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Die Erfindung betrifft einen Schaltungszweig eines Stromrichters und einen dreiphasigen Stromrichter.
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Hintergrund der Erfindung
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Stromrichtergeräte, wie Gleichrichter oder Wechselrichter, werden zur Umwandlung von elektrischer Energie verwendet, wenn elektrische Energie zum Beispiel zwischen zwei elektrischen Systemen übertragen wird. Zum Beispiel die Spannung und/oder Frequenz der zu übertragenden elektrischen Energie können anhand von Stromrichtergeräten geändert werden.
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Dreistufige Stromrichter sind Stromrichter mit drei Gleichspannungspolen. Neben einem positiven und einem negativen Gleichspannungspol besitzen sie einen neutralen Gleichspannungspol. Beispiele für dreistufige Stromrichter sind in den Veröffentlichungen
Y. Zhao, Y. Li und T. A. Lipo, "Force commutated three level boost type rectifier", IEEE transactions an industry applications, Vol. 31, No. 1, January/February 1995, sowie
J. W. Kolar und F. C. Zach, "A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules", IEEE transactions an industrial electronics, Vol. 44, No. 4, August 1997, dargestellt.
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1 zeigt ein Beispiel für einen Hauptkreis eines dreiphasigen dreistufigen Stromrichters. Der Stromrichter des Beispiels ist ein ANPC-Stromrichter (Active Neutral Point Clamped), der drei Schaltungszweige aufweist, die je einen Wechselpannungspol ACa, ACb, ACc haben. Gleichspannungspole gibt es wiederum drei: einen positiven Gleichspannungspol dc+, einen negativen Gleichspannungspol dc– und einen neutralen Gleichspannungspol NP. Der Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters umfasst seinerseits Kondensatoren C1 und C2, die zwischen dem positiven Gleichspannungspol dc+ und dem negativen Gleichspannungspol dc– derart in Serie geschaltet sind, dass der neutrale Gleichspannungspol NP an dem Anschlusspunkt der Kondensatoren gebildet wird. Jeder Schaltungszweig des Stromrichters weist weiterhin sechs Dioden Dx1 bis Dx6 und sechs steuerbare Schalter Tx1 bis Tx6 auf.
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2 zeigt einen Schaltungszweig des dreiphasigen dreistufigen Stromrichters der 1. Der Schaltungszweig kann anhand von Halbleitermodulen M15, M23, M46 ausgeführt werden, die im Beispiel der 2 zum Beispiel IGBT-Paare (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder entsprechende Halbleiter sind.
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Da die Stromdauer der Halbleiter ein beschränkender Faktor wird, müssen sie zur Erhöhung der gesamten Stromdauer parallel geschaltet werden. In einer typischen Parallelschaltung werden funktionelle Halbleiter starr miteinander verbunden, wobei man annehmen kann, dass sich der ausgebildete Komplex wie ein Halbleiter mit größerem Strom verhält. 3 zeigt eine starre Parallelschaltung der Ausgangsphasen von drei IGBT-Paaren.
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Ein Problem einer starren Parallelschaltung kann die Stromverteilung der Halbleiter sein. Die Stromverteilung sollte möglichst gleichmäßig sein, so dass die Lebensdauer des Systems nicht unnötig verkürzen würde und dass die auf Symmetrie basierten Diagnostikfunktionen den jeweiligen Zustand der Vorrichtung möglichst genau bestimmen könnten. Die Stromverteilung wird von der Schaltung, dem Timing und der Größe von Steuersignalen der Halbleiter, der Leitfähigkeit der Halbleiterteile, den Schwellenspannungen der Halbleiteranschlüsse sowie den eventuellen Impedanzunterschieden des Stromweges beeinflusst.
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Wenn man den Nennstrom des Stromrichters erhöhen will, kann zwei oder mehr IGBT-Paare gemäß 3 parallel geschaltet werden, um ein funktionales Paar mit größerer Stromdauer bereitzustellen. Jedes Paar der 2 könnte im Prinzip eine gemäß 3 ausgeführte Parallelschaltung von drei sein. Wenn solche Paare zu einem Schaltungszweig eines ANPC-Stromrichters gebildet werden, wird es anspruchsvoll, die M15- und M46-Halbleitermodule mit dem M23-Halbleitermodul zu verbinden. Dies wird in 4 veranschaulicht. Wie in 4 gezeigt wird, werden zwischen verschiedenen Modulen vollkommen unterschiedliche Stromwege wegen physischer Entfernungen und Anschlussschienen der Module gebildet. Die Schaltung der 4 weist auch das Problem auf, dass wegen Schaltverzögerungen der Strom von allen drei parallelen Paaren in einer anderen Parallelschaltung nur über ein Paar fließen kann (zum Beispiel der gesamte Strom von M23.1 + M23.2 + M23.3 fließt über M15.3). In solchen Fällen wird der Betrieb der Vorrichtung gestört oder die Vorrichtung kann sogar zerstört werden. Es ist sehr schwierig, mit der Anordnung der 4 die Anschlussschienen symmetrisch und leicht montierbar zu gestalten, und trotzdem wird mit der Anordnung keine von Schaltverzögerungen eventuell verursachte totale Schieflast beseitigt.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage derart zu entwickeln, dass das oben erwähnte Problem gelöst oder wenigstens gemildert werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Schaltungszweig eines Stromrichters und mit einem dreiphasigen Stromrichter gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, was in den unabhängigen Schutzansprüchen gesagt wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Die Erfindung basiert darauf, dass jede mit einer zweiten Halbleitergruppe in Serie geschaltete Halbleitergruppe nur mit einer einzigen zweiten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass der Strom in allen Situationen gleichmäßig unter parallelen Zweigen verteilt werden kann und eine totale Schieflast nicht so leicht wie in einer starren Parallelschaltung vorkommt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird jetzt in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen ausführlicher beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
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1 ein Beispiel für einen Hauptkreis eines dreiphasigen dreistufigen Stromrichters zeigt;
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2 ein Beispiel für einen Schaltungszweig eines dreistufigen Stromrichters zeigt;
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3 ein Beispiel für eine starre Parallelschaltung von Halbleitern zeigt;
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4 ein Beispiel für einen Schaltungszweig eines dreistufigen Stromrichters zeigt, welcher Schaltungszweig parallel geschaltete Halbleiter aufweist;
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5 ein Beispiel für einen Schaltungszweig eines dreistufigen Stromrichters zeigt, welcher Schaltungszweig parallel geschaltete Halbleiter aufweist;
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6 ein Beispiel für einen Hauptkreis eines dreiphasigen dreistufigen Stromrichters zeigt; und
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7 ein Beispiel für einen Schaltungszweig eines dreistufigen Stromrichters zeigt, welcher Schaltungszweig parallel geschaltete Halbleiter aufweist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Das Anwenden der Erfindung ist auf kein bestimmtes System beschränkt, sondern die Erfindung kann in Verbindung mit verschiedenen elektrischen Systemen angewandt werden. Ausserdem ist die Anwendung der Erfindung auf keine eine bestimmte Grundfrequenz ausnutzenden Systeme oder auf keinen bestimmten Spannungspegel beschränkt. Weiterhin kann die Erfindung zum Beispiel auf einen zweistufigen Stromrichter oder einen dreistufigen (oder im Allgemeinen mehrstufigen) Stromrichter angewandt werden.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Schaltungszweig eines Stromrichters zumindest zwei erste, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen und zumindest zwei zweite, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen, so dass die ersten Halbleitergruppen mit den zweiten Halbleitergruppen zwischen einem oder mehr Gleichspannungspolen und einem Wechselspannungspol des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind und dass jede erste Halbleitergruppe mit nur einer zweiten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist und jede zweite Halbleitergruppe mit nur einer ersten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist. Die besagten zumindest zwei ersten Halbleitergruppen sind vorteilhaft einander ähnlich und die besagten zumindest zwei zweiten Halbleitergruppen sind vorteilhaft einander ähnlich. Die Halbleiter können zum Beispiel Halbleiterschalter, wie IGBT, und Dioden oder andere Halbleiter sein.
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5 zeigt ein Beispiel für einen Schaltungszweig eines dreistufigen Stromrichters. Es ist zu bemerken, dass in der Figur nur für das Verstehen der Erfindung wesentliche Elemente gezeigt werden. Der Schaltungszweig der 5 entspricht dem Schaltungszweig der 2, aber bei dem Schaltungszweig der 5 ist jedes Halbleiterschalterpaar des Schaltungszweigs der 2 als Parallelschaltung von drei Paaren ausgeführt worden. Der Schaltungszweig der 5 umfasst drei erste Halbleitergruppen M15.1, M15.2, M15.3 und drei zweite Halbleitergruppen M23.1, M23.2, M23.3, die zwischen Gleichspannungspolen dc+ und NP und einem Wechselspannungspol AC des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind. Jede erste Halbleitergruppe M15.1, M15.2, M15.3 ist nur mit einer zweiten Halbleitergruppe M23.1, M23.2, M23.3 in Serie geschaltet und jede zweite Halbleitergruppe ist nur mit einer ersten Halbleitergruppe in Serie geschaltet.
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Nach einer Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig zumindest zwei dritte, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen, wobei die dritten Halbleitergruppen mit den zweiten Halbleitergruppen zwischen einem oder mehr Gleichspannungspolen und dem Wechselspannungspol des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede dritte Halbleitergruppe nur mit einer zweiten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist und jede zweite Halbleitergruppe nur mit einer dritten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist. Die besagten zumindest zwei dritten Halbleitergruppen sind vorteilhaft einander ähnlich. Nach dieser Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig der 5 weiterhin drei dritte Halbleitergruppen M46.1, M46.2, M46.3, die mit den zweiten Halbleitergruppen M23.1, M23.2, M23.3 zwischen Gleichspannungspolen dc– und NP und dem Wechselspannungspol AC des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede dritte Halbleitergruppe M46.1, M46.2, M46.3 nur mit einer zweiten Halbleitergruppe M23.1, M23.2, M23.3 in Serie geschaltet ist und jede zweite Halbleitergruppe nur mit einer dritten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist.
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Nach einer Ausführungsform umfassen die besagten zumindest zwei ersten Halbleitergruppen, die besagten zumindest zwei zweiten Halbleitergruppen und die besagten zumindest zwei dritten Halbleitergruppen je ein Halbleitermodul. Im Beispiel der 5 besteht jede Halbleitergruppe M15.1, M15.2, M15.3, M23.1, M23.2, M23.3, M46.1, M46.2, M46.3 vorteilhaft aus einem Halbleitermodul, das zum Beispiel zwei Halbleiterschalter und zwei Dioden aufweist. Die Konstruktion eines Halbleitermoduls kann je nach der Schaltung des Stromrichters variieren. Mit einem Halbleitermodul wird in diesem Zusammenhang allgemein ein Modul gemeint, das mehrere Halbleiterelemente aufweist, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und auf geeignete Weise miteinander elektrisch verbunden sind.
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6 zeigt ein Beispiel für einen Hauptkreis eines dreiphasigen dreistufigen Stromrichters. Der Stromrichter des Beispiels ist ein NPP-Stromrichter (Neutral Point Piloted). Der Stromrichter der 6 weicht vom Stromrichter der 1 darin ab, dass anstatt der Schalter Tx5 und Tx6 und Dioden Dx5 und Dx6 jeder Schaltungszweig des Stromrichters der 6 zwischen dem neutralen Gleichspannungspol NP und dem Wechselspannungspol Aca, ACb, ACc in Serie geschaltete Halbleiterschalter Tx7 und Tx8 sowie Dioden Dx7 und Dx8 aufweist.
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7 zeigt ein Beispiel für einen Schaltungszweig des dreistufigen Stromrichters der 6, bei dem jede aus einem Halbleiterschalter und einer Diode bestehende Halbleitergruppe verdoppelt ist. Der Schaltungszweig der 7 umfasst zwei erste Halbleitergruppen G1.1, G1.2 und zwei zweite Halbleitergruppen G2.1, G2.2, die zwischen dem positiven Gleichspannungspol dc+ und dem Wechselspannungspol AC des Spannungszweigs in Serie geschaltet sind. Jede erste Halbleitergruppe G1.1, G1.2 ist nur mit einer zweiten Halbleitergruppe G2.1, G2.2 in Serie geschaltet und jede zweite Halbleitergruppe ist nur mit einer ersten Halbleitergruppe in Serie geschaltet.
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Nach einer Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig zumindest zwei dritte, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen und zumindest zwei vierte, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen, wobei die dritten Halbleitergruppen mit den vierten Halbleitergruppen zwischen einem oder mehr Gieichspannungspolen und dem Wechselspannungspol des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede dritte Halbleitergruppe nur mit einer vierten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist und jede vierte Halbleitergruppe nur mit einer dritten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist. Vorteilhaft sind die besagten zumindest zwei dritten Halbleitergruppen einander ähnlich und die besagten zumindest zwei vierten Halbleitergruppen sind einander ähnlich. Nach dieser Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig der 7 weiterhin zwei dritte Halbleitergruppen G3.1, G3.2 und zwei vierte Halbleitergruppen G4.1, G4.2, die zwischen dem negativen Gleichspannungspol dc– und dem Wechselspannungspol AC des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede dritte Halbleitergruppe G3.1, G3.2 nur mit einer vierten Halbleitergruppe G4.1, G4.2 in Serie geschaltet ist und jede vierte Halbleitergruppe nur mit einer dritten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist.
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Nach einer Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig zumindest zwei fünfte, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen und zumindest zwei sechste, einen oder mehr Halbleiter aufweisende Halbleitergruppen, wobei die fünften Halbleitergruppen mit den sechsten Halbleitergruppen zwischen einem oder mehr Gleichspannungspolen und dem Wechselspannungspol des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede fünfte Halbleitergruppe nur mit einer sechsten Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist und jede sechste Halbleitergruppe nur mit einer fünften Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist. Vorteilhaft sind die besagten zumindest zwei fünften Halbleitergruppen einander ähnlich und die besagten zumindest zwei sechsten Halbleitergruppen sind einander ähnlich. Nach dieser Ausführungsform umfasst der Schaltungszweig der 7 weiterhin zwei fünfte Halbleitergruppen G5.1, G5.2 und zwei sechste Halbleitergruppen G6.1, G6.2, die zwischen dem neutralen Gleichspannungspol NP und dem Wechselspannungspol AC des Schaltungszweigs in Serie geschaltet sind, so dass jede fünfte Halbleitergruppe G5.1, G5.2 nur mit einer sechsten Halbleitergruppe G6.1, G6.2 in Serie geschaltet ist und jede sechste Halbleitergruppe nur mit einer fünften Halbleitergruppe in Serie geschaltet ist.
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Nach einer Ausführungsform kann ein dreiphasiger Stromrichter derart ausgeführt werden, dass drei oben beschriebene Schaltungszweige nach einer Ausführungsform miteinander geschaltet werden, vorteilhaft derart, dass die positiven Gleichspannungspole jedes Schaltungszweigs miteinander, die negativen Gleichspannungspole miteinander und die neutralen Gleichspannungspole miteinander verbunden werden.
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Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass, wenn die Technologie Fortschritte macht, der Grundgedanke der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Y. Zhao, Y. Li und T. A. Lipo, ”Force commutated three level boost type rectifier”, IEEE transactions an industry applications, Vol. 31, No. 1, January/February 1995 [0003]
- J. W. Kolar und F. C. Zach, ”A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules”, IEEE transactions an industrial electronics, Vol. 44, No. 4, August 1997 [0003]
