2 wurde erreicht. Für diese Kommutierung ist ein aktives Einschalten des Schalters T_p-NPC zur Ladungssteuerung nicht erforderlich, da die positive Entkopp lungsdiode D_p-NPC einen Strompfad für die Umladung des Kondensators C₂ bereit stellt. Die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 werden für diese Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₂ und S₃ geschlossen. Der Last strom i_o fließt durch T₂ und die positive Entkopplungsdiode D_p-NPC. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₄ ist jeweils v_C1 = v_C4 = V_dc/2. Damit sind die Inversdioden D₁ und D₄ im Sperrzustand.

Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters S_aux2 bei i_aux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der damit verbundenen negativen Spannung über der Induktivität L_aux, v_Laux =-V_dc/4, kommt es zu einem negativen Stromanstieg i_aux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T₂, bestehend aus der Überlagerung von i_o und i_aux, einen be stimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch aktives Ausschalten von T₂ gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Da S₃ eingeschalten bleibt, kommutiert der Laststrom i_o mit dem überlagerten Strom i_aux nach dem Ausschalten von T₂ in die Kondensatoren C₂ und C₄ und lädt diese um. Dabei steigt die Spannung am Kondensator C₂ nichtlinear an, während die Spannung am Kondensator C₄ entsprechend fällt. Die positive Entkopplungsdiode D_p-NPC, die in dieser Kommutierung einen Pfad für den Umladestrom des Kondensators C₂ stellt (siehe Fig. 12) und damit ein Umladen von C₁ anforderungsgemäß verhindert, und die negative Gleichspannungsschiene 4 tragen nun jeweils die Hälfte des Laststro mes i_o mit dem überlagerten Strom i_aux. Die Spannungen über den Kondensatoren C₁ und C₃ bleiben damit jeweils konstant bei v_C1 = V_dc/2 und v_C3 = 0 (siehe Fig. 10). We gen der Steuerung der Ladungsverteilung der Entlastungskapazitäten mit der positi ven Entkopplungsdiode D_p-NPC ist für diese Kommutierung das aktive Einschalten des Schalters S_p-NPC mittels T_p-NPC nicht erforderlich.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kondensator C₄ den Wert v_C4 = 0 erreicht hat und der Schalter S₄ unter ZVS Bedin gungen eingeschalten wurde. Der Umladestrom, bestehend aus Laststrom i_o und Strom i_aux, kommutiert nun von der positiven Entlastungsdiode D_p-NPC, die während der Kommutierung die Hälfte dieses Umladestromes getragen hat, komplett auf die Inversdioden in S₃ und S₄. Eine positive Spannung von v_Laux = V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux im Hilfszweig, die zu einem positiven Stromgradienten in i_aux führt. Wenn der Strom i_aux den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux2 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "n" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung n→0 für i_O<0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₃ und S₄ eingeschalten. Der Last strom i_o fließt durch die Inversdioden D₃ und D₄. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₂ ist jeweils v_C1 = v_C2 = V_dc/2. Die Inversdioden D₁ und D₂ sind damit im Sperr zustand.

Bevor die Kommutierung gestartet werden kann, muβ der Schalter T_p-NPC aktiv ein geschalten werden, um während der Kommutierung eine korrekte Umladung der Entlastungskapazitäten der an der Kommutierung beteiligten Hauptschalter S₂ und S₄ zu gewährleisten. Da die Spannung über dem Kondensator C₁ gleich v_C1, = V_dc/2 ist, wird der Schalter T_p-NPC unter ZVS Bedingungen bei v_SpNPC = 0 geschlossen. Es fließt noch kein Strom durch diesen Schalter, da der Schalter T₂ noch ausgeschalten ist und die Inversdiode D₂ wegen v_C2 = V_dc/2 im Sperrzustand ist.

Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters S_aux2 bei i_aux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der positiven Spannung über der Induktivität L_aux, v_Laux = V_dc/4, kommt es zu einem positiven Stromanstieg i_aux im Hilfszweig. Wenn dieser Strom i_aux einen bestimmten Wert I_boost<0 mit I_boost = i_aux -i_o erreicht hat, wird die Kommutierung durch aktives Ausschalten von T₄ gestartet. Dieser Wert des Booststromes I_boost ist frei wählbar, muß aber einen Mindestwert besitzen, der ein vollständiges Umschwin gen der Spannung über dem Kondensator C₂ auf den Wert v_C2 = 0 auch bei einem verlustbehafteten, nicht idealen Aufbau garantiert. Da der Schalter S₃ eingeschalten ist, kommutiert die Differenz des Laststromes i_o und des Hilfsstromes i_aux in die Kon densatoren C₄ und C₂, was ein Entladen des Kondensators C₂ und ein Laden des Kondensators C₄ bewirkt. Der Schalter T_p-NPC trägt nun die Hälfte dieses resonanten Stromes, während die andere Hälfte von der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wird (siehe Fig. 9). Da der Umladestrom des Kondensators C₂ von dem Ladungssteuerungsschalter S_p-NPC getragen wird, bleibt die Spannung über C₁ kon stant bei v_C1 = V_dc/2 (siehe Fig. 6).

Wenn die Spannung des Kondensators C₂ den Wert v_C2 = 0 erreicht hat, wird der Schalter S₂ unter ZVS Bedingung eingeschalten. Damit werden die Kondensator spannungen von C₂ und C₄ nun auf v_C2 = 0 bzw. v_C4 = V_dc/2 gehalten (siehe Fig. 10) und die eine Hälfte des Umladestromes, bestehend aus der Differenz von Laststrom i_o und Strom i_aux, die von der negativen Gleichspannungsschiene getragen wurde, kommutiert nun kurzzeitig auf die negative Entkopplungsdiode D_n-NPC, während die andere Hälfte weiterhin durch den Schalter S₂ und den positiven Ladungssteue rungsschalter S_p-NPC fließt (siehe Fig. 9 bzw. Fig. 12). Eine negative Spannung von v_Laux = -V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux im Hilfszweig, die zu einem negativen Stromgradienten in i_aux führt. Wenn der Strom i_aux den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux2 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Abschließend kann der Schalter T_p-NPC unter ZVS Bedingung ausgeschalten werden, da die positive Ent kopplungsdiode D_P-NPC inzwischen den gesamten Laststrom i_o von der negativen Entkopplungsdiode D_n-NPC und dem Schalter T_p-NPC übernommen hat. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0" erreicht. Nachfolgend wird eine Kommutierung 0→p für i_o<0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Das Einschalten des Hilfsschalters S_aux1 bei i_aux = 0 (ZCS) startet die Kommutierung. Wegen der positiven Spannung von v_Laux = V_dc/4 über der Hilfsinduktivität L_aux ist ein positiver Stromanstieg bei dem Strom i_aux zu verzeichnen. Wenn der Strom i_aux einen Wert I_boost<0 mit I_boost = i_aux-i_o erreicht hat, wird die Kommutierung durch aktives Aus schalten von T₃ gestartet. Der minimale Booststrom I_boost wird wieder durch die Um schwingbedingung von v_C1≦ 0 bestimmt. Da der Schalter S₂ eingeschalten ist, kom mutiert die Differenz des Laststromes i_o und des Stromes i_aux in die Kondensatoren C₁ und C₃, was zu einem Laden des Kondensators C₃ und einem Entladen des Kon densators C₁ führt. Die negative Entkopplungsdiode D_n-NPC, die in diesem Fall einen Strompfad für die Umladung des Kondensators C₃ bei konstanter Spannung am Kondensator C₄ liefert, trägt die Hälfte dieses Umladestromes, während die andere Hälfte von der positiven Gleichspannungsschiene 2 getragen wird. Die Spannung über dem Kondensator C₄ bleibt damit konstant bei v_C4 = V_dc/2.

Wenn die Spannung über C₁ den Wert v_C1 = 0 erreicht hat, wird der Schalter S₁ unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Damit werden die Spannungen der Kondensatoren C₁ und C₃ nun auf v_C1 = 0 bzw. V_C3 = V_dc/2 (siehe Fig. 6) gehalten und der Stromfluß in Höhe der Hälfte des Umladestromes durch die negative Entkopplungsdiode D_n-NPC unterbrochen (siehe Fig. 9), was eine Kommutierung des Umladestromes komplett auf die Schalter S1 und S2 zur Folge hat. Eine negative Spannung v_Laux = -V_dc/4 liegt nun über dem Hilfszweig, die zu einem negativen Gradienten im Strom i_aux führt. Wenn der Strom i_aux den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux1 Unter ZCS Bedingungen ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "p" erreicht. Für diese Kommutierung ist ein akti ves Einschalten des negativen Ladungssteuerungsschalters S_n-NPC nicht erforderlich, da die Entkopplungsdiode D_n-NPC automatisch die korrekte Ladungssteuerung in den Entlastungskapazitäten vornimmt.

Die Kommutierungen für negative Ausgangsströme i_o<0 sind wegen der symmetri schen Struktur analog, jedoch sind jetzt die Transitionen p→0 und 0→n ARCP Kom mutierungen und die Transitionen n→0 und 0→p kapazitive bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen.

Für die Entscheidung, welcher der Hilfsschalter S_aux zur ARCP Kommutierung bzw. zur ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung aktiviert werden muß, ist die Stromrichtung des Ausgangsstromes i_o nicht bedeutend. Für ARCP Kommutierungen bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen von 0→p oder von p→0 ist im mer der Schalter S_aux1 zu aktivieren. Analog sind die ARCP Kommutierungen bzw. ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierungen in der unteren Stromrichterhälfte für 0→n bzw. von n→O nur mit dem Hilfsschalter S_aux2 durchzuführen.

Die Stromrichtung beeinflußt jedoch, ob der aktive Schalter im Ladungssteuerungs schalter aktiviert werden muß oder nicht. Das Kriterium ist das Vorhandensein eines Strompfades für den Umladestrom der Entlastungskondensatoren, die über den Hauptschaltern liegen, die eine Schalttransition ausführen, der nicht über die Entla stungskondensatoren führen darf, die parallel zu Hauptschaltern liegen, die nicht an der Kommutierung beteiligt sind. In 50% der Kommutierungsfälle ist ein Strompfad von den im Dreipunktstromrichter vorhandenen Entkopplungsdioden D_p-NPC und D_n-NPC gegeben. Da ein aktives Einschalten der Ladungssteuerungsschalter mittels T_p-NPC bzw. T_n-NPC zwar wirkungslos, jedoch nicht falsch ist, kann das beschriebene Ak tivierungskriterium unter Nichtbeachtung der Flußrichtung der Entkopplungsdioden als eine hinreichende Bedingung für den Betrieb des ARCP Stromrichters mit La dungssteuerungsschaltern angesehen werden.

Im folgenden soll nun die erweiterte Betriebsweise des Stromrichters beschrieben werden, die aufgrund der in Fig. 4 und 5 gezeigten Anordnungen direkte Kommutie rungen von p→n und n→p erlaubt. Für einen positiven Ausgangsstrom i_o<0 sind die Transitionen p→n kapazitive bzw. ARGP unterstützte kapazitive Kommutierungen, während die Transitionen n→p ARCP Kommutierungen sind. Die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2, sowie die Ladungssteuerungsschalter S_p-NPC und S_n-NPC, werden für die nachfolgend beschriebenen Kommutierungen nicht benötigt.

Nachfolgend wird eine Kommutierung p→n für i_o<0 behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Aus gangsstrom i_o fließt durch die Schalter T₁ und T₂. Die Spannung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind damit im Sperr zustand.

Die Kommutierung beginnt, wenn die Schalter T₁ und T₂ anforderungsgemäß ge meinsam aktiv ausgeschalten werden. Der Laststrom i_o kommutiert in die Entla stungskapazitäten C₁, C₂, C₃ und C₄, wobei die Kondensatoren C₁ und C₂ linear ge laden und die Kondensatoren C₃ und C₄ linear entladen werden. Die positive Gleich spannungsschiene 2 und die negative Gleichspannungsschiene 4 tragen dabei je weils die Hälfte des Laststromes i_o.

Die Kommutierung ist beendet, wenn die Spannungen über den Kondensatoren C₃ und C₄ den Wert v_C3 = v_C4 = 0 erreicht haben und die Schalter D₃ und D₄ unter ZVS Be dingung einschalten. Damit betragen die Spannungen v_C1 und v_C2 jeweils V_dc/2. Der Laststrom kommutiert komplett auf die Schalter S₃ und S₄. Damit ist die Kommutie rung abgeschlossen und der "n" Zustand erreicht. Der Hilfsschalter S_aux3 wird in die ser Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Last strom i_o fließt durch die Schalter T₁ und T₂. Die Spannung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind im Sperrzustand. Der Kommutierungsvorgang wird mit dem Einschalten von S_aux3 bei i_aux = 0 (ZCS) ge startet. Wegen der negativen Spannung v_Laux = -V_dc/2 über der Induktivität L_aux kommt es zu einem negativen Stromanstieg i_aux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T₁ bzw. T₂, bestehend aus dem Laststrom i_o und dem überlagerten Strom i_aux, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch gemeinsames Ausschalten von T₁ und T₂ gestartet. Die Stromstärke, bei der das Ab schalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der ge wünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Nach dem Ausschalten der beiden Hauptschalter T₁ und T₂ kommutiert der Last strom i_o mit dem überlagerten Hilfsstrom i_aux jeweils zur Hälfte in die Entlastungskon densatoren C₁ und C₂, bzw. C₃ und C₄. Dabei werden die Kondensatoren C₁ und C₂ nichtlinear geladen, während die Kondensatoren C₃ und C₄ dementsprechend entla den werden. Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannun gen über den Kondensatoren C₃ und C₄ die Werte v_C3 = v_C4 = 0 erreicht haben und die Schalter S₃ und S₄ unter ZVS Bedingungen eingeschalten werden. Der Laststrom kommutiert jetzt in die Schalter S₃ und S₄. Eine positive Spannung von v_Laux = V_dc/2 liegt damit über der Induktivität L_aux im Hilfszweig, die zu einem positiven Stromgra dienten im Strom i_aux führt. Wenn der Strom i_aux den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux3 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "n" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung n→p für i_o<0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₃ und S₄ geschlossen. Der Last strom fließt durch die lnversdioden D₃ und D₄. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₂ ist jeweils v_C1 = v_C2 = V_dc/2. Damit sind die Inversdioden D₁ und D₂ im Sperrzu stand.

Das Einschalten des Hilfsschalters S_aux3 bei i_aux = 0 (ZCS) startet die Kommutierung. Wegen der positiven Spannung von v_Laux = V_dc/2 über der Hilfsinduktivität L_aux ist ein positiver Stromanstieg bei dem Strom i_aux zu verzeichnen. Wenn der Strom i_aux einen Wert I_boost<0 mit I_boost = i_aux-i_oerreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch gleichzeitiges aktives Ausschalten von T₃ und T₄ gestartet. Der minimale Booststrom i_boost ist durch die Umschwingbedingung v_C1≈v_C2 ≦ 0 gegeben, die zur Realisierung des ZVS Verhaltens der Hauptschalter eingehalten werden muß. Die Differenz des Laststromes 10 und des Stromes i_aux kommutiert jeweils zur Hälfte in die Entlastungskondensatoren C₁ und C₂ bzw. C₃ und C₄, wobei die Kondensatoren C₁ und C₂ nichtlinear entladen werden, während die Kondensatoren C₃ und C₄ entspre griend geladen werden.

Wenn die Spannungen über C₁, und C₂ den Wert v_C1, = v_C2 = 0 erreicht haben, werden die Schalter S₁, und S₂ unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Da die Spannung der Kondensatoren C₃ und C₄ nun auf v_C3 = v_C4 = V_dc/2 gehalten wird, kommutiert der Last strom komplett auf die Schalter S₁ und S₂. Eine negative Spannung v_Laux = -V_dc/2 liegt nun über dem Hilfszweig, die zu einem negativen Gradienten des Stromes i_aux führt. Wenn der Strom den Wert i_aux = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux3 unter ZCS Be dingungen ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "p" erreicht.

Die Kommutierungen für negative Ausgangsströme i_o<0 sind wegen der symmetri schen Struktur analog, jedoch sind jetzt die Transitionen p→n ARCP Kommutierun gen und die Transitionen n-<p kapazitive bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kom mutierungen.

Im weiteren soll auf die Erweiterung der in Fig. 1 vorgestellten Topologie (Dreipunkt stromrichter) auf Mehrpunktstromrichter eingegangen werden.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter mit Entkopplungsdiode können gemäß den oben beschriebenen Erweiterungen zu einem ARCP Stromrichter mit Ladungssteue rungsschaltern modifiziert werden. Die in diesen Stromrichtern möglichen Kommutie rungen entsprechen den beschriebenen drei Kommutierungstypen - der ARCP Kommutierung, der kapazitiven Kommutierung und der ARCP unterstützten kapaziti ven Kommutierung.

Am Beispiel des im Fig. 6 gezeigten Fünfpunktstromrichters soll auf allgemeine Zu sammenhänge bezüglich der Kommutierungen in ARCP Mehrpunktstromrichtern mit Ladungssteuerungsschaltern hingewiesen werden. Obwohl in einem Fünfpunkt stromrichter in einem Zustand vier Hauptschalter, anstelle der zwei Hauptschalter im Dreipunktstromrichter, eingeschalten sind, erfolgen Kommutierungen zwischen einer Stromrichterebene und einer darunter oder darüber liegenden Ebene immer mit Hilfe zweier einzelner Hauptschalter. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich die für den Dreipunktstromrichter gemachten Angaben direkt übertragen und das Steuerproblem reduziert sich auf die Wahl der richtigen Hilfsschalter S_aux und Ladungssteuerungs schalter S_n-NPC bzw. S_p-NPC. Generell kann gesagt werden, daß bei einer ARCP Kommutierung bzw. einer ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung der Hilfs schalter S_aux genutzt werden muß, der bezüglich des Spannungspotentials an sei nem Anschlußpunkt zu den Gleichspannungskapazitäten genau in der Mitte der bei den Potentiale liegt, zwischen denen die Ausgangsspannung v_o kommutiert wird. So wird zum Beispiel bei der ARCP Kommutierung der Ausgangsspannung v_o von +V_dc/4 auf +V_dc/2 bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0, der Schalter S_aux1, der an einem Potential von +3/8 V_dc bezüglich des Stromrichtermittelpunktes liegt, in Reihe zur Resonanz-Induktivität L_aux geschalten:

Die Wahl der Ladungssteuerungsschalter, die an einer bestimmten Kommutierung beteiligt sind, erfolgt in der Art, daß nur die Entlastungskapazitäten während der Kommutierung umgeladen werden, deren parallel geschalteter Hauptschalter am Kommutierungsprozeß mit einer Schalttransition beteiligt ist. Der Kommutierungstyp ist dabei für die Wahl der Ladungssteuerungsschalter unerheblich.

In dem eben beschriebenen Beispiel der Kommutierung der Ausgangsspannung v_o von +V_dc/4 auf +V_dc/2 bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0 wären das die Schalter S₁ und S₅. Von dieser Kommutierung bleiben die geschlossenen Schalter S₂, S₃ und S₄ bzw. die offenen Schalter S₆, S₇ und S₈ unberührt. Mit Hilfe der La dungssteuerungsschalter sind Strompfade zu gewährleisten, die die Kapazitäten C₁ und C₅ umladen, ohne dabei die anderen Kapazitäten umzuladen. Dies ist in dem Fall zum einen durch die positive Gleichspannungsschiene 2 und zum anderen durch einen geschlossenen Schalter S_n-NPC1, gebildet durch D_n-NPC1 und T_n-NPC1, zu ge währleisten. Im Detail entspricht diese Kommutierung einer ARCP Kommutierung im Dreipunktstromrichter. In Abhängigkeit von der Richtung des Ausgangsstromes kann teilweise auch auf ein aktives Einschalten der Schalter T_n-NPC bzw. T_p-NPC verzichtet werden, da die Entlastungsdioden D_n-NPC bzw. D_p-NPC automatisch eine korrekte La dungssteuerung vornehmen.

Mit den unter Fig. 6 beschriebenen Modifikationen ist es somit möglich, daß Prinzip der ARCP Kommutierung mit Ladungssteuerungsschaltern auf Mehrpunktstromrich ter mit mehr als drei Punkten anzuwenden.

Claims

1. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S₁. . . S₈) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer ne gativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
- wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungs kapazität (C₁. . . C₈) angeordnet ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungs punkte (0, 1', 3') und Spannungsmittelpunkte (1, 3, 11, 12, 13, 14) verfügbar sind,
- wobei der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung mindestens einer Resonanz-Induktivität (L_aux, L_aux1, L_aux2) und unabhängig steuerba rer bidirektionaler Hilfsschalter (S_aux1 . . . S_aux4) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 9, 17, 19, 27, 49) der Entlastungskapazi täten (C₁. . . C₈), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bil den, über Ladungssteuerungsschalter (S_n-NPC, S_p-NPC, S_n-NPC1 . . . S_n-NPC3, S_p-NPC1 . . . S_p-NPC3) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten (0, 1', 3') der Stromrichterebenen verbunden sind (Fig. 1, 2, 4, 6).

2. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung lediglich einer einzigen Resonanz-Induktivität (L_aux) und mehrerer daran angeschlos sener unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (S_aux1...S_aux4) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist (Fig. 1, 6).

3. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzige Resonanz-Induktivität (L_aux) über einen weiteren unabhän gig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux3) mit dem Stromrichtermittelpunkt (0) verbunden ist (Fig. 4).

4. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) über getrennte Reihenschal tungen jeweils einer Resonanz-Induktivität (L_aux1, L_aux2) und einem unabhängig steu erbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux1, S_aux2) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3) der Stromrichterebeneri verbunden ist (Fig. 2).

5. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S₁. . . S₄) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer ne gativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
- wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungs kapazität (C₁. . . C₄) angeordnet ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungs punkte und Spannungsmittelpunkte (1, 3) verfügbar sind,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 9) der Entlastungskapazitäten (C₁. . . C₄), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Rei henschaltungen einer Resonanz-Induktivität (L_aux1, L_aux2) und unabhängig steuerba rer bidirektionaler Hilfsschalter (S_aux1, S_aux2) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3) der Stromrichterebenen verbunden sind,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 9) der Entlastungskapazitäten (C₁. . . C₄), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über La dungssteuerungsschalter (S_n-NPC, S_p-NPC) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten der Stromrichterebenen verbunden sind (Fig. 3).

6. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) zusätzlich über eine Reihen schaltung einer Resonanz-Induktivität (L_aux3) und einen unabhängig steuerbaren bidi rektionalen Hilfsschalter (S_aux3) mit dem Stromrichtermittelpunkt (0) verbunden ist (Fig. 5).