DE4042378C2

DE4042378C2 -

Info

Publication number: DE4042378C2
Application number: DE4042378A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. Eggert; Matthias Dr.-Ing. 1000 Berlin De Jung
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1990-06-23
Filing date: 1990-06-23
Publication date: 1993-04-22
Also published as: DE4042378A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine symmetrische Schaltentlastungsanordnung für ein aus gategesteuerten Halbleiterschaltern gebildetes Wechselrichterpaar. Bekannt ist durch die EP 03 35 169 A1 eine solche Schaltungsanordnung mit gategesteuerten Halbleiterschaltern,The invention relates to a symmetrical switching relief arrangement for a pair of inverters made up of gate-controlled semiconductor switches. Such a circuit arrangement is known from EP 03 35 169 A1 gate controlled semiconductor switches,

- Each with a choke coil with one of the poles of a DC voltage source are connected,
- whose direct connection represents the AC voltage connection,
- Which each have a free-wheeling diode connected in anti-parallel
- and each of which is connected in series from a common, with its one connection directly to the immediate connection the semiconductor switch switched shutdown relief capacitor, a shutdown relief diode and a storage capacitor connected in parallel is, a connection of each storage capacitor via a ohmic resistance with one of the poles of the DC voltage source in Connection is established.

Unter gategesteuerten (Leistungs-)Halbleiterschaltern sind hierbei GTO-Thyristoren, aber auch alle sonstigen über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbare Halbleiterschaltelemente zu verstehen.Among gate-controlled (power) semiconductor switches are GTO thyristors, but also all the others via their tax connection understandable switchable semiconductor switching elements.

Bei der Schaltungsanordnung nach der zuvor erwähnten EP 03 35 169 A1 ist der aus den gategesteuerten Halbleiterschaltern und den ihnen antiparallelliegenden Freilaufdioden bestehende Wechselrichterleistungsteil über je eine als sättigbare Stufendrossel ausgebildete Drosselspule mit dem positiven bzw. negativen Pol der speisenden Gleichspannungsquelle verbunden. Zur Schaltentlastung der Halbleiterschalter dient ein Beschaltungsnetzwerk. In diesem bewirkt ein aus dem gemeinsamen Abschaltentlastungskondensator, den zwei Speicherkondensatoren und den zwei Abschaltentlastungsdioden bestehender Teil eine gleichmäßige Abschaltentlastung und ein aus zwei weiteren linearen Stromanstiegsbegrenzungsdrosseln und vier Rückspeisedioden bestehender Teil eine gleichmäßige Einschaltentlastung des jeweiligen Halbleiterschalters. Mit Hilfe der Stufendrosseln wird der Leistungsteil und das Beschaltungsnetzwerk insbesondere während des Einschaltvorganges einer der Halbleiterschalter vorübergehend so von der Gleichspannungsquelle abgekoppelt, daß die zwischengespeicherten Beschaltungs energien teilweise in die Last eingespeist bzw. in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist werden.In the circuit arrangement according to the aforementioned EP 03 35 169 A1 is that of the gate-controlled semiconductor switches and their anti-parallel Freewheeling diodes existing inverter power section over one each Choke coil designed as a saturable step choke with the positive or negative pole of the feeding DC voltage source connected. For switching relief the semiconductor switch serves as a wiring network. In this causes one from the common cut-off relief capacitor, the two Storage capacitors and the two shutdown relief diodes existing Part of an even shutdown relief and one of two more linear Current limiting chokes and four regenerative diodes existing part an even switch-on relief of the respective semiconductor switch. With The power section and the wiring network become the step chokes especially during the switch-on process of one of the semiconductor switches temporarily so from the DC voltage source decoupled that the cached circuitry energies partly fed into the load or into the DC voltage source be fed back.

Der Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln macht die Dimensionierung der Schaltelemente wegen der variablen Arbeitspunkte problematisch. Auch ist das Kurzschlußverhalten ungünstig, da insbesondere im Sättigungsfall der Stu fendrossel der Strom bei einem Zweigkurzschluß zusätzlich zu begrenzen ist. Die nur teilweise Energierückspeisung ist darüber hinaus wenig effektiv. Da gegen ist der Aufwand für diese bekannte Schaltentlastung wegen der vielen Bauelemente recht hoch.The use of the saturable step chokes makes the dimensioning of the Switching elements problematic because of the variable operating points. Is too the short-circuit behavior unfavorable, since the stu If the branch is short-circuited, the current must also be limited. The only partial energy recovery is also not very effective. There against is the effort for this known switching relief because of the many Components quite high.

Mit erheblich weniger Aufwand arbeiten Schaltentlastungsschaltungen mit un symmetrischem Aufbau. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE 32 44 623 A1 bekannt. Bei dieser ist nur einer der beiden Leistungshalb leiterschalter mit einem Abschaltentlastungskondensator beschaltet, und der Speicherkondensator liegt zu den beiden Halbleiterschaltern parallel. Der Ab schaltentlastungskondensator begrenzt beim Aufladen den Spannungsanstieg am ihm parallelliegenden Halbleiterschalter und beim Entladen am zweiten Halb leiterschalter. Diese Entladung ist jedoch problematisch, da der Abschaltstrom des zweiten Halbleiterschalters über die beiden Kondensatoren nach dem Minus potential der Gleichspannungsquelle fließt. 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. Das führt zu relativ komplizierten und damit teueren Verbindungen des Speicherkondensators in der Schaltung. Die Serieninduktivität des Speicherkondensators muß darüber hinaus ebenfalls gering sein. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmenden Werten von Strom und Spannung, so daß unter anderem der enge Einbau der Konstruktion einer Luftkühlung erschwert sowie Montage und Service behindert werden.Switch relief circuits work with un with much less effort symmetrical structure. Such a circuit arrangement is through the DE 32 44 623 A1 known. This is only one of the two power levels conductor switch connected with a cut-off relief capacitor, and the Storage capacitor is parallel to the two semiconductor switches. The Ab Switching relief capacitor limits the voltage rise on charging parallel semiconductor switch and when discharging on the second half conductor switch. However, this discharge is problematic because of the shutdown current of the second semiconductor switch via the two capacitors after the minus potential of the DC voltage source flows. The inductance of this circuit must be very small so that the low, maximum permissible first voltage peak as the tension increases (i.e. the so-called forward needle tension) is not exceeded. This leads to relatively complicated and therefore expensive Connections of the storage capacitor in the circuit. The series inductance the storage capacitor must also be low. This Problem increases with increasing values of current and voltage, so that among other things the tight installation of the construction of an air cooling difficult and assembly and service are hindered.

Insbesondere bei Wechselrichtern höherer Leistung (d. h. höherer Zwischenkreis spannung als Gleichspannungsquelle eines einen derartigen Wechselrichter auf weisenden Umrichters) wird die Strombelastung des Abschaltentlastungskonden sators sehr hoch und es tritt zudem eine hohe erste Spannungsspitze am zweiten Halbleiterschalter auf. Especially for inverters with higher power (i.e. higher DC link voltage as a DC voltage source of such an inverter pointing converter), the current load of the sator very high and there is also a high first voltage peak second semiconductor switch.

Um dieses zu verhindern, eignen sich symmetrische Schaltungsanordnungen, wie sie aus der eingangs genannten EP 03 35 169 A1 bekannt sind oder wie sie in der älteren DE-Patentanmeldung 39 15 310.2 (vgl. DE 39 15 310 A1) vorgeschlagen sind, bei denen jedem der Halbleiterschalter ein Abschaltentlastungskreis aus Abschaltent lastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode parallelliegt. Damit wird aber auch - wie bereits erwähnt - der Bauteilaufwand sehr hoch.To prevent this, symmetrical circuit arrangements are suitable, as known from EP 03 35 169 A1 mentioned at the outset or as they are proposed in the older DE patent application 39 15 310.2 (cf. DE 39 15 310 A1), in which each of the semiconductor switches a shutdown relief circuit from shutdown load capacitor and cut-off relief diode in parallel. So that will but also - as already mentioned - the component expenditure is very high.

Es sind durch die EP 02 99 339 A1 verlustarme Beschaltungen eines Dreipunkt wechselrichters bekannt, die zum Abbau der gespeicherten Beschaltungsenergie neben Abschaltentlastungsdioden und Abschaltentlastungskondensatoren auch zwei ohmsche Widerstände aufweisen, die zu je zweien der vier miteinander verbundenen Halbleiterschalter zugeordnet sind. Entlastungsschaltungen dieser Art sind vom Aufbau und von der grundsätzlichen Funktion wegen des unter schiedlichen Betriebsverhaltens eines Dreipunktwechselrichters nicht mit der der Erfindung zugrundeliegenden Art von Schaltentlastungsanordnungen bei aus zwei gategesteuerten Halbleiterschaltern aufgebauten Wechselrichterzweigpaaren vergleichbar.EP 02 99 339 A1 provides low-loss circuits for a three-point connection inverter known to reduce the stored wiring energy in addition to shutdown relief diodes and shutdown relief capacitors have two ohmic resistances, each two of the four with each other connected semiconductor switches are assigned. Relief circuits this Kind are of the construction and of the basic function because of the under different operating behavior of a three-point inverter not with the the type of switching relief arrangements on which the invention is based two gate-controlled semiconductor switches constructed inverter branch pairs comparable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungs anordnung derart zu verbessern, daß die Schaltentlastung mit nur geringem Aufwand möglich ist, ohne daß die Nachteile einer unsymmetrischen Beschal tung in Kauf genommen werden müssen.The invention has for its object the circuit mentioned above arrangement to improve such that the switching relief with little Effort is possible without the disadvantages of an asymmetrical scarf must be accepted.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by those specified in the claim Features solved.

Der nachteilige Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln wird somit vorteilhaft vermieden und die unbedeutende Energierückspeisung entfällt, ohne daß trotz des erheblich verringerten Schaltungsaufwands in der Praxis Probleme auftreten.The disadvantageous use of the saturable step chokes is therefore advantageous avoided and the insignificant energy recovery is omitted without of the significantly reduced circuit complexity problems occur in practice.

Ein Wechselrichter, insbesondere ein Pulswechselrichter, dessen Zweigpaare pro Phase entsprechend der Erfindung beschaltet sind, weist damit eine besonders sichere Betriebsweise seiner Halbleiterschalter auf.An inverter, in particular a pulse inverter, the pairs of branches are connected per phase according to the invention, thus has a particularly safe operation of its semiconductor switch.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestell ten Ausführungsbeispiels erläutert werden: The invention is illustrated below with reference to one in the drawing figure th exemplary embodiment are explained:

Die Zeichnungsfigur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Schaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den mit +, - bezeichneten Polen einer Gleichspannungsquelle U_d angeordneten Halbleiterschaltern T₁ und T₂. Diese Halbleiterschalter T₁, T₂ sind als GTO-Thyristoren dargestellt, wobei hier sämtliche nicht für das Verständnis der Erfindung notwendigen Beschaltungs elemente fortgelassen sind.The drawing shows a circuit arrangement for switching relief of a pair of inverter branches comprising two semiconductor switches T ₁ and T ₂ arranged between the poles of a DC voltage source U _d labeled +, -. These semiconductor switches T ₁ , T ₂ are shown as GTO thyristors, all of the wiring elements not necessary for understanding the invention being omitted here.

Mehrere (in der Regel: 3) dieser Wechselrichterzweigpaare liegen üblicher weise zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle U_d parallel und sind jeweils zur Bildung einer Wechselspannungsphase vorgesehen. Der Wechsel spannungsanschluß des Wechselrichters ist dabei jeweils an der direkten Ver bindung der beiden Halbleiterschalter T₁, T₂ vorgesehen.Several (usually: 3) of these pairs of inverter branches are usually parallel between the poles of the DC voltage source U _d and are each provided to form an AC voltage phase. The AC voltage connection of the inverter is in each case provided at the direct connection between the two semiconductor switches T ₁ , T ₂ .

Den beiden Halbleiterschaltern T₁, T₂ ist jeweils eine Freilaufdiode D₁, D₂ antiparallelgeschaltet.A free-wheeling diode D ₁ , D _{2 is connected} antiparallel to the two semiconductor switches T ₁ , T ₂ .

Weiterhin ist jedem der Halbleiterschalter T₁, T₂ eine den Stromanstieg beim Einschalten des jeweiligen Halbleiterschalters T₁ bzw. T₂ begrenzende lineare Drosselspule L_K1 bzw. L_K2 in Reihe geschaltet. Hinsichtlich dieser Drosselspulen L_K1, L_K2 sei angemerkt, daß diese nicht an den in der Zeich nungsfigur gezeigten Stellen der Schaltungsanordnung liegen müssen. Sie können auch z. B. nur einzeln, d. h. nur L_K1 oder nur L_K2, eingesetzt werden oder (gemeinsam für die einzelnen Wechselrichterzweigpaare) in den Zuleitungen von der Gleichspannungsquelle U_d liegen. Für die Abschaltentlastung der Halbleiterschalter T₁, T₂ ist ein gemeinsamer Abschaltentlastungskondensator C_S vorgesehen, der mit seinem einen Anschluß direkt an den Wechselspannungs anschluß geschaltet ist. Dieser Abschaltentlastungskondensator C_S liegt in Reihe mit einer ersten Abschaltentlastungsdiode D_S1 und einem ersten Spei cherkondensator C₀₁ parallel zum ersten Halbleiterschalter T₁. Der gemein same Abschaltentlastungskondensator C_S liegt aber auch gleichzeitig in Reihe mit einem zweiten Speicherkondensator C₀₂ und einer zweiten Abschaltent lastungsdiode D_S2 parallel zu dem zweiten Halbleiterschalter T₂.Furthermore, each of the semiconductor switches T ₁ , T _{2 is} connected in series with a linear choke coil L _K1 or L _{K2 which} limits the current rise when the respective semiconductor switch T ₁ or T _{2 is} switched on. With regard to these inductors L _K1 , L _K2 , it should be noted that they do not have to be at the points of the circuit arrangement shown in the drawing. You can also use e.g. B. only individually, ie only L _K1 or only L _K2 , or (together for the individual inverter branch pairs) lie in the supply lines from the DC voltage source U _d . For the shutdown relief of the semiconductor switches T ₁ , T ₂ , a common shutdown relief capacitor C _{S is} provided, which is connected with its one connection directly to the AC voltage connection. This cut-off relief capacitor C _S is in series with a first cut-off relief diode D _S1 and a first storage capacitor C _{01 in} parallel with the first semiconductor switch T ₁ . The common shutdown discharge capacitor C _S is also in series with a second storage capacitor C ₀₂ and a second load diode D _{S2 in} parallel with the second semiconductor switch T ₂ .

Die beiden Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ sind jeweils mit ihrem nicht mit dem Abschaltentlastungskondensator C_S verbundenen Anschluß über ohmsche Widerstände R₀₁, R₀₂ an den positiven bzw. negativen Pol der Gleichspannungs quelle U_d angeschlossen. Die erste Abschaltentlastungsdiode D_S1 ist kathoden seitig an die Verbindung des ersten ohmschen Widerstands R₀₁ mit dem Spei cherkondensator C₀₁ angeschlossen, während die Anode der zweiten Abschalt entlastungsdiode D_S2 an die Verbindung zwischen dem zweiten ohmschen Wi derstand R₀₂ und dem Speicherkondensator C₀₁ gelegt ist.The two storage capacitors C ₀₁ , C ₀₂ are each connected to the positive or negative pole of the DC voltage source U _d via their connection which is not connected to the cut-off relief capacitor C _S via ohmic resistors R ₀₁ , R ₀₂ . The first shutdown discharge diode D _S1 is connected on the cathode side to the connection of the first ohmic resistor R ₀₁ to the storage capacitor C ₀₁ , while the anode of the second shutdown discharge diode D _S2 to the connection between the second ohmic resistor R ₀₂ and the storage capacitor C ₀₁ is laid.

Die Kondensatoren C₀₁, C₀₂, C_S brauchen jeweils nur für die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle U_d bemessen zu werden. Trotz der Symmetrie der Beschaltung des Wechselrichterzweigpaares ist der Bauelementeaufwand somit gering gehalten.The capacitors C ₀₁ , C ₀₂ , C _S only need to be dimensioned for half the voltage of the DC voltage source U _d . In spite of the symmetry of the wiring of the pair of inverter branches, the expenditure on components is thus kept low.

Claims

Symmetrical switching relief arrangement for an inverter branch pair formed from gate-controlled semiconductor switches, which has the following features:

a) Each have an antiparallel-connected free-wheeling diode (D₁, D₂) having semiconductor switches (T₁, T₂), the direct connection of which represents the AC voltage connection, are each via a linear choke limiting the current rise when switching on one of the semiconductor switches (T₁, T₂) ( L _K ₁, L _K ₂) connected to one of the poles of a DC voltage source (U _d ).
b) One with its one connection to the AC voltage cut-off discharge capacitor (C _S ) is connected directly to two storage capacitors (C₀₁, C₀₂) with its other connection, each of which, on the other hand, directly via an ohmic resistor (R₀₁, R₀₂) with a pole of the DC voltage source (U _d ) are connected.
c) Two switch-off relief diodes (D _S ₁, D _S ₂) connect in direct voltage potential, each associated directly with the connection point between the inductor (L _K ₁ or L _K ₂) and the semiconductor switch (T₁ or T₂) with the connection point between the storage capacitor (C₀₁ or C₀₂) and the ohmic resistance (R₀₁ or R₀₂).