DE202016106881U1

DE202016106881U1 - Mehrstufenumrichter mit unipolaren und bipolaren steuerbaren Schaltelementen

Info

Publication number: DE202016106881U1
Application number: DE202016106881.9U
Authority: DE
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2026-12-10

Abstract

Umrichter, der aufweist: einen ersten Versorgungspotenzialanschluss (11) und einen zweiten Versorgungspotenzialanschluss (12); einen Ausgangsanschluss (13); eine erste Reihenschaltung mit einem bipolaren ersten Halbleiterschaltelement (21) und einem unipolaren zweiten Halbleiterschaltelement (31), die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind; eine zweite Reihenschaltung mit einem unipolaren dritten Halbleiterschaltelement (22) und einem bipolaren vierten Halbleiterschaltelement (32), die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind; wobei die erste Reihenschaltung zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss (11) und den Ausgangsanschluss (13) geschaltet ist; und wobei die zweite Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschluss (13) und den zweiten Versorgungspotenzialanschluss (12) geschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrstufenumrichter (Multi-Level Converter) mit Halbleiterschaltelementen.
Mehrstufenumrichter dienen dazu, aus einer Eingangsspannung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungspotenzialanschluss anliegt, mehr als zwei unterschiedliche elektrische Potenziale an einem Ausgangsanschluss, an den eine elektrische Last anschließbar ist, zur Verfügung zu stellen. Über die zeitliche Abfolge, mit der die einzelnen elektrischen Potenziale an den Ausgangsanschluss angelegt werden, lässt sich beispielsweise ein Stromfluss durch eine an die Ausgangsklemme angeschlossene Last einstellen. Derartige Mehrstufenumrichter gibt es in verschiedenen Topologien. Beispiele sind Mehrstufenumrichter mit Neutralpunkt- oder Nullpunktklemmung (NPC, Neutral Point Clamping) oder Mehrstufenumrichter mit wenigstens einem fliegenden Kondensator (FLC, Flying Capacitor). Mehrstufenumrichter sind beispielsweise beschrieben in D. Floricau et al.: "The Efficiency of Three-level Active NPC Converter for Different PWM Strategies", Power Electronics and Applications, 2009, EPE ’09, 13th European Conference on. IEEE 2009.
Unabhängig von der konkreten Topologie umfassen solche Mehrstufenumrichter eine erste Reihenschaltung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltelementen, die zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet ist, und eine zweite Reihenschaltung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltelementen, die zwischen den Ausgangsanschluss und den zweiten Versorgungspotenzialanschluss geschaltet ist. Zur Erzeugung wenigstens eines Zwischenpotenzials, das zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungspotenzial liegt, ist bei solchen Mehrstufenumrichtern eine Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung vorhanden, die an einen Schaltungsknoten zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten oder der zweiten Reihenschaltung angeschlossen ist.
Als Halbleiterschaltelemente werden in Umrichtern üblicherweise identische Bauelemente eingesetzt, zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs aus Silizium. Allerdings treten beim Betrieb derartiger Umrichter hohe elektrische Verluste auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Mehrstufenumrichter bereitzustellen, der mit geringen elektrischen Verlusten betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen Mehrstufenumrichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein solcher Mehrstufenumrichter weist einen ersten Versorgungspotenzialanschluss, einen zweiten Versorgungspotenzialanschluss und einen Ausgangsanschluss auf, sowie eine erste Reihenschaltung und eine zweite Reihenschaltung. Die erste Reihenschaltung enthält ein bipolares erstes Halbleiterschaltelement und ein unipolares zweites Halbleiterschaltelement, die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind. Entsprechend enthält die zweite Reihenschaltung ein unipolares drittes Halbleiterschaltelement und ein bipolares viertes Halbleiterschaltelement, die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet. Die erste Reihenschaltung ist zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet, und die zweite Reihenschaltung ist zwischen den Ausgangsanschluss und den zweiten Versorgungspotenzialanschluss geschaltet.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten dargestellt sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten bzw. gleiche Signale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines Mehrstufenumrichters mit einer ersten Reihenschaltung und einer zweiten Reihenschaltung, die zwischen zwei Versorgungspotenzialanschlüssen in Reihe geschaltet sind, wobei die ersten Reihenschaltung die zweite Reihenschaltung jeweils ein unipolares und ein bipolares Halbleiterschaltelement aufweisen.
2 veranschaulicht ein Beispiel eines NPC-3-Stufen-Umrichters, bei dem die Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung zwei Dioden aufweist.
3 veranschaulicht verschiedene Betriebszustände eines NPC-3-Stufen-Umrichters.
4 veranschaulicht ein Beispiel eines NPC-3-Stufen-Umrichters, der sich von dem NPC-3-Stufen-Umrichter gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass die Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung steuerbare Halbleiterschaltelemente aufweist.
5 veranschaulicht ein Beispiel eines NPC-3-Stufen-Umrichters, der sich von dem NPC-3-Stufen-Umrichter gemäß 4 dadurch unterscheidet, dass die unipolaren Halbleiterschaltelemente der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung als MOSFETs ausgebildet sind, zu deren Laststrecken jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist.
6 veranschaulicht ein Beispiel eines NPC-3-Stufen-Umrichters, der sich von dem NPC-3-Stufen-Umrichter gemäß den 4 und 5 dadurch unterscheidet, dass die unipolaren Halbleiterschaltelemente der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung als JFETs ausgebildet sind.
7 veranschaulicht die Funktionsweise eines Umrichters gemäß den 4 bis 6 während verschiedener Betriebsphasen.
1 veranschaulicht anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes ein erstes Beispiel eines beispielhaft als 3-Level-Umrichter ausgebildeten Mehrstufenumrichters. Dieser Umrichter umfasst einen ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 und einen zweiten Versorgungspotenzialanschluss 12 zum Anlegen einer Eingangsspannung bzw. Versorgungsspannung Vin. Diese Versorgungsspannung Vin kann durch eine beliebige Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden, wie z.B. eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, oder durch einen Spannungswandler, der dazu ausgebildet ist, die Eingangsspannung Vin (z.B. als Zwischenkreisspannung) aus einer anderen Spannung zu erzeugen.
Der Umrichter umfasst außerdem einen Ausgang 13 zum Anschließen einer Last Z, eine erste Reihenschaltung mit wenigstens zwei steuerbaren Halbleiterschaltelementen 21, 31, die zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 und den Ausgangsanschluss 13 geschaltet ist, und eine zweite Reihenschaltung mit wenigstens zwei steuerbaren Halbleiterschaltelementen 22, 32, die zwischen den zweiten Versorgungspotenzialanschluss 12 und den Ausgangsanschluss 13 geschaltet ist. Bei dem dargestellten Beispiel umfassen die Reihenschaltungen jeweils zwei Halbleiterschaltelemente, nämlich ein erstes Halbleiterschaltelement 21 und ein zweites Halbleiterschaltelement 31 in der ersten Reihenschaltung und ein drittes Halbleiterschaltelement 22 und ein viertes Halbleiterschaltelement 32 in der zweiten Reihenschaltung. Erfindungsgemäß sind das erste Halbleiterschaltelement 21 und das dritte Halbleiterschaltelement 22 jeweils als bipolares Halbleiterschaltelement ausgebildet, und das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32 sind jeweils als unipolares Halbleiterschaltelement ausgebildet. Sie weisen geringe Schaltenergien auf und können daher auch bei hohen Schaltfrequenzen mit geringen elektrischen Verlusten betrieben werden.
Die Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32 können, unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander, als selbstleitende Bauelemente oder als selbstsperrende Bauelemente ausgebildet sein. Des Weiteren können die Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32, unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander sowie unabhängig davon, ob sie als selbstleitendes oder als selbstsperrendes Bauelement ausgebildet sind, als n-Kanal Bauelemente oder als p-Kanal-Bauelemente ausgebildet sein. Außerdem können die Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32, unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander sowie unabhängig davon, ob sie als selbstleitende oder als selbstsperrende Bauelemente ausgebildet sind und unabhängig davon, ob sie als n-Kanal Bauelemente oder als p-Kanal-Bauelemente ausgebildet sind, auf beliebigen Halbleitergrundmaterialien oder Kombinationen von Halbleitergrundmaterialien basieren. Als Halbleitergrundmaterial wird dabei jeweils ein monokristallines oder im Wesentlichen monokristallines Halbleitergrundmaterial verstanden. Ein im Wesentlichen monokristallines Halbleitergrundmaterial ist ein Halbleitergrundmaterial, das im Vergleich zu einem idealen monokristallinen Halbleitergrundmaterial Gitterfehler im Gitter des Halbleitergrundmaterials enthält, wie sie in der Praxis unvermeidlich sind. Von einem „im Wesentlichen monokristallinen Halbleitergrundmaterial zu unterscheiden ist ein polykristallines Halbleitermaterial. Des Weiteren können zur Erzeugung von p- und/oder n-dotierten Halbleitergebieten elektrisch aktive Dotierstoffe in die Gitterstruktur des monokristallinen oder im Wesentlichen monokristallinen Halbleitergrundmaterials eingebaut sein. Die elektrisch aktiven Dotierstoffe sind dabei nicht als Gitterfehler anzusehen.
Bei einem Halbleiterschaltelement, das auf einem Halbleitergrundmaterial basiert, durchfließt der Laststrom das Halbleitergrundmaterial. Beispiele für geeignete Halbleitergrundmaterialien sind Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), aber auch andere Halbleitermaterialen. Ein Halbleiterschaltelement kann aber auch auf zwei aneinander angrenzenden Halbleitergrundmaterialien basieren, in deren Übergangsbereich (auch als „Heteroübergang“ bezeichnet) ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) ausgebildet ist. Bei einem solchen Halbleiterschaltelement fließt der Laststrom in dem Übergangsbereich, d.h. in der Schicht des zweidimensionalen Elektronengases. Solche Halbleiterschaltelemente sind auch als Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder HEMTs (HEMT = High Electron Mobility Transistor) bekannt. Geeignete Materialkombinationen solcher aneinander angrenzender Halbleitergrundmaterialien sind zum Beispiel Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), oder Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumindiumnitrid (AlInN), aber auch beliebige andere Materialkombinationen, mit denen sich ein 2DEG erzeugen lässt.
Bei dem Umrichter gemäß 1 sind das erste Halbleiterschaltelement 21 und das dritte Halbleiterschaltelement 22 lediglich beispielhaft jeweils als IGBT (Insulated Gate Field Effect Transistor) ausgebildet, und das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32 sind, ebenfalls lediglich beispielhaft, jeweils als MOSFET ausgebildet, und die Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32 jeweils als selbstsperrendes Halbleiterbauelement (hier als selbstsperrender Transistor) ausgebildet.
Die Halbleiterschaltelemente bzw. Transistoren weisen jeweils einen Steueranschluss auf, sowie zwei Laststreckenanschlüsse, zwischen denen eine Laststrecke des Halbleiterbauelements ausgebildet ist, also eine Strecke, die durch (mindestens) ein Halbleitermaterial des Halbleiterschaltelements führt. Bei den beiden Laststreckenanschlüssen kann es sich, je nach Art des Halbleiterschaltelements, zum Beispiel um einen Source- und einen Drainanschluss handeln, oder einen Emitter- und einen Kollektoranschluss, oder einen Kathoden- und einen Anodenanschluss. Bei dem Steueranschluss kann es sich jeweils um einen Gateanschluss oder einen Basisanschluss handeln. Indem einem Steueranschluss eines Halbleiterbauelements ein geeignetes Ansteuersignal (zum Beispiel eine Ansteuerspannung) zugeführt wird, kann die Laststrecke des Halbleiterbauelements gezielt in einen elektrisch leitenden oder elektrisch sperrenden Zustand versetzt werden.
Die Laststrecken der Halbleiterschaltelemente 21 und 31 der ersten Reihenschaltung sind zueinander in Reihe geschaltet, und die Laststrecken der Halbleiterschaltelemente 22 und 32 der zweiten Reihenschaltung sind zueinander in Reihe geschaltet. Außerdem sind die Laststrecken der Halbleiterschaltelemente 21, 31, 32 und 22 – in der genannten Reihenfolge – zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 und den zweiten Versorgungspotenzialanschluss 12 in Reihe geschaltet.
Der Umrichter weist außerdem eine Ansteuerschaltung 50 auf, die an die Steueranschlüsse der einzelnen Halbleiterschaltelemente 21, 31, 22, 32 angeschlossen ist und die dazu ausgebildet ist, für jedes der Halbleiterschaltelemente 21, 31, 22, 32 ein Ansteuersignal S21, S31, S22 bzw. S32 zu erzeugen und dieses dem Steueranschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelements 21, 31, 22 bzw. 32 zuzuführen.
Von der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung weist jede einen Schaltungsknoten auf, der sich zwischen den Laststrecken von jeweils zwei Halbleiterschaltelementen der betreffenden Reihenschaltung befindet. Bei dem Beispiel gemäß 1 befindet sich ein erster Schaltungsknoten 61 zwischen den Laststrecken des ersten Halbleiterschaltelements 21 und des zweiten Halbleiterschaltelements 31, und ein zweiter Schaltungsknoten 62 befindet sich zwischen den Laststrecken des dritten Halbleiterschaltelements 22 und des vierten Halbleiterschaltelements 32. An diese Schaltungsknoten 61, 62 ist eine Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung 40 angeschlossen, die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Zwischenpotenzial zu erzeugen, das zwischen dem an dem ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 anliegenden ersten Versorgungspotenzial U1 und dem an dem zweiten Versorgungspotenzialanschluss 12 anliegenden zweiten Versorgungspotenzial U2 liegt.
Während eines Normalbetriebs dient der Umrichter dazu, nach Maßgabe der Ansteuersignale S21, S22, S31 und S32 von den ersten und zweiten Versorgungspotenzialen U1, U2 und dem zumindest einem Zwischenpotenzial eines auf den Ausgangsanschluss 13 des Umrichters aufzuschalten, so dass am Ausgangsanschluss 13 jeweils eines der folgenden Potenziale anliegt: das erste Versorgungspotenzial U1, wenn das erste und zweite Halbleiterschaltelement 21, 31 jeweils leitet und wenn das dritte und vierte Halbleiterschaltelement 22, 32 jeweils sperrt; das Potenzial des ersten Schaltungsknotens 61, wenn das zweite Halbleiterschaltelement 31 leitet und wenn das erste, dritte und vierte Halbleiterschaltelement 21, 22 und 32 jeweils sperrt; das zweite Versorgungspotenzial U2, wenn das dritte und vierte Halbleiterschaltelement 22, 32 jeweils leitet und wenn das erste und zweite Halbleiterschaltelement 21, 31 jeweils sperrt; und das Potenzial des zweiten Schaltungsknotens 62, wenn das vierte Halbleiterschaltelement 32 leitet und das erste, zweite und dritte Halbleiterschaltelement 21, 31, 22 jeweils sperrt.
Außer dem zuvor erläuterten Normalbetrieb kann der Umrichter auch in einer weiteren Betriebsart betrieben werden, die nachfolgend als Rückstrombetrieb bezeichnet wird. Im Rückstrombetrieb wird ein elektrischer Strom vom Ausgangsanschluss 13 an einen der Versorgungspotenzialanschlüsse 11, 12 zurückgespeist. Um einen solchen Rückstrombetrieb zu ermöglichen, sind parallel zu den einzelnen Halbleiterschaltelementen Freilaufelemente bzw. Freilaufdioden 23, 24, 33, 34 geschaltet. Diese Freilaufelemente sind in dem dargestellten Beispiel so gepolt, dass ein Stromfluss von dem Ausgangsanschluss 13 an den ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 möglich ist, wenn das elektrische Potenzial an dem Ausgangsanschluss 13 über den Wert des elektrischen Potenzials an dem ersten Versorgungspotenzialanschluss 11 ansteigt, und dass ein Stromfluss zwischen dem Ausgangsanschluss 13 und dem zweiten Versorgungspotenzialanschluss 12 möglich ist, wenn das elektrische Potenzial an dem Ausgangsanschluss 13 unter den Wert des elektrischen Potenzials an dem zweiten Versorgungsanschluss 12 absinkt. Ein solches Freilaufelement 23, 24, 33, 34 kann jeweils als von dem Halbleiterschaltelement 21, 22, 31, 32, zu dessen Laststrecke es parallel geschaltet ist, separates Bauelemente ausgebildet sein, oder aber in dieses Halbleiterschaltelement 21, 22, 31, 32 integriert sein. Die Freilaufelemente 23, 24, 33, 34 können, unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander, als Bipolardioden oder als Schottky-Dioden ausgebildet sein. Sofern es sich bei dem ersten Halbleiterschaltelement 21 um einen IGBT handelt, kann dieser optional als rückwärtsleitender IGBT (RC-IGBT) ausgebildet sein. Eine solcher weist eine Bodydiode auf, die als Freilaufdiode 23 eingesetzt werden kann. Auf eine externe Freilaufdiode 23 kann somit verzichtet werden. Gleichwohl kann auch bei einem als RC-IGBT ausgebildeten ersten Halbleiterschaltelement 21 ergänzend eine externe Freilaufdiode 22 eingesetzt werden. Analog dazu kann, sofern es sich bei dem dritten Halbleiterschaltelement 22 um einen IGBT handelt, dieser optional als rückwärtsleitender IGBT (RC-IGBT) ausgebildet sein. Dessen Bodydiode kann als Freilaufdiode 24 eingesetzt werden. Auf eine externe Freilaufdiode 24 kann somit verzichtet werden. Gleichwohl kann auch bei einem als RC-IGBT ausgebildeten dritten Halbleiterschaltelement 23 ergänzend eine externe Freilaufdiode 23 eingesetzt werden
Wie erwähnt kann der Umrichter zur Ansteuerung einer induktiven Last Z wie z.B. einer Phase eines Elektromotors verwendet werden. Ein Rückstrom von dem Ausgangsanschluss 13 zu den Versorgungspotenzialanschlüssen 11, 12 tritt bei einem solchen Motor beispielsweise dann auf, wenn der Motor als Generator betrieben wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Motor ein Antriebsmotor eines Fahrzeugs ist und zur Rückgewinnung von Bremsenergie genutzt werden soll.
2 veranschaulicht anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds eine Ausgestaltung des in 1 dargestellten Mehrstufenumrichters als 3-Stufen-Umrichter mit Neutralpunktklemmung (NPC). Bei diesem Umrichter weist die Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung 40 einen kapazitiven Spannungsteiler 47, 48 auf, der zwischen den ersten und zweiten Versorgungspotenzialanschluss 11, 12 geschaltet ist und der einen Potenzialabgriffspunkt 45 aufweist, der nachfolgend auch als Neutralpunkt N oder als Zwischenpotenzial-Bereitstellungsknoten 45 bezeichnet wird. Dieser Neutralpunkt N ist über ein erstes Gleichrichterelement 43 an den ersten Schaltungsknoten 61 und über ein zweites Gleichrichterelement 44 an den zweiten Schaltungsknoten 62 angeschlossen. Bei diesen Gleichrichterelementen 43, 44 kann es sich beispielsweise um Dioden handeln, z.B. um SiC-Dioden wie beispielsweise um SiC-Schottky-Dioden oder um SiC-Bipolardioden.
Das an dem Potenzialabgriff 45 vorliegende Zwischenpotenzial U45 ist über das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers 47, 48 abhängig von der Eingangsspannung Vin. Die beiden Kapazitäten C47, C48 des Spannungsteilers 47 bzw. 48 können beispielsweise gleich groß sein (in diesem Fall entspricht das Zwischenpotenzial U45 bezogen auf das zweite Versorgungspotenzial U2 der Hälfte der Versorgungsspannung Vin), aber auch voneinander verschieden (das heißt, C47 kann größer oder kleiner sein als C48).
Die Funktionsweise eines Umrichters, wie er beispielhaft unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, wird nachfolgend anhand von 3 erläutert, in der eine Ausgangsspannung U13 des Umrichters jeweils abhängig vom Schaltzustand der einzelnen Halbleiterschaltelemente 21, 31, 22, 32 dargestellt ist. Die Erläuterungen gelten in gleicher Weise auch für die weiteren beschriebenen Beispiele und Varianten, insbesondere für die Umrichter gemäß den 4, 5 und 6. Die Ausgangsspannung U13 ist in dem dargestellten Beispiel eine Spannung gegen das Potenzial des Neutralpunkts N. Die Schaltzustände der einzelnen Halbleiterschaltelemente 21, 31, 22, 32 sind in 3 mit "H" und "L" bezeichnet, wobei "H" bedeutet, dass die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschaltelements 21, 31, 22, 32 elektrisch leitet, und "L", dass die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschaltelements 21, 31, 22, 32 elektrisch sperrt. Nachfolgend wird vereinfachend die Formulierung verwendet, dass ein Halbleiterschaltelement leitet oder sperrt, wenn seine Laststrecke leitet bzw. sperrt.
Der Umrichter kann im Normalbetrieb vier unterschiedliche Betriebszustände annehmen, die in 3 mit I–IV bezeichnet sind. In einem ersten Betriebszustand I werden das erste und zweite Halbleiterschaltelement 21, 31 so angesteuert, dass sie leiten, während das dritte und vierte Halbleiterschaltelement 22, 32 so angesteuert werden, dass sie sperren. Hier und im Folgenden bedeutet das „Ansteuern eines selbstsperrenden Halbleiterschaltelements, so, dass es sperrt“, dass das Halbleiterschaltelement nicht derart angesteuert wird, dass es leitet. Analog dazu bedeutet das „Ansteuern eines selbstleitenden Halbleiterschaltelements, so, dass es leitet“, dass das Halbleiterschaltelement nicht derart angesteuert wird, dass es sperrt. Vernachlässigt man die Einschaltwiderstände dieser Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32, so liegt am Ausgangsanschluss 13 während dieses ersten Betriebszustandes I das erste Versorgungspotenzial U1 an. Bezogen auf den Neutralpunkt N beträgt das Ausgangspotenzial U13 in diesem Fall a·Vin, wobei a gemäß
von den Kapazitätswerten C47 und C48 des kapazitiven Spannungsteilers 47, 48 abhängt.
In einem zweiten Betriebszustand II wird lediglich das zweite Halbleiterschaltelement 31 so angesteuert, dass es leitet, während das erste, dritte und vierte Halbleiterschaltelement 21, 22, 32 so angesteuert werden, dass sie sperren. In diesem Fall entspricht das elektrische Potenzial U13 am Ausgangsanschluss 13 dem elektrischen Zwischenpotenzial U45 des Neutralpunktes N abzüglich der Durchlassspannung des Gleichrichterelements 43 und dem Spannungsabfall über dem leitend angesteuerten zweiten Halbleiterschaltelement 31. Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass die Durchlassspannung des Gleichrichterelements 43 und der Spannungsabfall über dem zweiten Halbleiterschaltelement 31 vernachlässigbar sind, so dass im zweiten Betriebszustand II das elektrische Potenzial U13 am Ausgangsanschluss 13 dem elektrischen Zwischenpotenzial U45 des Neutralpunktes N entspricht.
In einem dritten Betriebszustand III werden das dritte und vierte Halbleiterschaltelement 22, 32 so angesteuert, dass sie leiten, während das erste und zweite Halbleiterschaltelement 21, 31 so angesteuert werden, dass sie sperren. Am Ausgangsanschluss 13 liegt in diesem Fall das zweite Versorgungspotenzial U2 an. Die Ausgangsspannung U13 gegen den Neutralpunkt N entspricht in diesem Fall –b·Vin, wobei b gemäß
von den Kapazitätswerten C47 und C48 des kapazitiven Spannungsteilers 47, 48 abhängt.
Im vierten Betriebszustand IV wird lediglich das vierte Halbleiterschaltelement 32 so angesteuert, dass es leitet. Das elektrische Potenzial U13 an dem Ausgangsanschluss 13 entspricht in diesem Fall dem elektrischen Zwischenpotenzial U45 des Neutralpunktes N.
Wie bereits erläutert kann der Umrichter beispielsweise zur Ansteuerung einer induktiven Last Z wie z.B. einer Phase eines Elektromotors eingesetzt werden. Zum besseren Verständnis ist eine solche zwischen den Ausgangsanschluss 13 und den Neutralpunkt N geschaltete induktive Last Z in 2 ebenfalls dargestellt. Durch eine geeignete Abfolge der anhand von 3 erläuterten vier Betriebszustände I, II, III und IV des Umrichters, d.h. durch eine geeignete Abfolge der drei unterschiedlichen Spannungspegel am Ausgangsanschluss 13 (nämlich das erste Versorgungspotenzial U1, das Zwischenpotenzial U45 und das zweite Versorgungspotenzial U2) lässt sich der Strom durch die induktive Last Z derart regeln, dass ein gewünschter Stromverlauf (z.B. ein sinusförmiger Stromverlauf) erreicht wird. Dies ist grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Für eine positive Halbwelle des Ausgangsstromes werden beispielsweise abwechselnd das erste Versorgungspotenzial U1 und das Zwischenpotenzial U45 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet, d.h. die Betriebszustände I und II wechseln sich ab. Für eine negative Halbwelle des Ausgangsstromes werden beispielsweise abwechselnd das zweite Versorgungspotenzial U2 und das Zwischenpotenzial U45 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet, d.h. die Betriebszustände III und IV wechseln sich ab. Der Verlauf des Stromes lässt sich dabei über das Tastverhältnis (Duty-Cycle) zwischen dem ersten Versorgungspotenzial U1 und dem Zwischenpotenzial U45 steuern.
Da das zweite Halbleiterschaltelement 31 während der Betriebszustände I und II leitet, kann es in dem erläuterten Fall während der positiven Halbwelle eingeschaltet bleiben und erst ausgeschaltet werden, wenn durch Ansteuern der dritten und vierten Halbleiterschaltelemente 22, 32 die negative Halbwelle des Ausgangsstromes eingestellt werden soll. Die Schaltfrequenz des zweiten Halbleiterschaltelements 31 entspricht dann der Frequenz des (annähernd) sinusförmigen Ausgangsstromes. Die Ausführungen bezüglich des zweiten Halbleiterschaltelements 31 gelten in entsprechender Weise für das vierte Halbleiterschaltelement 32 in den Betriebszuständen III und IV während der negativen Halbwelle.
Aus Gründen der Vollständigkeit sei darauf hingewiesen, dass die Freilaufelemente 23, 33, 24, 34 auch während der Übergangsphasen zwischen der positiven und der negativen Halbwelle des Ausgangsstromes leiten können. Wird beispielsweise das zweite Halbleiterschaltelement 31 am Ende der Betriebsphase zur Einstellung der positiven Halbwelle (d.h. am Ende des zweiten Betriebszustands II) abgeschaltet (das erste Halbleiterschaltelement 21 ist in dann bereits abgeschaltet), weil ein Übergang in den dritten Betriebszustand III erfolgt, ohne dass der Ausgangsstrom bereits seine Polarität (bezogen auf das Zwischenpotenzial N) geändert hat, so sind die Freilaufdioden 24, 34 in Flussrichtung gepolt. Gleiches gilt in entsprechender Weise für die Freilaufdioden 23, 33 nach dem Abschalten des vierten Halbleiterschaltelements 32 am Ende der Betriebsphase, durch die die negative Halbwelle des Ausgangsstromes eingestellt wird (d.h. am Ende des vierten Betriebszustands IV).
4 zeigt eine Abwandlung des in 2 dargestellten Umrichters. Die Abwandlung besteht darin, dass ergänzend zu (oder, was nicht dargestellt ist, anstelle von) dem ersten Gleichrichterelement 43 (der ersten Diode 43) ein fünftes steuerbares Halbleiterschaltelement 41 vorhanden ist, und/oder dass ergänzend zu (oder, was nicht dargestellt ist, anstelle von) dem zweiten Gleichrichterelement 44 (der zweiten Diode 44) ein sechstes steuerbares Halbleiterschaltelement 42 vorhanden ist. Im Übrigen gelten die vorangehenden Ausführungen identisch oder analog. Als steuerbare Halbleiterschaltelemente 41, 42 können sämtliche bereits in Bezug auf die Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32 erläuterten Bauelementtypen in beliebigen Kombinationen miteinander eingesetzt werden. Sofern ein fünftes steuerbares Halbleiterschaltelement 41 vorhanden ist, ist dessen Laststrecke zwischen den Potenzialabgriff 45 und den ersten Schaltungsknoten 61 geschaltet, und sofern ein sechstes steuerbares Halbleiterschaltelement 42 vorhanden ist, ist dessen Laststrecke zwischen den Potenzialabgriff 45 und den zweiten Schaltungsknoten 62 geschaltet. Die Freilaufdioden 43, 44 (soweit vorhanden) können, unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander, als Bipolardioden oder als Schottky-Dioden ausgebildet sein.
Die Ansteuerschaltung 50 kann wie dargestellt auch zur Ansteuerung des fünften und/oder sechsten Halbleiterschaltelements 41, 42 verwendet werden. Hierzu ist die Ansteuerschaltung 50 an die Steueranschlüsse des betreffenden Halbleiterschaltelement 41, 42 angeschlossen ist und dazu ausgebildet, für jedes der von ihr anzusteuernden Halbleiterschaltelemente 41, 42 ein Ansteuersignal S41 bzw. S42 zu erzeugen und dieses dem Steueranschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelements 41 bzw. 42 zuzuführen.
Sofern sowohl ein fünftes steuerbares Halbleiterschaltelement 41 als auch eine Freilaufdiode 43 vorhanden sind, ist die Freilaufdiode 43 zur Laststrecke des fünften steuerbaren Halbleiterschaltelements 41 parallel geschaltet. Dabei kann die Freilaufdiode 43 in das fünfte steuerbare Halbleiterschaltelement 41 (zum Beispiel in Form einer Bodydiode des fünften steuerbaren Halbleiterschaltelements 41) integriert oder als von diesem unabhängiges Bauelement ausgebildet sein. Als fünftes steuerbares Halbleiterschaltelement 41 eignet sich beispielsweise ein IGBT. Sofern es sich bei dem IGBT um einen rückwärts leitenden IGBT (RC-IGBT) handelt, kann dessen Bodydiode als Freilaufdiode 43 verwendet werden, so dass auf eine externe Freilaufdiode verzichtet werden kann. Selbstverständlich kann trotzdem ergänzend eine externe Freilaufdiode eingesetzt werden.
Analog dazu ist, sofern sowohl ein sechstes steuerbares Halbleiterschaltelement 42 als auch eine Freilaufdiode 44 vorhanden sind, die Freilaufdiode 44 zur Laststrecke des sechsten steuerbaren Halbleiterschaltelements 42 parallel geschaltet. Dabei kann die Freilaufdiode 44 in das sechste steuerbare Halbleiterschaltelement 42 (zum Beispiel in Form einer Bodydiode des sechsten steuerbaren Halbleiterschaltelements 42, beispielsweise eines rückwärts leitenden IGBTs) integriert oder als von diesem unabhängiges Bauelement ausgebildet sein. Als sechstes steuerbares Halbleiterschaltelement 42 eignet sich beispielsweise ein IGBT. Sofern es sich bei dem IGBT um einen rückwärts leitenden IGBT handelt, kann dessen Bodydiode als Freilaufdiode 44 verwendet werden, so dass auf eine externe Freilaufdiode verzichtet werden kann. Selbstverständlich kann auch hier ergänzend eine externe Freilaufdiode eingesetzt werden.
Durch die Verwendung eines fünften bzw. sechsten Halbleiterschaltelements 41, 42 können die in dem Umrichter entstehenden Verluste verringert werden, wenn für das fünfte bzw. sechste Halbleiterschaltelement 41, 42 solche eingesetzt werden, die einen geringen Einschaltwiderstand (RDSon) aufweisen, wie dies beispielsweise bei IGBTs der Fall ist. Grundsätzlich können jedoch nicht nur IGBTs sondern auch alle anderen genannten Arten von steuerbaren Halbleiterschaltelementen eingesetzt werden.
Mittels eines fünften steuerbaren Halbleiterschaltelements 41 kann das Zwischenpotenzial U45 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet werden, indem das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das fünfte Halbleiterschaltelement 41 derart angesteuert werden, dass sie leiten, und indem das erste Halbleiterschaltelement 21 und das dritte Halbleiterschaltelement 22 derart angesteuert werden, dass sie sperren. Das Potenzial U13 des Ausgangsanschlusses 13 entspricht dann dem Zwischenpotential U45. Der Schaltzustand eines eventuell vorhandenen sechsten Halbleiterschaltelements 42 ist dann prinzipiell beliebig, d.h. es kann sowohl so angesteuert werden, dass es leitet, als auch so, dass es sperrt.
Analog dazu kann das Zwischenpotenzial U45 alternativ oder zusätzlich mittels eines sechsten steuerbaren Halbleiterschaltelements 42 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet werden, indem das vierte Halbleiterschaltelement 32 und das sechste Halbleiterschaltelement 42 derart angesteuert werden, dass sie leiten, und indem das erste Halbleiterschaltelement 21 und das dritte Halbleiterschaltelement 22 derart angesteuert werden, dass sie sperren. Das Potenzial U13 des Ausgangsanschlusses 13 entspricht auch in diesem Fall dem Zwischenpotential U45. Der Schaltzustand eines eventuell vorhandenen fünften Halbleiterschaltelements 41 ist dann prinzipiell beliebig, d.h. es kann sowohl so angesteuert werden, dass es leitet, als auch so, dass es sperrt.
Wenn sowohl ein fünftes als auch ein sechstes Halbleiterschaltelement 41, 42 vorhanden sind, kann das Zwischenpotenzial U45 dadurch auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet werden, dass das zweite, das vierte, das fünfte und das sechste Halbleiterschaltelement 31, 32, 41, 42 derart angesteuert werden, dass sie leiten, und indem das erste Halbleiterschaltelement 21 und das dritte Halbleiterschaltelement 22 derart angesteuert werden, dass sie sperren. Das Potenzial U13 des Ausgangsanschlusses 13 entspricht auch in diesem Fall dem Zwischenpotential U45.
Bei dem Umrichter gemäß 4 sind das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32 jeweils als MOSFET ausgebildet, in den die zugehörige Freilaufdiode 33 bzw. 34 in Form einer Bodydiode des betreffenden Halbleiterschaltelements 31 bzw. 32 integriert ist. Demgegenüber sind das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32 bei dem Umrichter gemäß 5 jeweils als MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebildet, und die zugehörige Freilaufdiode 33 bzw. 34 liegt als separates Bauelement vor, beispielsweise als Bipolar- oder Schottkydiode, und sie ist jeweils zu der Laststrecke des zugehörigen Halbleiterschaltelements 31 bzw. 32 parallel geschaltet. Bei dem Umrichter gemäß 6 sind das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32 jeweils als JFET (Junction Field Effect Transistor) ausgebildet. Auf Freilaufdioden 33 und 34, die, wie in den 1, 2, 4 und 5 gezeigt, zu den Laststrecken der Halbleiterschaltelemente 31 bzw. 32 parallel geschaltet sind, kann hier aufgrund der selbstleitenden Eigenschaften von JFETs verzichtet werden. Im Übrigen gelten die Erläuterung zu dem Umrichter gemäß 4 in gleicher Weise für die Umrichter gemäß den 5 und 6. Es versteht sich, dass die von der Ansteuerschaltung 50 bereitzustellenden Ansteuersignale S21, S22, S31, S32, S41, S42 an den jeweiligen Bauelementtyp des anzusteuernden Halbleiterschaltelements 21, 22, 31, 32, 41, 42 anzupassen sind.
7 veranschaulicht die Funktionsweise eines Umrichters gemäß den 4 bis 6 während verschiedener Betriebsphasen anhand verschiedener Teildiagramme. Nach rechts aufgetragen ist die Zeit t. Das von oben nach unten erste Teildiagramm 7.1 zeigt den mit dem Umrichter nachzubildenden (idealen) Spannungsverlauf Vtarget in willkürlichen Einheiten. Der Spannungsverlauf Vtarget besitzt beispielhaft eine Sinusform mit einer positiven Halbwelle in einem ersten Zeitfenster von 0 s bis 10 ms und einer negativen Halbwelle in einem zweiten Zeitfenster von 10 ms bis 20 ms. Grundsätzlich können jedoch auch beliebige andere differenzierbare Spannungsverlaufsformen nachgebildet werden. Das zweite Teildiagramm 7.2 zeigt die Schaltzustände des ersten Halbleiterschaltelements 21 und des sechsten Halbleiterschaltelements 42, das dritte Teildiagramm 7.3 zeigt die Schaltzustände des dritten Halbleiterschaltelements 22 und des fünften Halbleiterschaltelements 41, das vierte Teildiagramm 7.4 zeigt die Schaltzustände des zweiten Halbleiterschaltelements 31, und das fünfte Teildiagramm 7.5 zeigt die Schaltzustände des vierten Halbleiterschaltelements 32. Beim zweiten, dritten, vierten und fünften Teildiagramm erfolgt die Nomenklatur analog zu 3, d.h. die Schaltzustände der einzelnen Halbleiterschaltelemente 21, 31, 22, 32, 41, 42 sind mit "H" und "L" bezeichnet, wobei "H" bedeutet, dass die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschaltelements 21, 31, 22, 32, 41, 42 elektrisch leitet, und "L", dass die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschaltelements 21, 31, 22, 32, 41, 42 elektrisch sperrt. Das sechste Teildiagramm 7.6 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Vout des Umrichters. Vout ist auf das Zwischenpotenzial U45 bezogen und durch folgende Beziehung gegeben: Vout = U13 – U45 (3)
Während des ersten Zeitfensters (von 0,0 s bis 10 ms) befinden sich das erste Halbleiterschaltelement 21 und das sechste Halbleiterschaltelement 42 in einem leitenden und das dritte Halbleiterschaltelement 22 und das fünfte Halbleiterschaltelement 41 in einem sperrenden Zustand, so dass der erste Schaltungsknoten 61 auf dem ersten Versorgungspotenzial U1 und der zweite Schaltungsknoten 62 auf dem Zwischenpotenzial U45 liegen. Somit können die an den Schaltungsknoten 61 und 62 vorliegenden Potenziale U1 bzw. U45 durch geeignete Ansteuerung des zweiten Halbleiterschaltelements 31 und des vierten Halbleiterschaltelements 32 abwechselnd auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet werden. Dementsprechend wechselt die Ausgangsspannung Uout abhängig von den Schaltzuständen des zweiten Halbleiterschaltelements 31 und des vierten Halbleiterschaltelements 32. Dabei befindet sich von dem zweiten Halbleiterschaltelement 31 und dem vierten Halbleiterschaltelement 32 immer nur höchstens eines in einem leitenden Zustand. Beispielsweise zu einem Zeitpunkt t_A leitet das zweite Halbleiterschaltelement 31, während das vierte Halbleiterschaltelement 32 sperrt, so dass das am ersten Schaltungsknoten 61 vorliegende erste Versorgungspotenzial U1 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet wird und die Ausgangsspannung Vout gleich U1–U45 ist. Zu einem Zeitpunkt t_B hingegen sperrt das zweite Halbleiterschaltelement 31, während das vierte Halbleiterschaltelement 32 leitet, so dass das am zweiten Schaltungsknoten 62 vorliegende Zwischenpotenzial U45 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet wird und die Ausgangsspannung Vout gleich U45 – U45 = 0 V beträgt.
Analog dazu befinden sich während des zweiten Zeitfensters (von 10 ms bis 20 ms) das erste Halbleiterschaltelement 21 und das sechste Halbleiterschaltelement 42 in einem sperrenden und das dritte Halbleiterschaltelement 22 und das fünfte Halbleiterschaltelement 41 in einem leitenden Zustand, so dass der erste Schaltungsknoten 61 auf dem Zwischenpotenzial U45 und der zweite Schaltungsknoten 62 auf dem zweiten Versorgungspotenzial U2 liegen. Somit können die an den Schaltungsknoten 61 und 62 vorliegenden Potenziale U45 bzw. U2 durch geeignete Ansteuerung des zweiten Halbleiterschaltelements 31 und des vierten Halbleiterschaltelements 32 abwechselnd auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet werden. Dementsprechend wechselt die Ausgangsspannung Uout abhängig von den Schaltzuständen des zweiten Halbleiterschaltelements 31 und des vierten Halbleiterschaltelements 32. Ebenso wie während des ersten Zeitfensters befindet sich von dem zweiten Halbleiterschaltelement 31 und dem vierten Halbleiterschaltelement 32 auch im zweiten Zeitfenster immer nur höchstens eines in einem leitenden Zustand. Beispielsweise zu einem Zeitpunkt t_C leitet das zweite Halbleiterschaltelement 31, während das vierte Halbleiterschaltelement 32 sperrt, so dass das am ersten Schaltungsknoten 61 vorliegende Zwischenpotenzial U45 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet wird und die Ausgangsspannung Vout gleich U45 – U45 = 0 V beträgt. Zu einem Zeitpunkt t_D hingegen sperrt das zweite Halbleiterschaltelement 31, während das vierte Halbleiterschaltelement 32 leitet, so dass das am zweiten Schaltungsknoten 62 vorliegende zweite Versorgungspotenzial U2 auf den Ausgangsanschluss 13 aufgeschaltet wird und die Ausgangsspannung Vout gleich U45–U2 ist.
Um aus der Ausgangsspannung Vout den angestrebten Spannungsverlauf Vtarget nachzubilden, kann das wechselseitige Ein- und Ausschalten der zweiten und vierten Halbleiterschaltelemente 31, 32 in Verbindung mit einem dem Ausgang 13 nachgeschalteten Tiefpass (nicht gezeigt) pulsweitenmoduliert (PWM; durch Einstellung/Veränderung des Tastgrades, mit dem das zweite Halbleiterschaltelement 31 eingeschaltet und das vierte Halbleiterschaltelement 32 ausgeschaltet werden) erfolgen. Anstelle durch Pulsweitenmodulation (PWM) kann das wechselseitige Ein- und Ausschalten der zweiten und vierten Halbleiterschaltelemente 31, 32 auch durch Pulsfrequenzmodulation (PFM) oder Pulsdichtemodulation (PDM), jeweils wiederum in Verbindung mit einem dem Ausgang 13 nachgeschalteten Tiefpass, erfolgen. In jedem Fall glättet der nachgeschaltete Tiefpass die Ausgangsspannung Vout und ermöglicht so eine Nachbildung des angestrebten Spannungsverlaufs Vtarget.
Wie anhand von 7 zu erkennen ist, werden bei dem erläuterten Schaltbetrieb das zweite und vierte Halbleiterschaltelement 31, 32 mit höheren Schaltfrequenzen (bis zu mehreren 100 Kilohertz) betrieben als das erste, dritte, fünfte und sechste Halbleiterschaltelement 21, 22, 41, 42. Demgegenüber werden das erste, dritte, fünfte und sechste Halbleiterschaltelement 21, 22, 41, 42 mit vergleichsweise geringen Schaltfrequenzen betrieben. Bei dem vorliegenden Beispiel gemäß 7 ist dies die Frequenz des nachzubildenden Spannungsverlaufs Vtarget. Wenn der Umrichter beispielsweise in Solaranlagen eingesetzt wird, um einen Strom am Ausgang 13 in ein Stromnetz einzuspeisen, kann die Schaltfrequenz, mit dem das erste, dritte, fünfte und sechste Halbleiterschaltelement 21, 22, 41, 42 betrieben werden, der Grundfrequenz des Stromnetzes (z.B. 50 Hz oder 60 Hz) entsprechen.
Da ein signifikanter Anteil der beim Betrieb eines Umrichters entstehenden Verluste durch die Schaltenergien der Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32, 41, 42 bedingt ist, können die Schaltverluste dadurch gering gehalten werden, dass für die mit hohen Schaltfrequenzen betriebenen und damit häufig geschalteten Halbleiterschaltelemente, nämlich für das zweite Halbleiterschaltelement 31 und das vierte Halbleiterschaltelement 32, unipolare Bauelemente eingesetzt werden, weil unipolare Bauelemente geringe Schaltenergien aufweisen. Beispiele für unipolare Bauelemente sind MOSFETs, JFETs und HEMTs).
Sofern für die Halbleiterschaltelemente 31 und 32 selbstsperrende MOSFETs eingesetzt werden, können herkömmlich verfügbare Ansteuerschaltungen eingesetzt werden.
Sofern für die Halbleiterschaltelemente 31 und 32 MOSFETs mit interner Bodydiode eingesetzt werden, können diese (hocheffizienten, verlustarmen) Bodydioden als Freilaufdioden 33 bzw. 34 dienen. Wenn die Halbleiterschaltelemente 31 und 32 komplementär geschaltet werden (d.h. abgesehen von Totzeiten beim Umschalten, in denen beide Halbleiterschaltelemente 31 und 32 ausgeschaltet sind, ist immer eines eingeschaltet und das andere ausgeschaltet), sind die Leitungsverluste der Bodydiode aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation im MOSFET-Kanal des Halbleiterschaltelements 31, 32, dessen Bestandteil die betreffende Bodydiode bildet, verringert. Abgesehen davon können durch die Verwendung von Bodydioden als Freilaufdioden Kosten für zusätzliche Freilaufdioden sowie der dafür benötigte Platz können eingespart werden.
Sofern für die Halbleiterschaltelemente 31 und 32 MOSFETs ohne interne Bodydiode eingesetzt werden, sind natürlich separate Freilaufdioden 33 bzw. 34 erforderlich. Wie bereits erwähnt können als Freilaufdioden 33 und 34 sowohl bipolare Dioden als auch Schottkydioden eingesetzt werden, wobei bei Schottkydioden geringere Verluste auftreten, so dass Schottkydioden gegenüber bipolaren Dioden insoweit zu bevorzugen sind.
Um alternativ oder zusätzlich zu einer Verringerung der Verluste bei den zweiten und vierten Halbleiterschaltelementen 31 und 32 und den zugehörigen (als Bodydioden integrierten oder als separate Bauelemente vorgesehenen) Freilaufdioden 33 bzw. 34 die Verluste in den vergleichsweise langsam schaltenden ersten und dritten Halbleiterschaltelementen 21, 22 und/oder den vergleichsweise langsam schaltenden fünften und sechsten Halbleiterschaltelementen 41, 42 zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn diese geringe Durchlassverluste, also geringe Einschaltwiderstände (RDSon), aufweisen. Deshalb eignen sich hierfür besonders bipolare Halbleiterschaltelemente wie zum Beispiel IGBTs. Um darüber hinaus IGBTs mit besonders geringen Einschaltwiderständen zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn ihr Kollektorhalbleitergebiet im Fall von n-Kanal IGBTs eine starke p-Dotierung und im Fall von p-Kanal IGBTs eine starke n-Dotierung aufweist.
Die Verwendung von Reihenschaltungen mit wenigstens einem selbstleitenden Transistor und einem selbstsperrenden Transistor, wie sie zuvor anhand eines 3-Phasenumrichters mit Neutralpunktklemmung erläutert wurde, ist selbstverständlich nicht auf einen 3-Stufen-Umrichter mit NPC beschränkt, sondern ist vielmehr auch auf andere Umrichtertopologien anwendbar. Außerdem lassen sich die erläuterten Prinzipien auch mit Umrichtern einsetzen, die mehr als 3 Stufen (also mehr als drei unterschiedliche Ausgangspotenziale U1, U45, U2) bereitstellen können.
Ein Umrichter, wie er vorangehend beschrieben wurde, kann auf grundsätzlich beliebige Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Umrichter oder zumindest die miteinander verschalteten Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32, und, sofern in dem Umrichter vorgesehen, 41, 42 gemeinsam in einem Modulgehäuse des Halbleitermoduls angeordnet und beispielsweise auf einem oder mehreren Keramiksubstraten (zum Beispiel einem oder mehreren DCB-Substraten) des Halbleitermoduls montiert und verschaltet sein.
Die Ansteuerschaltung 50 kann ebenfalls Bestandteil des Halbleitermoduls und in dem Modulgehäuse angeordnet sein. Alternativ kann die Ansteuerschaltung 50 jedoch auch als von dem Halbleitermodul unabhängige Einheit ausgebildet sein und zum Betrieb des Umrichters an das Halbleitermodul angeschlossen werden.
Sofern der Umrichter mit einem kapazitiven Spannungsteiler 47, 48 betrieben wird, kann der Spannungsteiler 47, 48 Bestandteil des Halbleitermoduls und in dem Modulgehäuse angeordnet sein. Alternativ kann der Spannungsteiler 47, 48 jedoch auch als von dem Halbleitermodul unabhängige Einheit ausgebildet sein und zum Betrieb des Umrichters an das Halbleitermodul angeschlossen werden. Dies kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn als Spannungsteiler 47, 48 verwendete Kapazitäten wie beispielsweise Kondensatoren viel Platz benötigen und/oder wenn vermieden werden soll, dass sie durch die in dem Modulgehäuse befindlichen Halbleiterschaltelemente 21, 22, 31, 32 und gegebenenfalls 41, 42 zu stark erwärmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Floricau et al.: "The Efficiency of Three-level Active NPC Converter for Different PWM Strategies", Power Electronics and Applications, 2009, EPE ’09, 13th European Conference on. IEEE 2009 [0002]

Claims

Umrichter, der aufweist: einen ersten Versorgungspotenzialanschluss (11) und einen zweiten Versorgungspotenzialanschluss (12); einen Ausgangsanschluss (13); eine erste Reihenschaltung mit einem bipolaren ersten Halbleiterschaltelement (21) und einem unipolaren zweiten Halbleiterschaltelement (31), die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind; eine zweite Reihenschaltung mit einem unipolaren dritten Halbleiterschaltelement (22) und einem bipolaren vierten Halbleiterschaltelement (32), die jeweils einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind; wobei die erste Reihenschaltung zwischen den ersten Versorgungspotenzialanschluss (11) und den Ausgangsanschluss (13) geschaltet ist; und wobei die zweite Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschluss (13) und den zweiten Versorgungspotenzialanschluss (12) geschaltet ist.
Umrichter nach Anspruch 1 mit einer ersten Freilaufdiode (23), die zur Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements (21) parallel geschaltet ist; und/oder einer dritten Freilaufdiode (24), die zur Laststrecke des dritten Halbleiterschaltelements (22) parallel geschaltet ist.
Umrichter nach Anspruch 2, bei dem die erste Freilaufdiode (23) als Schottky-Diode ausgebildet ist; und/oder die dritte Freilaufdiode (24) als Schottky-Diode ausgebildet ist.
Umrichter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das erste Halbleiterschaltelement (21) als rückwärts leitender IGBT ausgebildet ist, der eine Bodydiode aufweist, die die erste Freilaufdiode (23) bildet; und/oder das dritte Halbleiterschaltelement (22) als rückwärts leitender IGBT ausgebildet ist, der eine Bodydiode aufweist, die die dritte Freilaufdiode (24) integriert ist bildet.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer zweiten Freilaufdiode (33), die zur Laststrecke des zweiten Halbleiterschaltelements (31) parallel geschaltet ist; und/oder einer vierten Freilaufdiode (34), die zur Laststrecke des vierten Halbleiterschaltelements (32) parallel geschaltet ist.
Umrichter nach Anspruch 5, bei dem die zweite Freilaufdiode (33) als Bodydiode des zweiten Halbleiterschaltelements (31) ausgebildet ist; und/oder die vierte Freilaufdiode (34) als Bodydiode des vierten Halbleiterschaltelements (32) ausgebildet ist.
Umrichter nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die zweite Freilaufdiode (33) und das zweite Halbleiterschaltelement (31) als separate Bauelemente ausgebildet sind; und/oder die vierte Freilaufdiode (34) und das vierte Halbleiterschaltelement (32) als separate Bauelemente ausgebildet sind.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement (31) als MOSFET oder als JFET oder als HEMT ausgebildet ist; und/oder das vierte Halbleiterschaltelement (32) als MOSFET oder als JFET oder als HEMT ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement (31) als Siliziumkarbid-(SiC)-Bauelement ausgebildet ist; und/oder das vierte Halbleiterschaltelement (32) als Siliziumkarbid-(SiC)-Bauelement ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement (31) als Silizium-(Si)-Bauelement ausgebildet ist; und/oder das vierte Halbleiterschaltelement (32) als Silizium-(Si)-Bauelement ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement (31) als selbstsperrendes Bauelement ausgebildet ist; und/oder das vierte Halbleiterschaltelement (32) als selbstsperrendes Bauelement ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement (31) als selbstleitendes Bauelement ausgebildet ist; und/oder das vierte Halbleiterschaltelement (32) als selbstleitendes Bauelement ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Halbleiterschaltelement (21) als IGBT ausgebildet ist; und/oder das dritte Halbleiterschaltelement (22) als IGBT ausgebildet ist.
Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung (40), die dazu ausgebildet ist, an einem Zwischenpotenzial-Bereitstellungsknoten (45) ein von einem Potenzial (U1) des ersten Versorgungspotenzialanschlusses (11) und von dem Potenzial (U2) des zweiten Versorgungspotenzialanschlusses (12) verschiedenes Zwischenpotential (U45) bereitzustellen.
Umrichter nach Anspruch 14 mit einem zwischen der Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements (21) und der Laststrecke des zweiten Halbleiterschaltelements (31) ausgebildeten ersten Schaltungsknoten (61) und einem bipolaren fünften Halbleiterschaltelement (41), das einen Ansteueranschluss aufweist, sowie eine Laststrecke, die zwischen den Zwischenpotenzial-Bereitstellungsknoten (45) und den ersten Schaltungsknoten (61) geschaltet ist; und/oder einem zwischen der Laststrecke des dritten Halbleiterschaltelements (22) und der Laststrecke des vierten Halbleiterschaltelements (32) ausgebildeten zweiten Schaltungsknoten (62) und einem bipolaren sechsten Halbleiterschaltelement (42), das einen Ansteueranschluss aufweist, sowie eine Laststrecke, die zwischen den Zwischenpotenzial-Bereitstellungsknoten (45) und den zweiten Schaltungsknoten (62) geschaltet ist.
Umrichter Anspruch 15, bei dem das fünfte Halbleiterschaltelement (41) als IGBT ausgebildet ist; und/oder das sechste Halbleiterschaltelement (42) als IGBT ausgebildet ist.
Umrichter nach Anspruch 15 oder 16 mit einer fünften Freilaufdiode (43), die zur Laststrecke des fünften Halbleiterschaltelements (41) parallel geschaltet ist; und/oder einer sechsten Freilaufdiode (44), die zur Laststrecke des sechsten Halbleiterschaltelements (42) parallel geschaltet ist.
Umrichter nach Anspruch 17, bei dem die fünfte Freilaufdiode (43) als Schottky-Diode ausgebildet ist; und/oder die sechste Freilaufdiode (44) als Schottky-Diode ausgebildet ist.
Umrichter nach Anspruch 17 oder 18, bei dem das fünfte Halbleiterschaltelement (41) als rückwärts leitender IGBT ausgebildet ist, der eine Bodydiode aufweist, die die fünfte Freilaufdiode (43) bildet; und/oder das sechste Halbleiterschaltelement (42) als rückwärts leitender IGBT ausgebildet ist, der eine Bodydiode aufweist, die die sechste Freilaufdiode (44) bildet.
Umrichter nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem die Zwischenpotenzialerzeugungsschaltung (40) eine erste Kapazität (47) und eine zweite Kapazität (48) aufweist, die zwischen dem ersten Versorgungspotenzialanschluss (11) und dem zweiten Versorgungspotenzialanschlusses (12) in Reihe geschaltet sind; und der Zwischenpotenzial-Bereitstellungsknoten (45) ein Schaltungsknoten zwischen der ersten Kapazität (47) und der zweiten Kapazität (48) ist.