DE4121177C2

DE4121177C2 -

Info

Publication number: DE4121177C2
Application number: DE4121177A
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: 1991-06-22
Publication date: 1993-04-15
Also published as: DE4121177A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Abschaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2.

Unter gategesteuerten (Leistungs-)Halbleiterschaltern sind hierbei GTO-Thyristoren, aber auch alle sonstigen über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbare Halbleiterschaltelemente zu verstehen.

Eine Schaltungsanordnung mit einem gemeinsamen Speicherkondensator entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist durch die IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 24, No. 1, January/February 1988, Seiten 115 bis 119 bekannt; eine Schaltungsanordnung mit zwei Speicherkondensatoren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 ist durch die DD 2 74 520 A1 bekannt. Beiden bekannten Schaltungsanordnungen ist gemeinsam, daß die Speicherkondensatoren über zusätzliche Dioden an die Verbindungspunkte von Abschaltentlastungsdiode und Abschaltentlastungskondensator der jeweils den Halbleiterschaltern parallelgeschalteten (Abschaltentlastungs-)Reihenschaltungen angeschlossen sind. Durch die zusätzlichen Dioden soll das Fließen von Umladeströmen aus den Speicherkondensatoren in die Abschaltentlastungskondensatoren vermieden werden.

Die zusätzlichen Dioden stellen einen zusätzlichen Aufwand an Schaltelementen dar, deren konstruktive Unterbringung in der Schaltungsanordnung Schwierigkeiten bereitet, da diese Dioden nicht mit dem Potential der Halbleiterschalter verbunden sind. Da die Dioden aber gekühlt werden müssen, sind für die eigene, isolierte Kühlkörper nötig, für die ein zusätzlicher Platz in der Anordnung, die ohnehin wegen der gering zu haltenden Induktivitäten sehr gedrängt aufgebaut sein muß, nur unter Nachteilen zu schaffen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebenen Schaltungsanordnungen derart zu verbessern, daß der Aufwand an Bauelementen verringert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung jeweils durch die in den Patentansprüchen 1 oder 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Bemessungsregeln für die ohmschen Widerstände und die Speicherkondensatoren ist es vorteilhafterweise möglich, die direkte Anbindung der Speicherkondensatoren an die Verbindungspunkte von Abschaltentlastungsdiode und Abschaltentlastungskondensator der jeweiligen den Halbleiterschaltern parallelliegenden Reihenschaltungen vorzusehen, d. h. den nachteiligen Einsatz der zusätzlichen Dioden zu vermeiden. Der jeweilige Speicherkondensator ist nämlich bei Anwendung der Dimensionsierungsbedingung jeweils bereits auf den Wert der Zwischenkreisspannung entladen, bevor die nächste Abschaltung eines der Halbleiterschalter einsetzt. Zusätzliche, durch Zusatzdioden zu vermeidende Umladeströme können also gar nicht mehr auftreten.

Mit den im Anspruch 2 gekennzeichneten Maßnahmen wird darüber hinaus die in der DD 2 74 520 A1 angegebene Schaltungsanordnung überhaupt erst einsatzfähig, weil bei der bekannten Anordnung ideale, in der Praxis nicht zu realisierende Spannungsquellen vorausgesetzt werden und ohmsche (Entlade-) Widerstände nicht vorgesehen sind.

Ein Wechselrichter, insbesondere ein Pulswechselrichter, dessen Zweigpaare pro Phase entsprechend der Erfindung beschaltet sind, weist damit eine besonders sichere Betriebsweise seiner Halbleiterschalter auf.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von zwei in der Zeichnung in Prinzipschaltbildern dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden:

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Abschaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den mit + und - 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 Beschaltungselemente fortgelassen sind.

Mehrere (in der Regel: drei) dieser Wechselrichterzweigpaare liegen üblicherweise zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle U_d parallel und sind jeweils zur Bildung einer Wechselspannungsphase vorgesehen. Der Wechselspannungsanschluß des Wechselrichters ist dabei jeweils an der direkten Verbindung der beiden Halbleiterschalter vorgesehen.

Den beiden Halbleiterschaltern T₁, T₂ ist gemäß Fig. 1 jeweils eine Freilaufdiode D₁, D₂ antiparallelgeschaltet.

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 der in Fig. 1 gezeigten Stelle 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.

Die Abschaltentlastungsschaltung nach der Erfindung weist eine Reihenschaltung aus einer ersten Abschaltentlastungsdiode D_S1 und einem ersten Abschaltentlastungskondensator C_S1 parallel zu dem ersten, an dem positiven Pol + der Gleichspannungsquelle U_d liegenden Halbleiterschalter T₁ auf. Dem zweiten, an den negativen Pol - der Gleichspannungsquelle U_d angeschlossenen Halbleiterschalter T₂ ist eine Reihenschaltung aus einem weiteren Abschaltentlastungskondensator C_S2 und einer weiteren Abschaltentlastungsdiode D_S2 parallelgeschaltet.

Soweit bis hier beschrieben, ist die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ebenso aufgebaut und auch gleich bezeichnet.

Gemäß Fig. 1 ist ferner ein gemeinsamer Speicherkondensator C₀ vorgesehen, der über einen ersten ohmschen Widerstand R₀₁ mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist und der über einen zweiten ohmschen Widerstand R₀₂ an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle U_d gelegt ist.

Die Kathode der ersten Abschaltentlastungsdiode D_S1 ist an die Verbindung des ersten ohmschen Widerstands R₀₁ mit dem Speicherkondensator C₀ angeschlossen, während die Anode der zweiten Abschaltentlastungsdiode D_S2 an die Verbindung zwischen dem zweiten ohmschen Widerstand R₀₂ und dem Speicherkondensator C₀ gelegt ist.

Es ist also der nicht am Wechselspannungsanschluß liegende Anschluß der beiden Abschaltentlastungskondensatoren C_S1, C_S2 jeweils unmittelbar an den Speicherkondensator C₀ geschaltet. Das ist zulässig, wenn gleichzeitig bei der Dimensionierung der ohmschen Widerstände R₀₁ und R₀₂ und des Speicherkondensators C₀ die Bedingung

K · (R₀₁ + R₀₂) · C₀ < T_{e, min}

erfüllt ist, wobei die Konstante K mit 2K4 anzusetzen ist und mit T_{e, min} die Mindestleitzeit der Halbleiterschalter T₁, T₂ bezeichnet ist. Infolge der derart vorgenommenen Dimensionierung ist der Speicherkondensator C₀ stets praktisch auf die Spannung U_d entladen, bevor die nächste Abschaltung eines der Halbleiterschalter T₁, T₂ erfolgt. Ein Umladestrom kann dann nicht mehr auftreten.

Es ist jedem Halbleiterschalter T₁, T₂ ein eigener Abschaltentlastungskondensator C_S1, C_S2 zugeordnet. Dadurch lassen sich die Streuinduktivitäten in den Beschaltungswegen für die beiden Halbleiterschalter T₁, T₂ gleichermaßen klein halten. Vorteilhafterweise ergeben sich gleich niedrige erste Spannungsspitzen für beide Halbleiterschalter T₁, T₂.

Für die Spannungsanstiegsbegrenzung werden beim abwechselnden Abschalten der Halbleiterschalter T₁, T₂ jeweils beide Abschaltentlastungskondensatoren C_S1, C_S2 über den gemeinsamen Speicherkondensator C₀ parallelgeschaltet.

Fig. 2 zeigt ebenfalls eine symmetrische Beschaltung zur Abschaltentlastung, bei der (wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1) jedem der Halbleiterschalter T₁, T₂ die Reihenschaltung einer Abschaltentlastungsdiode D_S1 bzw. D_S2 mit einem Abschaltentlastungskondensator C_S1 bzw. C_S2 parallelgeschaltet ist. Der Speicherkondensator (C₀ nach Fig. 1) ist jedoch in zwei Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ aufgeteilt, denen jeweils ein ohmscher Widerstand R₀₁, R₀₂ parallelliegt. Diese Parallelschaltungen sind einerseits an den ihnen zugeordneten Pol der Gleichspannungsquelle U_d und andererseits an die jeweilige Verbindung zwischen Abschaltentlastungsdiode D_S1 bzw. D_S2 und Abschaltentlastungskondensator C_S1 bzw. C_S2 angeschlossen. Die Spannungsbelastung der beiden Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ ist vorteilhafterweise nahezu Null.

Bei jedem Abschaltvorgang eines der beiden Halbleiterschalter T₁, T₂ erfolgt bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 eine Parallelschaltung der Abschaltentlastungskondensatoren C_S1, C_S2 über die Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ und die Gleichspannungsquelle U_d.

Auch bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist der nicht am Wechselspannungsanschluß liegende Anschluß der beiden Abschaltentlastungskondensatoren C_S1, C_S2 also jeweils unmittelbar an den nicht mit dem Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluß des jeweiligen Speicherkondensators C₀₁, C₀₂ geschaltet. Das ist ohne den Nachteil eines zur falschen Zeit fließenden Umladestroms möglich, wenn auch hier bei der Dimensionierung der ohmschen Widerstände R₀₁, R₀₂ und der Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ die beiden Bedingungen

K · R₀₁ · C₀₁ < T_{e, min} bzw. K · R₀₂ · C₀₂ < T_{e, min}

erfüllt sind, wobei wieder 2K4 ist und mit T_{e, min} die Mindestleitzeit der Halbleiterschalter T₁, T₂ bezeichnet ist.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Abschaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle angeordneten, gategesteuerten Halbleiterschaltern,

- deren Verbindung den Wechselspannungsanschluß darstellt,
- denen jeweils eine Freilaufdiode antiparallelgeschaltet ist,
- die in Reihe mit einer linearen, den Stromanstieg beim Einschalten begrenzenden Drosselspule geschaltet sind,
- denen jeweils eine Reihenschaltung aus einem mit seinem einen Anschluß direkt an die unmittelbare Verbindung der Halbleiterschalter angeschlossenen Abschaltentlastungskondensator und einer Abschaltentlastungsdiode parallelgeschaltet ist und
- denen ein gemeinsamer Speicherkondensator zugeordnet ist, von dem jeder Anschluß zum einen über einen ohmschen Widerstand mit einem Pol der Gleichspannungsquelle und zum anderen mit dem Verbindungspunkt zwischen Abschaltentlastungsdiode und Abschaltentlastungskondensator der zugehörigen Reihenschaltung in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet,
daß der nicht am Wechselspannungsanschluß liegende Anschluß der beiden Abschaltentlastungskondensatoren (C_S1, C_S2) jeweils unmittelbar an den Speicherkondensator (C₀) geschaltet ist und
daß zudem bei der Dimensionierung der ohmschen Widerstände R₀₁, R₀₂ und des Speicherkondensators C₀ die Bedingung K · (R₀₁ + R₀₂) · C₀ < T_{e, min}erfüllt ist, wobei 2K4 ist und mit T_{e, min} die Mindestleitzeit der Halbleiterschalter (T₁, T₂) bezeichnet ist (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung zur Abschaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle angeordneten, gategesteuerten Halbleiterschaltern,

- deren Verbindung den Wechselspannungsanschluß darstellt,
- denen jeweils eine Freilaufdiode antiparallelgeschaltet ist,
- die in Reihe mit einer linearen, den Stromanstieg beim Einschalten begrenzenden Drosselspule geschaltet sind,
- denen jeweils eine Reihenschaltung aus einem mit seinem einen Anschluß direkt an die unmittelbare Verbindung der Halbleiterschalter angeschlossenen Abschaltentlastungskondensator und einer Abschaltentlastungsdiode parallelgeschaltet ist und
- denen jeweils ein Speicherkondensator zugeordnet ist, der mit seinem einen Anschluß direkt an dem zugehörigen Pol der Gleichspannungsquelle liegt und mit seinem anderen Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen Abschaltentlastungsdiode und Abschaltentlastungskondensator der zugehörigen Reihenschaltung in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet,
daß der nicht am Wechselspannungsanschluß liegende Anschluß der beiden Abschaltentlastungskondensatoren (C_S1, C_S2) jeweils unmittelbar an den nicht mit dem Pol der Gleichspannungsquelle (U_d) verbundenen Anschluß des jeweiligen Speicherkondensators (C₀₁, C₀₂) geschaltet ist,
daß jedem Speicherkondensator (C₀₁, C₀₂) ein ohmscher Widerstand (R₀₁, R₀₂) parallelgeschaltet ist und
daß zudem bei der Dimensionierung der ohmschen Widerstände R₀₁, R₀₂ und der Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ die Bedingungen K · R₀₁ · C₀₁ < T_{e, min} bzw. K · R₀₂ · C₀₂ < T_{e, min}erfüllt sind, wobei 2K4 ist und mit T_{e, min} die Mindestleitzeit der Halbleiterschalter (T₁, T₂) bezeichnet ist (Fig. 2).