DE3915510C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der DE-Zeitschrift "Elektrische Bahnen eb", 86. Jahrgang, Heft 3, 1988, Seiten 81 bis 93 angegeben.
Unter gate-gesteuerten Leistungshalbleiterschaltern sind GTO-Thyristoren, aber auch alle sonstigen über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbare Halbleiterschaltelemente zu verstehen.
Derartige Leistungshalbleiterschalter weisen zu ihrem sinnvollen Einsatz in Stromrichterschaltungen Entlastungsnetzwerke auf. Zum Begrenzen der Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes beim Einschalten des Schaltelements ist zu diesem eine Drosselspule in Reihe vorgesehen, und zum Verringern des Anstiegs der Spannung am Schaltelement beim Abschalten dient ein dem Leistungshalbleiterschalter parallelgeschalteter Begrenzungskondensator. Die in der Drosselspule und in dem Begrenzungskondensator dabei gespeicherte Energie gilt es nach jedem Schaltvorgang abzubauen.
Das Entlastungsnetzwerk gemäß der oben angeführten DE-Zeitschrift weist zur Entladung der jedem der Leistungshalbleiterschalter (d. h. in symmetrischer Anordnung) zugeordneten Begrenzungskondensatoren vor jedem Wiedereinschalten ohmsche Widerstände auf. Die durch die Entladung in den Widerständen hervorgerufenen Verluste, die dem halben Produkt aus dem Quadrat der angelegten Spannung, der Kapazität und der Schaltfrequenz entsprechen, sind in der Praxis erheblich.
Statt der symmetrischen Beschaltung ist deshalb einer unsymmetrischen Beschaltung der Vorzug gegeben worden, bei der nur einer der beiden in Reihe liegenden Leistungshalbleiterschalter mit einem Begrenzungskondensator beschaltet ist und ein zusätzlicher Kondensator der Reihenschaltung parallel liegt (DE 32 44 623 A1). Die zuvor erwähnten Verluste werden hier vermieden, weil der Begrenzungskondensator beim Aufladen den Spannungsanstieg am ihm parallel liegenden Leistungshalbleiterschalter und beim Entladen am zweiten Leistungshalbleiterschalter begrenzt. Diese Entladung ist jedoch problematisch, da der Abschaltstrom des zweiten Leistungshalbleiterschalters über die beiden Kondensatoren nach dem Minuspotential der Gleichspannungsquelle erfolgt. Die Induktivität dieses Kreises muß sehr klein sein, damit die geringe, maximal zulässige erste Spannungsspitze beim Ansteigen der Spannung (d. h. die sogenannte Vorwärts-Nadelspannung) nicht überschritten wird. Dies führt zu relativ komplizierten und damit teueren Verbindungen des zusätzlichen Kondensators in der Schaltung. Die Serieninduktivität des zusätzlichen Kondensators muß darüber hinaus ebenfalls gering sein. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmenden Werten von Strom und Spannung, so daß unter anderem der enge Einbau die Konstruktion einer Luftkühlung erschwert sowie Montage und Service behindert. Selbst bei induktivitätsarmem Aufbau bewirkt die Reihenschaltung aus Begrenzungs- und zusätzlichen Kondensator eine Addition der Serien-Induktivitäten, wobei erfahrungsgemäß die Induktivität des relativ großen Speicherkondensators den 2,5fachen Wert des Begrenzungskondensators aufweist.
Aus der DE 32 44 623 A1 ist es auch bekannt, durch Übertrager einen Teil der Beschaltungsenergie in die Gleichspannungsquelle (zurück-) zu speisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die den Einsatz dieser symmetrischen Schaltung zuläßt, insbesondere dann, wenn mit verhältnismäßig hoher Frequenz hohe Ströme bei hohen Spannungen geschaltet werden sollen, ohne daß die Beschaltungsenergie in den ohmschen Widerständen in Wärme umgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Somit wird in vorteilhafter Weise die Auf- und Entladung der parallel zu den Leistungshalbleiterschaltern liegenden Begrenzungskondensatoren zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des abschaltenden Elements genutzt, ohne daß eine nutzlose Entladung erfolgt. Die direkte Parallelschaltung je eines Begrenzungskondensators und einer Begrenzungsdiode zu jedem Leistungshalbleiterschalter ermöglicht eine sehr induktivitätsarme Verbindung, so daß die Vorwärts- Nadelspannung beim Anstieg der Anoden-Kathodenspannung am Schaltelement kleingehalten werden kann. Beim Abschalten verteilt sich der Strom auf beide Begrenzungskondensatoren - der eine wird aufgeladen, der andere entladen -, so daß sich die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei gegebenem Strom aus der Summe beider Kapazitäten ergibt. Daraus folgt auch eine Halbierung der Ströme, was eine minimale Strom-Wärmebelastung der Begrenzungskondensatoren ergibt. Durch den Anschluß des Verbindungspunktes zwischen dem jeweiligen Begrenzungskondensator und der zugehörigen Begrenzungsdiode über die Anschlußdioden zu den beiden zusätzlichen Kondensatoren wird eine Überladung der Begrenzungskondensatoren verhindert, da die Kapazität der zusätzlichen Kondensatoren sehr groß gegen die Kapazität der Begrenzungskondensatoren gewählt werden kann.
Bei einem Überladen der zusätzlichen Kondensatoren durch Überschwingen schalten sich diese ebenfalls parallel, so daß sich der Wert der Überspannung bei gegebenem Strom aus der Summe der Kapazitäten des jeweiligen Begrenzungskondensators und der beiden zusätzlichen Kondensatoren ergibt. Damit erfolgt auch eine Halbierung der Ströme, was eine minimale Strom-Wärmebelastung der zusätzlichen Kondensatoren bedeutet. Die Überladung der zusätzlichen Kondensatoren wird über die ohmschen Widerstände auf den Wert der Gleichspannungsquelle abgebaut. Die Entmagnetisierung der Drosselspule erfolgt mit Hilfe der Überspannungskreise aus zusätzlichem Kondensator und jeweiligem ohmschen Widerstand. Dabei ist die Verlustleistung in den ohmschen Widerständen bei gegebenen Werten für Strom und Spannung im wesentlichen von der Induktivität bestimmt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in dem Anspruch 2 gekennzeichnet.
Wenn anstelle der ohmschen Widerstände die Überladungsenergie der zusätzlichen Kondensatoren mit Hilfe eines streuarmen Transformators über die Sperrdiode in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt werden kann, werden die auftretenden Verluste noch weiter reduziert.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine Wechselrichterschaltung mit Abschaltthyristoren und verlustarmer, symmetrischer Beschaltung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit Rückspeisung der Beschaltungsenergie in die Gleichspannungsquelle und
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen an einzelnen Bauelementen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung.
In Fig. 1 ist eine Phase eines üblicherweise dreiphasigen Wechselrichters gezeigt, der aus einer Gleichspannungsquelle mit der Spannung UD gespeist wird. Die Gleichspannungsquelle kann z. B. der Zwischenkreiskondensator eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters sein.
Die Gleichspannungsquelle weist zwei mit + und - bezeichnete Pole auf, zwischen denen die Reihenschaltung zweier in gleicher Richtung gepolter, gate-gesteuerter Leistungshalbleiterschalter V 1, V 2 mit einer den Anstieg des Stromes beim Einschalten begrenzenden Drosselspule L 1 angeordnet ist. Die Leistungshalbleiterschalter V 1, V 2 sind hier als GTO-Thyristoren gezeigt. Der Wechselspannungsanschluß des Wechselrichters liegt an der direkten Verbindung der beiden Leistungshalbleiterschalter V 1, V 2.
Jedem der beiden Leistungshalbleiterschalter V 1, V 2 ist eine Freilaufdiode V 3, V 4 antiparallelgeschaltet. Ferner liegt in symmetrischer Beschaltung jedem der beiden Leistungshalbleiterschalter V 1, V 2 die Reihenschaltung eines den Spannungsanstieg beim Abschalten begrenzenden Begrenzungskondensators C 1, C 2 mit einer in Richtung des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters V 1, V 2 gepolten Begrenzungsdiode V 5, V 6 parallel. Der erste Begrenzungskondensator C 1 und der zweite Begrenzungskondensator C 2 sind direkt miteinander und mit dem Wechselspannungsanschluß verbunden.
Ein erster zusätzlicher Kondensator C 3 ist über einen ersten ohmschen Widerstand R 1 an den Pluspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Sein anderer Anschluß ist direkt an den Minuspol der Gleichspannungsquelle gelegt.
Eine erste Anschlußdiode V 7 liegt anodenseitig zwischen dem Verbindungspunkt der Begrenzungsdiode V 5 und dem ersten Begrenzungskondensator C 1. Kathodenseitig ist die Anschlußdiode V 7 an die Verbindung zwischen dem ersten ohmschen Widerstand R 1 und dem ersten zusätzlichen Kondensator C 3 angeschlossen.
Ferner ist ein zweiter zusätzlicher Kondensator C 4 vorgesehen, der einerseits an den Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule L 1 und dem ersten Leistungshalbleiterschalter V 1 angeschlossen ist und andererseits über einen zweiten ohmschen Widerstand R 2 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Begrenzungskondensator C 2 und der ihm in Reihe geschalteten zweiten Begrenzungsdiode V 6 ist über eine zweite Anschlußdiode V 8 an den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten ohmschen Widerstand R 2 und dem zweiten zusätzlichen Kondensator C 4 angeschlossen.
Fig. 3 zeigt den schematisierten, zeitlichen Ablauf wichtiger elektrischer Größen in der Schaltung gemäß Fig. 1, wenn z. B. der Leistungshalbleiterschalter V 2 mit den Befehlen "EIN" bzw. "AUS" ein- bzw. ausschaltet. Der Steuerstrom (Gate-Strom) ist mit iGV 2 bezeichnet. Ferner zeigt Fig. 3 die Verläufe des Anodenstroms iAV 2 und der Anoden-Kathoden-Spannung uV 2 am Leistungshalbleiterschalter V 2. Schließlich sind die Verläufe der Kondensatorströme iC 1, iC 2 an den beiden Begrenzungskondensatoren und iC 3, iC 4 an den beiden zusätzlichen Kondensatoren gezeigt. Mit IC 1, IC 2, IC 3 und IC 4 sind die maximalen Kondensatorströme bezeichnet.
Der durch den Leistungshalbleiterschalter V 2 fließende Anodenstrom iAV 2 weist beim Einschalten eine maximale Stromsteilheit di/dt auf und steigt bis zu einem maximalen Wert IT an.
Beim Verlauf der Anoden-Kathoden-Spannung uV 2 sind die Spannung der Gleichspannungsquelle mit UD, die Vorwärts-Nadelspannung mit UDP, die Spitzenspannung mit UDM und der Spannungsanstieg auf die Spitzenspannung mit du/dt bezeichnet.
Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, die zu den in Fig. 3 gezeigten Größenverläufen führt, ist die folgende:
Vor dem Einschalten des Leistungshalbleiterschalters V 2 sei der Begrenzungskondensator C 1 entladen und der Begrenzungskondensator C 2 aufgeladen. Mit dem Einschalten des Leistungshalbleiterschalters V 2 kommutiert der Laststrom von der Freilaufdiode V 3 auf den Leistungshalbleiterschalter V 2, und es ergibt sich ein Schwingstrom, der zur Hälfte den Begrenzungskondensator C 1 auflädt und dessen zweite Hälfte über den zweiten zusätzlichen Kondensator C 4 und die zweite Anschlußdiode V 8 fließend den zweiten Begrenzungskondensator C 2 entlädt. Damit sind die Begrenzungskondensatoren C 1 und C 2 bereit zum Ausschalten.
Wird der Leistungshalbleiterschalter V 2 ausgeschaltet, kommutiert der Strom zuerst auf die parallele Beschaltung mit dem Begrenzungskondensator C 2 und der Begrenzungsdiode V 6, die wegen ihrer geringen Kreisinduktivität für niedrige Werte der Vorwärts-Nadelspannung UDP sorgt. Dann teilt sich der Strom in zwei Hälften auf, und zwar auf den Kreis mit dem zweiten Begrenzungskondensator C 2 und der zweiten Begrenzungsdiode V 6 sowie den Kreis mit dem ersten Begrenzungskondensator C 1, der ersten Anschlußdiode V 7 und dem ersten zusätzlichen Kondensator C 3. Der Spannungsanstieg du/dt am Leistungshalbleiterschalter V 2 hängt mithin bei gegebenem Strom von der Summe der Kapazitäten der beiden Begrenzungskondensatoren C 1 und C 2 ab.
Überschreitet die Spannung am Begrenzungskondensator C 2 den Wert der Spannung am zweiten zusätzlichen Kondensator C 4 bzw. ist der Begrenzungskondensator C 1 entladen, wird die erste Freilaufdiode V 3 leitend, und der Strom kommutiert je zur Hälfte auf den Zweig mit dem zweiten zusätzlichen Kondensator C 4, der zweiten Anschlußdiode V 8, der zweiten Begrenzungsdiode V 6 sowie auf den Zweig mit der ersten Begrenzungsdiode V 5, der ersten Anschlußdiode V 7 und dem ersten zusätzlichen Kondensator C 3. Anschließend nehmen diese Ströme in dem Maße ab, wie sie in der Drosselspule L 1 bis zum Erreichen des Laststromes zunehmen. Danach wird die Überladung der zusätzlichen beiden Kondensatoren C 3 und C 4 über die ersten und zweiten ohmschen Widerstände R 1 und R 2 abgebaut.
In Fig. 2 sind der erste und der zweite ohmsche Widerstand R 1 und R 2 durch zwei Primärwicklungen W 1, W 2 eines streuarmen Wandlers T 1 ersetzt. Die Sekundärwicklung W 3 des Wandlers T 1 ist in Reihe mit einer Sperrdiode V 90 zwischen den beiden Polen der Gleichspannungsquelle angeordnet. Damit kann die Beschaltungsenergie in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist werden.
Wählt man z. B. die Windungsverhältnisse des Wandlers T 1 zu W 1 = W 2 = 0,2 · W 3, so wird beim Überladen der zusätzlichen Kondensatoren C 3 und C 4 auf die Spannungen UC 3 = UC 4 UD + 0,2 · UD die Wicklungsspannung UW 1 = UW 2 0,2 · UD sein. Damit ergibt sich die Wicklungsspannung der Sekundärwicklung
Damit aber wird die Sperrdiode V 90 leitend und die Überladung der zusätzlichen Kondensatoren C 3, C 4 wird verlustarm in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur verlustarmen Beschaltung gategesteuerter Leistungshalbleiterschalter (V 1, V 2) eines Stromrichters, bei dem
  • - pro Wechselspannungsphase zwischen den beiden Polen (+, -) einer Gleichspannungsquelle die Reihenschaltung zweier in gleicher Richtung gepolter, gategesteuerter Leistungshalbleiterschalter (V 1, V 2) mit einer den Anstieg des Einschaltstromes begrenzenden Drosselspule (L 1) angeordnet ist und der Wechselspannungsanschluß an der direkten Verbindung der beiden Leistungshalbleiterschalter (V 1, V 2) liegt,
  • - jedem der beiden Leistungshalbleiterschalter (V 1, V 2) eine antiparallele Freilaufdiode (V 3, V 4) zugeordnet sowie die Reihenschaltung eines den Spannungsanstieg beim Abschalten begrenzenden Begrenzungskondensators (C 1, C 2) mit einer in Richtung des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters (V 1, V 2) gepolten Begrenzungsdiode (V 5, V 6) parallelgeschaltet ist,
  • - ein erster zusätzlicher Kondensator (C 3) vorgesehen ist, der über einen ersten ohmschen Widerstand (R 1) an den einen (ersten) Pol (+) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und über eine zwischen dem ersten ohmschen Widerstand (R 1) und dem ersten zusätzlichen Kondensator (C 3) angeschlossene erste Anschlußdiode (V 7) mit dem einen Anschluß eines (ersten) der Begrenzungskondensatoren (C 1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein zweiter zusätzlicher Kondensator (C 4) vorgesehen ist, der an den Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule (L 1) und dem einen (ersten) Leistungshalbleiterschalter (V 1) angeschlossen ist und der über einen zweiten ohmschen Widerstand (R 2) mit dem anderen (zweiten) Pol (-) der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem anderen (zweiten) Begrenzungskondensator (C 2) und der ihm in Reihe geschalteten (zweiten) Begrenzungsdiode (V 6) über eine zweite Anschlußdiode (V 8) an den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten ohmschen Widerstand (R 2) und dem zweiten zusätzlichen Kondensator (C 4) angeschlossen ist,
  • - der nicht mit dem ohmschen Widerstand (R 1) verbundene Anschluß des ersten zusätzlichen Kondensators (C 3) direkt an den anderen Pol (-) der Gleichspannungsquelle geschaltet ist,
  • - ein Anschluß des ersten Begrenzungskondensators (C 1) und des zweiten Begrenzungskondensators (C 2) direkt miteinander und mit dem Wechselspannungsanschluß verbunden sind und
  • - die erste Anschlußdiode (V 7) an den mit der (ersten) Begrenzungsdiode (V 5) verbundenen Anschluß des einen (ersten) Begrenzungskondensators (C 1) angeschlossen ist (Fig. 1).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite ohmsche Widerstand (R 1, R 2) durch zwei Primärwicklungen (W 1, W 2) eines Wandlers (T 1) ersetzt sind, dessen Sekundärwicklung (W 3) in Reihe mit einer Sperrdiode (V 90) zwischen den beiden Polen (+, -) der Gleichspannungsquelle angeordnet ist (Fig. 2).
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