DE4135870C1

DE4135870C1 - Overcurrent and short circuit protection circuitry for inverter - provides four gate-controlled power semiconductor switches for each phase lead

Info

Publication number: DE4135870C1
Application number: DE4135870A
Authority: DE
Inventors: Samir Dr.-Ing. Salama; Yehia Dr.-Ing. 1000 Berlin De Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1991-10-26
Filing date: 1991-10-26
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2011-10-27

Abstract

For each phase, positive and negative supply rails are connected through inducators (L1, L2) and pairs of thyristor switches (T1, T2) and (T3, T4) to the output terminal (A). Between the thyristors of each pair a connection is made through a coupling diode (D5, D6) to the mid-voltage supply point (M) formed by a capacitative potential divider (C1, C2). Connections before each thyristor pair (K, L) lead through coupling diodes (DK5, DK6), resonating inductors (LK1, LK2) and parallel quenching thyristor pairs (Th1, Th2) and (Th3, Th4) to the same mid-voltage point. Resonating capacitances (CK1, CK2) coupled the two arms of each quenching thyristor circuit. Limiting resistors and diodes (RK7, DK7) and (RK8, DK8) link the supply rails to the quenching thyristors. USE/ADVANTAGE - Overcurrent and short circuit protection for 3-stage inverter; current interruption without need for fuses or discharge of energy through second circuit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Dreistufenwechselrichter der genann ten Art ist durch die DE 37 43 437 C1 bekannt. Dabei sind die Lei stungshalbleiterschalter unsymmetrisch mit einem die Schaltverluste mindernden Schaltentlastungsnetzwerk beschaltet.The invention relates to a circuit arrangement according to the Preamble of claim 1. A three-stage inverter called ten type is known from DE 37 43 437 C1. Here are the lei Power semiconductor switch asymmetrical with a switching loss mitigating switching relief network.

Ein Dreistufenwechselrichter, bei dem die unsymmetrische Beschaltung der Leistungshalbleiterschalter zu einer verlustarmen symmetrischen Beschaltung ergänzt ist, ist in der als Stand der Technik zählenden DE 41 13 603 C1 angegeben.A three-stage inverter in which the asymmetrical wiring the power semiconductor switch to a low loss symmetrical Wiring is supplemented, is in the state of the art DE 41 13 603 C1 specified.

Unter den bei den Dreistufenwechselrichtern eingesetzten gategesteuer ten Leistungshalbleiterschaltern sind solche Schaltelemente zu verste hen, die über ihren Steueranschluß sowohl ein- als auch abgeschaltet werden können, wie zum Beispiel GTO-Thyristoren.Among the gate controls used in three-stage inverters Such switching elements can be understood in the case of power semiconductor switches hen switched on and off via their control connection such as GTO thyristors.

Solche Leistungshalbleiterschalter sind besonders durch Überströme bzw. Kurzschlußströme gefährdet, weil sie diese ab einer bestimmten Höhe nicht mehr abzuschalten vermögen. Es ist deshalb ein Überstrom- bzw. Kurzschlußschutz notwendig, der beim Auftreten eines zu hohen Stromes eine Unterbrechung desselben herbeiführt. Such power semiconductor switches are particularly affected by overcurrents or short-circuit currents, because they are above a certain Height can no longer switch off. It is therefore an overcurrent or short-circuit protection necessary, which occurs when a too high Current causes an interruption of the same.

Eine solche Anordnung zum Schutz eines von einem einen Zwischenkreis kondensator und eine Glättungsdrossel enthaltenden Gleichspannungs zwischenkreis gespeisten Wechselrichters ist durch die DE 23 49 161 B2 bekannt.Such an arrangement for protecting one of an intermediate circuit capacitor and a smoothing choke containing DC voltage DC link-fed inverter is from DE 23 49 161 B2 known.

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist parallel zum Zwischen kreiskondensator ein Zusatzzweig mit einer Induktivität und einem Hilfsthyristor geschaltet. Im Falle eines Überstromes bilden die Induktivitäten und der Zwischenkreiskondensator durch Zünden aller Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters und des Hilfsthyri stors einen Schwingkreis. Der Zwischenkreiskondensator entlädt sich während der ersten Hälfte des Umschwingvorgangs zunächst über die nur kurz angesteuerten Leistungshalbleiterschalter und polt sich dann um, so daß während der zweiten Hälfte des Umschwingvorgangs der Strom ent gegen der Durchlaßrichtung der Leistungshalbleiterschalter über die se antiparallelgeschalteten Freilaufdioden fließt. Ein aus einem Wi derstand und einer entgegen der Zwischenkreisspannung gepolten Diode bestehender Zusatzkreis parallel zum Zwischenkreiskondensator sorgt dafür, daß ein Teil der schwingenden Energie während der zweiten Hälfte des Umschwingvorgangs im Widerstand abgebaut wird. Während dieser Zeit gewinnen die Leistungshalbleiterschalter ihre Sperrfähig keit zurück.In this known circuit arrangement is parallel to the intermediate circuit capacitor an additional branch with an inductance and Auxiliary thyristor switched. In the event of an overcurrent, the Inductors and the intermediate circuit capacitor by firing all Power semiconductor switch of the inverter and the auxiliary thyri stors a resonant circuit. The intermediate circuit capacitor discharges during the first half of the swinging process, first over the only briefly controlled power semiconductor switch and then reverses polarity, so that the current ent during the second half of the reversal process against the forward direction of the power semiconductor switch over the se anti-parallel freewheeling diodes flows. One out of a wi and a diode polarized against the DC link voltage existing additional circuit parallel to the DC link capacitor ensures for some of the vibrating energy during the second Half of the reversing process is reduced in the resistance. While During this time, the power semiconductor switches become lockable back.

Diese Art des Überstromschutzes ist problematisch, da der Schwingkreis nur eine sehr geringe Dämpfung hat und da trotz der Aufteilung des Stromes auf die einzelnen Phasenstränge des Wechselrichters der Strom während der ersten Halbschwingung infolge der im Kondensator des Zwi schenkreises gespeicherten großen Energiemenge so hoch sein kann, daß die Leistungshalbleiterschalter thermisch zerstört werden.This type of overcurrent protection is problematic because of the resonant circuit has only a very low damping and despite the division of the Current on the individual phase strands of the inverter during the first half oscillation due to the in the capacitor of the Zwi Schenkkreises stored large amount of energy can be so high that the power semiconductor switches are thermally destroyed.

Es ist zwar auch möglich, Schmelzsicherungen zum Schutz gegen Über ströme einzusetzen (vgl. "IEEE Transactions on Industry Applications" Vol. 24, No. 1, January/February 1988, Seiten 115 bis 120), doch macht dieses nach einem Störungsfall eine automatische Wiederinbetrieb nahme des Wechselrichters unmöglich und verlangt eine zusätzliche War tung zwecks Austauschs der Sicherungen.Although it is also possible to use fuses to protect against over use currents (see "IEEE Transactions on Industry Applications" Vol. 24, No. 1, January / February 1988, pages 115 to 120), but does an automatic restart after a malfunction Impossible to take the inverter and requires an additional war to replace the fuses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß ein durch die Leistungshalbleiterschalter fließender Über- bzw. Kurzschlußstrom unmittelbar unterbrochen wird, ohne daß Schmelzsicherungen verwendet werden und ohne daß eine ener giereiche Entladung der den Dreistufenwechselrichter speisenden Gleich spannungsquelle (zum Beispiel eines Kondensators im Zwischenkreis) er folgen muß.The invention has for its object the circuit arrangement of the type mentioned to design such that a through the power semiconductor switch flowing overcurrent or short-circuit current is interrupted immediately, without fuses being used and without an ener greedy discharge of the DC feeding the three-stage inverter voltage source (for example a capacitor in the intermediate circuit) must follow.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn zeichneten Merkmale gelöst.This object is characterized according to the invention by the in claim 1 features resolved.

Durch Zünden der zugehörigen Löschthyristoren im Falle eines Über- bzw. Kurzschlußstromes wird einer der beiden jeweils aus Schwing kreiskondensator und Schwingkreisinduktivität gebildeten, beim Nor malbetrieb vom Dreistufenwechselrichter entkoppelten Schwingkreise angeregt. Der Strom des aktivierten Schwingkreises fließt über die Freilaufdioden des Dreistufenwechselrichters und sperrt damit die gategesteuerten, vorher den Über- bzw. Kurzschlußstrom führenden Lei stungshalbleiterschalter schnellstens. Vorteilhafterweise kann somit auf Schmelzsicherungen und den damit verbundenen Wartungsaufwand ver zichtet werden. Eine einfache Inbetriebnahme des Dreistufenwechselrich ters ist nach Wegfall der Störungsursache gewährleistet, und die Lei stungshalbleiterschalter werden auch nicht durch die Entladung eines Schwingkreiskondensators gefährdet.By igniting the associated quenching thyristors in the event of an or short-circuit current becomes one of the two from oscillation circuit capacitor and resonant circuit inductance, formed at Nor Painting operation of oscillating circuits decoupled from the three-stage inverter excited. The current of the activated resonant circuit flows through the Free-wheeling diodes of the three-stage inverter and thus block the gate-controlled, previously leading the overcurrent or short-circuit current semiconductor switch as quickly as possible. Advantageously, can on fuses and the associated maintenance effort to be waived. Easy commissioning of the three-stage inverter ters is guaranteed after elimination of the cause of the fault, and the lei power semiconductor switches are also not discharged by a Resonant circuit capacitor at risk.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfin dung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous refinements of the circuit arrangement according to the invention dung are characterized in the remaining claims.

Die Erfindung soll im folgenden für einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert werden.The invention is intended to be based on some exemplary embodiments the drawing are explained.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 eine Löschanordnung nach der Erfindung für einen Dreistufenwechselrichter mit unsymmetrischer Be schaltung, Fig. 1 a deletion circuit arrangement according to the invention for a three-level inverter with asymmetrical Be,

Fig. 2 eine Löschanordnung nach der Erfindung für einen Drei stufenwechselrichter mit verbesserter unsymmetrischer Beschaltung und Fig. 2 shows a quenching arrangement according to the invention for a three-stage inverter with improved asymmetrical wiring and

Fig. 3 eine Löschanordnung nach der Erfindung für einen Drei stufenwechselrichter mit symmetrischer Beschaltung. Fig. 3 shows a quenching arrangement according to the invention for a three-stage inverter with symmetrical wiring.

Gemäß Fig. 1 speist eine nicht näher dargestellte Gleichspannungsquel le (zum Beispiel ein Netzstromrichter) über ihre mit +, - bezeichneten Pole einen dreisträngigen Dreistufenwechselrichter. In Einzelheiten dargestellt ist hierbei nur der Strang für die Phase U, denn die Strän ge der Phasen V, W sind identisch mit dem Strang der Phase U aufge baut. Der Dreistufenwechselrichter ist in bekannter Weise geschaltet. Rechts der gestrichelten Linie a-b ist eine Kurzschluß- und Überstrom- Kommutierungseinrichtung nach der Erfindung gezeigt.According to FIG. 1, a DC voltage source (not shown in more detail) (for example a mains converter) feeds a three-stranded three-stage inverter via its poles labeled +, -. Only the strand for phase U is shown in detail, because the strands of phases V, W are identical to the strand of phase U. The three-stage inverter is connected in a known manner. A short-circuit and overcurrent commutation device according to the invention is shown to the right of the dashed line.

Im einzelnen besteht der Strang der Phase U aus einer über eine erste bzw. zweite Einschaltentlastungsdrossel L1, L2 mit den Polen +, - der Gleichspannungsquelle verbundenen Reihenanordnung aus einer ersten bis vierten Antiparallelschaltung je eines gategesteuerten Leistungshalb leiterschalters T1 bis T4 mit einer Freilaufdiode D1 bis D4. Die Lei stungshalbleiterschalter T1 bis T4 sind hier als GTO-Thyristoren aus gebildet. Der Verbindungspunkt A der mittleren Antiparallelschaltungen dient als Wechselspannungsausgang und ist mit einer Last verbun den.Specifically, the phase U phase consists of a series arrangement connected to the poles +, - of the DC voltage source via a first or second switch-on relief inductor L 1 , L 2 from a first to fourth antiparallel connection of a gate-controlled power semiconductor switch T 1 to T 4 with one Free-wheeling diode D 1 to D 4 . The Lei power semiconductor switches T 1 to T 4 are formed here as GTO thyristors. The connection point A of the middle anti-parallel circuits serves as an AC voltage output and is connected to a load.

Die Verbindungspunkte B, C zwischen der ersten und zweiten bzw. der dritten und vierten Antiparallelschaltung sind über eine erste bzw. zweite Entkopplungsdiode D5, D6 an den Verbindungspunkt M zwischen einem ersten und einem zweiten zwischen die Pole +, - der Gleichspan nungsquelle geschalteten Spannungsteilerkondensator C1, C2 angeschlos sen. Dem ersten bzw. zweiten Spannungsteilerkondensator C1, C2 ist eine erste bzw. zweite Serienschaltung aus einem ersten bzw. zweiten Speicherkondensator C12 bzw. C42 und einem an jeweils einen Pol + bzw. - der Gleichspannungsquelle direkt angeschlossenen ersten bzw. zweiten ohmschen Widerstand R1 bzw. R2 parallelgeschaltet.The connection points B, C between the first and second or the third and fourth anti-parallel connection are connected via a first or second decoupling diode D 5 , D 6 to the connection point M between a first and a second between the poles +, - of the direct voltage source Voltage divider capacitor C 1 , C 2 connected. The first or second voltage divider capacitor C 1 , C 2 is a first or second series circuit comprising a first or second storage capacitor C 12 or C 42 and a first or second ohmic connected directly to one pole + or - of the DC voltage source Resistor R 1 or R 2 connected in parallel.

Den Leistungshalbleiterschaltern T1 und T4 der ersten und der vierten Antiparallelschaltung liegt jeweils die Reihenschaltung eines Aus schaltentlastungskondensators C11, C41 mit einer Ausschaltentlastungs diode D11, D41 parallel. Das heißt, die Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 sind hier unsymmetrisch mit einem Schaltentlastungsnetzwerk be schaltet.The power semiconductor switches T 1 and T 4 of the first and the fourth anti-parallel connection each have the series connection of a switch-off capacitor C 11 , C 41 with a switch-off diode D 11 , D 41 in parallel. That is to say, the power semiconductor switches T 1 to T 4 are connected asymmetrically to a switching relief network.

Die Verbindungspunkte D bzw. E zwischen den Ausschaltentlastungskon densatoren C11 bzw. C41 und den Ausschaltentlastungsdioden C11 bzw. D41 an der ersten bzw. vierten Antiparallelschaltung sind mit den Ver bindungspunkten F bzw. G des jeweiligen Speicherkondensators C12 bzw. C42 mit dem ersten bzw. zweiten ohmschen Widerstand R1 bzw. R2 der ersten bzw. zweiten Serienschaltung über eine erste bzw. zweite Schal tungsdiode D12 bzw. D42 verbunden.The connection points D and E between the Ausschaltentlastungskon capacitors C 11 and C 41 and the Ausschaltentlastungsdioden C 11 and D 41 are at the first and fourth antiparallel circuit with the Ver bond points F and G of the respective storage capacitor C 12 or C 42 connected to the first or second ohmic resistor R 1 or R 2 of the first or second series circuit via a first or second circuit diode D 12 or D 42 .

Tritt nun ein durch die Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 fließen der Strom auf, den diese nicht mehr abschalten können, das heißt also ein Über- oder Kurzschlußstrom, der die Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 zu zerstören droht, greift die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ein, die rechts der gestrichelten Linie a-b gezeigt ist.If a current flows through the power semiconductor switches T 1 to T 4 , which they can no longer switch off, that is to say an overcurrent or short-circuit current which threatens to destroy the power semiconductor switches T 1 to T 4 , the circuit arrangement according to the invention takes effect one that is shown to the right of the dashed line ab.

Pro Wechselrichterstrang für die Phasen U, V, W sind an die Anode des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 die Anode einer ersten Strang entkopplungsdiode DK5 und an die Kathode des vierten Leistungshalb leiterschalters T4 die Kathode einer zweiten Strangentkopplungsdio de DK6 gelegt.For each inverter string for the phases U, V, W, the anode of a first strand decoupling diode DK 5 is connected to the anode of the first power semiconductor switch T 1 and the cathode of a second string decoupling diode de DK 6 to the cathode of the fourth power semiconductor switch T 4 .

Gemeinsam für alle Wechselrichterstränge der Phasen U, V, W sind außerdem zwischen die Kathode der ersten Strangentkopplungsdiode DK5 bzw. die Anode der zweiten Strangentkopplungsdiode DK6 und den Verbin dungspunkt M der Spannungsteilerkondensatoren C1, C2 jeweils aus einer Schwingkreisinduktivität LK1, LK2, einem ersten Löschthyristor Th1, Th4, einem Schwingkreiskondensator CK1, CK2 und einem zweiten Lösch thyristor Th2, Th3 in dieser Reihenfolge gebildete Reihenschwingkreise geschaltet.Common for all inverter strings of phases U, V, W are also between the cathode of the first strand decoupling diode DK 5 or the anode of the second strand decoupling diode DK 6 and the connection point M of the voltage divider capacitors C 1 , C 2 each of a resonant circuit inductance LK 1 , LK 2 , a first quenching thyristor Th 1 , Th 4 , a resonant circuit capacitor CK 1 , CK 2 and a second quenching thyristor Th 2 , Th 3 connected in this order series resonant circuits.

Jeder Pol + bzw. - der Gleichspannungsquelle ist über eine Reihen schaltung einer gegen den jeweiligen Pol gerichteten Begrenzungsdiode DK7, DK8 und eines Begrenzungswiderstandes RK7, RK8 mit dem zugehörigen Verbindungspunkt der Schwingkreisinduktivität LK1 bzw. LK2 mit dem ersten Löschthyristor Th1 bzw. Th4 verbunden.Each pole + or - of the DC voltage source is connected in series via a limiting diode DK 7 , DK 8 directed against the respective pole and a limiting resistor RK 7 , RK 8 with the associated connection point of the resonant circuit inductance LK 1 or LK 2 with the first quenching thistor Th 1 or Th 4 connected.

Die Beschaltungen aus Begrenzungswiderstand RK7 bzw. RK8 und Begren zungsdiode DK7 bzw. DK8 dienen als sogenannte Clamp-Beschaltung zur Be grenzung der Spannungen an den beiden Schwingkreiskondensatoren CK1 und CK2.The circuits of limiting resistor RK 7 or RK 8 and limita- tion diode DK 7 or DK 8 serve as a so-called clamp circuit to limit the voltages at the two resonant circuit capacitors CK 1 and CK 2 .

Ferner ist parallel zu den jeweiligen Reihenschaltungen aus erstem Löschthyristor Th1 bzw. Th4 und Schwingkreiskondensator CK1 bzw. CK2 bzw. Schwingkreiskondensator CK1 bzw. CK2 und zweitem Löschthyristor Th2 bzw. Th3 jeweils eine Ladediode DK1 bis DK4 in Serie mit einem Ladewiderstand RK1 bis RK4 geschaltet.Furthermore, a charging diode DK 1 to DK 4 is in parallel with the respective series connections of the first quenching thistor Th 1 or Th 4 and the resonant circuit capacitor CK 1 or CK 2 or the resonant circuit capacitor CK 1 or CK 2 and the second quenching thistor Th 2 or Th 3 connected in series with a charging resistor RK 1 to RK 4 .

Die Löschthyristoren Th1 bis Th4 sind während des normalen Betriebs des Dreistufenwechselrichters gesperrt.The quenching thyristors Th 1 to Th 4 are blocked during normal operation of the three-stage inverter.

Wenn im Dreistufenwechselrichter ein Überstrom bzw. ein Kurzschluß strom entsteht, bei dem die Gefahr besteht, daß er durch die Leistungs halbleiterschalter T1 bis T4 nicht mehr abgeschaltet werden kann, wird zur Löschung der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, wenn diese gerade den hohen Strom führen, der obere Schwingkreis aus Schwingkreis induktivität LK1 und Schwingkreiskondensator CK1 durch Zünden der Löschthyristoren Th1 und Th2 angeregt. Zur Löschung der Leistungshalb leiterschalter T2, T3 und T4, wenn durch diese ein zu hoher Strom fließt, wird der untere Schwingkreis aus der Schwingkreisinduktivität LK2 und dem Schwingkreiskondensator CK2 durch Zündung der Löschthyri storen Th3 und Th4 angeregt. Die Steuerbefehle für die Leistungshalb leiterschalter des Dreistufenwechselrichters werden zunächst beim Stand der Zündung der Löschthyristoren eingefroren, das heißt es tritt zunächst keine weitere Änderung der Steuerbefehle auf. Der Schwingkreis strom löscht die Überstrom leitenden Leistungshalbleiterschalter und fließt weiter über die den Leistungshalbleiterschaltern jeweils paral lelgeschalteten Freilaufdioden des Dreistufenwechselrichters. Nach Ab lauf einer vorgegebenen Zeitdauer von zum Beispiel Δt≈20µs, nachdem alle gategesteuerten Leistungshalbleiterschalter stromlos geworden sind, werden die Steuerbefehle für sämtliche Leistungshalbleiterschal ter im Dreistufenwechselrichter auf den Sperrzustand für die Leistungs halbleiterschalter umgeschaltet.If there is an overcurrent or a short-circuit current in the three-stage inverter at which there is a risk that it can no longer be switched off by the power semiconductor switches T 1 to T 4, the power semiconductor switches T 1 , T 2 and T 3 will be deleted if these just carry the high current, the upper resonance circuit consisting of resonance circuit inductance LK 1 and resonance circuit capacitor CK 1 excited by firing the quenching thyristors Th 1 and Th 2 . To extinguish the power semiconductor switches T 2 , T 3 and T 4 , if a too high current flows through them, the lower resonant circuit from the resonant circuit inductance LK 2 and the resonant circuit capacitor CK 2 is stimulated by ignition of the extinguishing thyri Th 3 and Th 4 . The control commands for the power semiconductor switches of the three-stage inverter are initially frozen when the quenching thyristors are ignited, which means that no further change in the control commands occurs at first. The resonant circuit current extinguishes the overcurrent-conducting power semiconductor switches and continues to flow via the freewheeling diodes of the three-stage inverter which are connected in parallel with the power semiconductor switches. After a predetermined period of time of, for example, Δt≈20µs, after all gate-controlled power semiconductor switches have become de-energized, the control commands for all power semiconductor switches in the three-stage inverter are switched to the blocking state for the power semiconductor switches.

Die Schwingkreisinduktivitäten Lk1 und Lk2 müssen so dimensioniert werden, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit im Schwingkreis zwei- bis dreimal schneller als die Stromänderungsgeschwindigkeit im Kurz schlußpfad ist. Sobald die Schwingkreiskondensatoren CK1 und CK2 um geladen sind und ihre Spannungen einen Wert -Ud/2 erreicht haben, der dem negativen Wert der Spannung Ud/2 an den Spannungsteilerkondensato ren C1, C2 entspricht, kommutieren die Umschwingströme auf die Begren zungsdiode (Clamp-Diode) DK7 in Reihe mit dem Begrenzungswiderstand RK7 und auf die Begrenzungsdiode (Clamp-Diode) DK8 in Reihe mit dem Be grenzungswiderstand RK8. Die Löschthyristoren Th1 bis Th4 werden dann stromlos, während die in den Schwingkreisinduktivitäten LK1 und Lk2 ge speicherte Energie in den Begrenzungswiderständen RK7 und RK8 in Wärme umgesetzt wird. Nun werden die Schwingkreiskondensatoren CK1 und CK2 über die Vorladeeinrichtung aus dem jeweiligen Ladewiderstand mit der zugehörigen Ladediode RK1 mit DK1 und RK2 mit DK2 sowie RK3 mit DK3 und RK4 mit DK4 mittels kleiner Ladeströme zur Bereitschaft für den nächsten Fehlerfall umgeladen.The resonant circuit inductances Lk 1 and Lk 2 must be dimensioned so that the current rate of change in the resonant circuit is two to three times faster than the current rate of change in the short circuit path. As soon as the resonant circuit capacitors CK 1 and CK 2 are charged and their voltages have reached a value -Ud / 2 which corresponds to the negative value of the voltage Ud / 2 at the voltage divider capacitors C 1 , C 2 , the oscillating currents commutate to the limiting diode (Clamp diode) DK 7 in series with the limiting resistor RK 7 and on the limiting diode (clamp diode) DK 8 in series with the limiting resistor RK 8 . The quenching thyristors Th 1 to Th 4 are then de-energized, while the energy stored in the resonant circuit inductors LK 1 and Lk 2 is converted into heat in the limiting resistors RK 7 and RK 8 . Now the resonant circuit capacitors CK 1 and CK 2 via the precharging device from the respective charging resistor with the associated charging diode RK 1 with DK 1 and RK 2 with DK 2 as well as RK 3 with DK 3 and RK 4 with DK 4 by means of small charging currents ready for the reloaded next error.

Die Ladewiderstände RK1 bis RK4 müssen zum einen so hochohmig dimen sioniert werden, daß die Löschthyristoren Th1 bis Th4 am Ende des Umschwingvorganges gelöscht sind, zum anderen müssen sie so niederohmig dimensioniert werden, daß die Schwingkreiskondensatoren CK1 und CK2 für den nächsten Störungsfall schnell genug umgeladen werden können. The charging resistors RK 1 to RK 4 must on the one hand be dimensioned so high-resistance that the quenching thyristors Th 1 to Th 4 are extinguished at the end of the oscillation process, and on the other hand they must be dimensioned with a low resistance that the resonant circuit capacitors CK 1 and CK 2 for the next malfunction can be reloaded quickly enough.

Da die Ausschaltentlastungskondensatoren C11 und C41 nicht bei allen Störfällen den Spannungsanstieg nach dem Löschvorgang ausreichend begrenzen, können zur Reduzierung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zwei Zusatzbeschaltungen für den gesamten Dreistufenwechselrichter eingesetzt werden:Since the switch-off relief capacitors C 11 and C 41 do not limit the voltage rise after the quenching process in all malfunctions, two additional circuits can be used for the entire three-stage inverter to reduce the voltage rise speed:

Zwischen die Kathode der ersten Strangentkopplungsdiode DK5 bzw. die Anode der zweiten Strangentkopplungsdiode DK6 und den Verbindungs punkt M der Spannungsteilerkondensatoren C1, C2 ist zu diesem Zweck jeweils eine Reihenschaltung eines durch eine Zusatzdiode DS1, DS2 überbrückten Zusatzwiderstands RS1, RS2 und eines Zusatzkondensators CS1, CS2 geschaltet. Die Zusatzkondensatoren CS1 und CS2 sind und bleiben im normalen Betrieb auf die an den Spannungsteilerkondensa toren C1, C2 anliegende Spannung +Ud/2 aufgeladen und werden im Störfall durch die Zündung der Löschthyristoren Th1 bis Th4 entladen, so daß sie den Spannungsanstieg beim Sperren der Leistungshalbleiterschalter nach dem Löschvorgang durch Energieaufnahme begrenzen.Between the cathode of the first string decoupling diode DK 5 and the anode of the second string decoupling diode DK 6 and the connection point M of the voltage dividing capacitors C 1 , C 2 there is a series connection of an additional resistor RS 1 bridged by an additional diode DS 1 , DS 2 , for this purpose RS 2 and an additional capacitor CS 1 , CS 2 switched. The additional capacitors CS 1 and CS 2 are and remain charged in normal operation to the voltage across the voltage divider capacitors C 1 , C 2 + Ud / 2 and are discharged in the event of a malfunction by the ignition of the quenching thyristors Th 1 to Th 4 , so that they limit the voltage rise when the power semiconductor switches are blocked after the extinguishing process by absorbing energy.

Zur Vermeidung von dynamischen Überspannungen an den inneren Leistungs halbleiterschaltern T2 und T3 sind gemäß Fig. 2 zusätzliche spannungs begrenzende Bauelemente vorgesehen: Dem zweiten und dritten Leistungs halbleiterschalter T2 und T3 sind hierbei jeweils eine Reihenschal tung aus einem weiteren Beschaltungskondensator C21, C31 und einer in gleicher Richtung wie der jeweilige Leistungshalbleiterschalter T2 bzw. T3 gepolten, direkt am Wechselspannungsausgang A angeschlossenen Be schaltungsdiode D21, D31 parallelgeschaltet, und die Verbindungspunkte von der Beschaltungsdiode D21 bzw. D31 und dem Beschaltungskondensator C21 bzw. C31 sind durch die Serienschaltung einer Beschaltungsinduktivi tät L3 und eines Beschaltungswiderstands R3 verbunden. Dies bedeutet keinen nennenswerten Aufwand, da die Spannungsbegrenzung nur für kurze Zeitdauer erforderlich ist.In order to avoid dynamic overvoltages on the internal power semiconductor switches T 2 and T 3 , additional voltage-limiting components are provided according to FIG. 2: The second and third power semiconductor switches T 2 and T 3 are each a series connection from a further wiring capacitor C 21 , C 31 and a polarized in the same direction as the respective power semiconductor switch T 2 or T 3 , directly connected to the AC voltage output A connection diode D 21 , D 31 , and the connection points of the connection diode D 21 or D 31 and the connection capacitor C 21 or C 31 are connected by the series connection of a wiring inductance L 3 and a wiring resistor R 3 . This means no significant effort because the voltage limitation is only required for a short period of time.

Fig. 3 zeigt einen Dreistufenwechselrichter mit der aus Fig. 1 bekann ten Schaltungsanordnung und der zugehörigen Kurzschluß- und Überstrom kommutierungs-Einrichtung nach der Erfindung, wobei das den Leistungs halbleiterschaltern T1 bis T4 zugeordnete Schaltentlastungsnetzwerk zu einer symmetrischen Beschaltung ergänzt ist. Fig. 3 shows a three-stage inverter with the circuit arrangement known from Fig. 1 and the associated short-circuit and overcurrent commutation device according to the invention, the switching semiconductor network assigned to the power semiconductor switches T 1 to T 4 being supplemented to form a symmetrical circuit.

Diese Ergänzung erfolgt durch eine Reihenschaltung in der Reihenfolge eines ersten Beschaltungskondensators C31, eines Beschaltungswider stands R3, einer Beschaltungsinduktivität L3 und eines zweiten Be schaltungskondensators C21, die zwischen die Verbindungspunkte B und C des ersten und des zweiten Leistungshalbleiterschalters T1 mit T2 bzw. des dritten und des vierten Leistungshalbleiterschalters T3 mit T4 gelegt ist.This addition is made by a series connection in the order of a first wiring capacitor C 31 , a wiring resistance R 3 , a wiring inductance L 3 and a second loading capacitor C 21 , which between the connection points B and C of the first and second power semiconductor switch T 1 with T 2 or the third and fourth power semiconductor switch T 3 is placed with T 4 .

Weiterhin sind unmittelbar an den Verbindungspunkt M der Spannungstei lerkondensatoren C1, C2 angeschlossene, in gleicher Richtung wie die Gleichspannungsquelle gepolte Verbindungsdioden D23, D33 zwischen dem Verbindungspunkt M und die Speicherkondensatoren C12, C42 geschaltet, wobei die von dem Verbindungspunkt M abgewandten Anschlüsse der Ver bindungsdioden D23, D33 unmittelbar durch die Reihenschaltung des Beschaltungswiderstands R3 und der Beschaltungsinduktivität L3 verbun den sind. Außerdem sind weitere, in entgegengesetzter Richtung zur Gleichspannungsquelle gepolte Dioden D22, D32 zwischen dem nicht mit einem Pol +, - der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluß des er sten bzw. zweiten ohmschen Widerstands R1 bzw. R2 und dem zugehörigen Verbindungspunkt F bzw. G von erster bzw. zweiter Beschaltungsdiode D12 bzw. D42 und erstem bzw. zweitem Speicherkondensator C12 bzw. C42 ange ordnet.Furthermore, connecting diodes D 23 , D 33 connected directly in the same direction as the DC voltage source and connected to the connection point M of the voltage-steeping capacitors C 1 , C 2 are connected between the connection point M and the storage capacitors C 12 , C 42 , the connection point M Connections facing away from the Ver connection diodes D 23 , D 33 are directly connected by the series connection of the wiring resistance R 3 and the wiring inductance L 3 . In addition, further diodes D 22 , D 32, which are polarized in the opposite direction to the DC voltage source, are connected between the terminal of the first or second ohmic resistor R 1 or R 2 and the associated connection point F or, respectively, that is not connected to a pole +, - of the DC voltage source. G of the first or second wiring diode D 12 or D 42 and the first or second storage capacitor C 12 or C 42 is arranged.

In Ergänzung der Kurzschluß- und Überstromschutzeinrichtung nach der Erfindung gemäß Fig. 1 sind bei der symmetrischen Beschaltung des Dreistufenwechselrichters gemäß Fig. 3 (rechts der Linie a-b) außerdem die Ka thoden der ersten Beschaltungsdiode D11 und der ersten Strangentkopp lungsdiode DK5 über einen ersten Entladewiderstand RK5 sowie die Anoden der zweiten Beschaltungsdiode D41 und der zweiten Strangentkopplungs diode DK6 über einen zweiten Entladewiderstand RK6 verbunden.In addition to the short-circuit and overcurrent protection device according to the invention shown in FIG. 1 are in the symmetrical wiring of the three-stage inverter shown in FIG. 3 (right of the line), the Ka methods of the first wiring diode D 11 and the first Strangentkopp treatment diode DK 5 over a first Discharge resistor RK 5 and the anodes of the second circuit diode D 41 and the second strand decoupling diode DK 6 connected via a second discharge resistor RK 6 .

Die Entladewiderstände RK5 und RK6 bewirken eine Entladung der Aus schaltentlastungskondensatoren C11 und C41 im Kurzschlußfall, wenn die Löschthyristoren Th1 bis Th4 gezündet werden. Dadurch wird ge währleistet, daß der Spannungsanstieg an den Leistungshalbleiter schaltern T1 bis T4 durch Energieaufnahme des jeweiligen Kondensators innerhalb der symmetrischen Beschaltung begrenzt wird.The discharge resistors RK 5 and RK 6 cause a discharge of the switching relief capacitors C 11 and C 41 in the event of a short circuit when the quenching thyristors Th 1 to Th 4 are ignited. This ensures that the voltage rise at the power semiconductor switches T 1 to T 4 is limited by the energy consumption of the respective capacitor within the symmetrical circuit.

Claims

1. Circuit arrangement for overcurrent and short-circuit protection of a multi-strand three-stage inverter, in which

- Each inverter string (U, V, W) has a series arrangement, connected to the poles (+, -) of a DC voltage source via a first or second switch-on relief choke (L 1 , L 2 ), from a first to fourth anti-parallel connection of one gate-controlled power semiconductor switch (T 1 to T 4 ) with a free-wheeling diode (D 1 to D 4 ),
the connection point of the middle anti-parallel circuits serves as an AC voltage output (A),
- The connection points (B, C) between the first and second or between the third and fourth anti-parallel connection via a first and second decoupling diode (D 5 , D 6 ) to the connection point (M) between a first and a second voltage divider capacitor (C 1 , C 2 ) are connected, the voltage divider capacitors (C 1 , C 2 ) being connected between the poles (+, -) of the DC voltage source and being given a first and a second series circuit comprising a first and a second storage capacitor (C 12 , C 42 ) and a first or second ohmic resistor (R 1 , R 2 ), which is directly connected to one pole (+, -) of the DC voltage source, is connected in parallel,
- The semiconductor switch (T 1 , T 4 ) of the first and the fourth tip parallel connection to the series circuit of a switch-off load capacitor (C 11 , C 41 ) with a switch-off discharge diode (D 11 , D 41 ) is connected in parallel,
- The connection point (D, E) between the switch-off capacitor (C 11 , C 41 ) and the switch-off diode (D 11 , D 41 ) on the first or fourth anti-parallel circuit with the connection point (F or G) of the storage capacitor (C 12 or C 42 ) is connected to the first or second ohmic resistor (R 1 , R 2 ) of the first or second series circuit via a first or second wiring diode (D 12 or D 42 ),

characterized by

- That per inverter string (U, V, W) to the anode of the first power semiconductor switch (T 1 ) the anode of a first string decoupling diode (DK 5 ) and to the cathode of the fourth power semiconductor switch (T 4 ) the cathode of a second string decoupling diode (DK 6 ) are laid
- That in common for all inverter strings (U, V, W) between the cathode of the first strand decoupling diode (DK 5 ) or the anode of the second strand decoupling diode (DK 6 ) and the connection point (M) of the voltage dividing capacitors (C 1 , C 2 ) each from a resonant circuit inductance (LK 1 , LK 2 ), a first quenching thyristor (Th 1 , Th 4 ), a resonant circuit capacitor (CK 1 , CK 2 ) and a second quenching thyristor (Th 2 , Th 3 ) formed in this order series resonant circuits are,
- That each pole (+, -) of the DC voltage source via a series circuit of a limiting diode directed against the respective pole Be (DK 7 , DK 8 ) and a limiting resistor (RK 7 , RK 8 ) with the associated connection point of the resonant circuit inductance (LK 1 or LK 2 ) is connected to the first quenching thistor (Th 1 or Th 4 ),
- And that parallel to the respective series connections of the first quenching thyristor (Th 1 or Th 4 ) and resonant circuit capacitor (CK 1 or CK 2 ) or resonant circuit capacitor (CK 1 or CK 2 ) and two tem quenching thyristor (Th 2 or Th 3 ) a charging diode (DK 1 or DK 4 ) in series with a charging resistor (RK 1 to RK 4 ) is switched ( Fig. 1).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that between the cathode of the first strand decoupling diode (DK 5 ) or the anode of the second strand decoupling diode (DK 6 ) and the connection point (M) of the voltage divider capacitors (C 1 , C 2 ) each have a series connection one by an additional diode (DS 1 , DS 2 ) bridged additional resistor (RS 1 , RS 2 ) and an additional capacitor (CS 1 , CS 2 ) is connected ( Fig. 1).

3. Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the second and third power semiconductor switch (T 1 , T 3 ) each have a series connection of a further Beschaltungskon capacitor (C 21 , C 31 ) and one in the same direction as that current power semiconductor switch (T 2 , T 3 ) polarized, directly connected to the AC voltage output (A) wiring diode (D 21 , D 31 ) is connected in parallel
and that the connection points of the wiring diode (D 21 and D 31 ) and the wiring capacitor (C 21 and C 31 ) are connected by the series circuit of a wiring inductance (L 3 ) and a wiring resistance (R 3 ) ( Fig. 2).

4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in a three-stage inverter, in which to create a symmetrical circuit of the power semiconductor switch ter (T 1 to T 4 )

a) a series circuit in the order of a first Be switching capacitor (C 31 ), a wiring resistance (R 3 ), a wiring inductance (L 3 ) and a second wiring capacitor (C 21 ) between the connection points (B and C) of the first and the second power semiconductor switch (T 1 , T 2 ) or the third and fourth power semiconductor switch (T 3 , T 4 ) is easily seen and
b) directly connected to the connection point (M) of the voltage divider capacitors (C 1 , C 2 ), in the same direction as the direct voltage source polarized connection diodes (D 23 , D 33 ) between this connection point (M) and the storage capacitors (C 12 , C 42 ) are connected, the connections of the connecting diodes (D 23 , D 33 ) facing away from this connection point (M) being connected directly by the series connection of the wiring resistance (R 3 ) and the wiring inductance (L 3 ), and
c) further diodes (D 22 , D 32 ) polarized in the opposite direction to the DC voltage source between the connection of the first or second ohmic resistor (R 1 or R 2 ) which is not connected to a pole (+, -) of the DC voltage source and the associated connection point (F or G) of the first or second wiring diode (D 12 or D 42 ) and the first or second storage capacitor (C 12 or C 42 ) are arranged,

the cathodes of the first wiring diode (D 11 ) and the first strand decoupling diode (DK 5 ) stood over a first discharge resistor (RK 5 ) and the anodes of the second wiring diode (D 41 ) and the second strand decoupling diode (DK 6 ) over a second discharge resistor (RK 6 ) are connected ( Fig. 3).