DE10020137A1 - Feedback of energy arising in power converter to capacitor for return to power source, employs controlled semiconductor operating under no-load condition - Google Patents
Feedback of energy arising in power converter to capacitor for return to power source, employs controlled semiconductor operating under no-load conditionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Schaltung zur Rückspeisung der in einer Stromrichterbeschaltung anfallenden elektrischen Energie, wobei die in der Stromrichterbeschaltung anfallende Energie in einem Kondensator Cc gespeichert und mit einer Rückspeiseeinrichtung in eine speisende Spannungsquelle rückgespeist wird.The invention relates to a method and to a Circuit for the feedback in a Converter circuit accumulating electrical energy, the energy generated in the converter circuit in a capacitor Cc and stored with a Feedback device into a feeding voltage source is fed back.
Die in der Leistungselektronik verwendeten Halbleiter weisen neben den Durchlaßverlusten auch Schaltverluste auf, die beim Übergang von leitenden in den sperrenden Zustand und umgekehrt auftreten. Wird von der vollen Betriebsspannung auf den vollen Strom bzw. umgekehrt geschaltet, spricht man von hartem Schalten. Hierbei treten hohe Schaltverluste in den Halbleitern auf.The semiconductors used in power electronics have in addition to the transmission losses also switching losses that at Transition from conducting to blocking and vice versa occur. Will go from full operating voltage to full Switched to current or vice versa, one speaks of hard Switch. Here, high switching losses occur in the Semiconductors.
Zugleich stellt das harte Schalten hohe Ansprüche an den Sicheren Arbeitsbereich (Safe Operating Area, SOA) der Halbleiter, da an diesen kurzzeitig sowohl hohe Spannung anliegt, wie auch ein hoher Strom durch den Halbleiter fließt. At the same time, hard switching places high demands on the Safe Operating Area (SOA) of the Semiconductors, because they are both high voltage for a short time is present as a high current flows through the semiconductor.
Bei zukünftigen hochsperrenden abschaltbaren Leistungshalbleitern sind Einschränkungen des SOA zu erwarten.Can be switched off at future high-blocking Power semiconductors are expected to experience SOA restrictions.
Bei Stromrichtern, insbesondere Wechselrichtern, werden zur Schaltentlastung Entlastungen, auch Beschaltungen genannt, verwendet. Diese können Einschaltentlastungen sein, die die Einschaltverluste der im Stromrichter verwendeten Halbleiter reduzieren, und/oder Abschaltentlastungen, die die Abschaltverluste der o. g. Halbleiter reduzieren. Erstere sind z. B. Drosseln, welche die beim Einschalten auftretende Stromsteilheit begrenzen. Letztere sind z. B. Kondensatoren, die beim Abschalten die Spannungssteilheit begrenzen. Die in den Drosseln bzw. Kondensatoren gespeicherte Energie kann durch Widerstände abgebaut, d. h. in Wärme umgewandelt werden. Energetisch sinnvoller ist es, diese Energie zurückzuspeisen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Betrachtungen hinsichtlich des SOA auch für die Leistungshalbleiter in der Rückspeiseeinrichtung gelten.In converters, especially inverters, are used Switching relief Reliefs, also called circuits, used. These can be switch-on reliefs that the Switch-on losses of the semiconductors used in the converter reduce, and / or shutdown relief that the Switch-off losses of the above Reduce semiconductors. The former are e.g. B. chokes, which occur when switching on Limit current steepness. The latter are e.g. B. capacitors, which limit the voltage steepness when switching off. In the energy stored in the chokes or capacitors degraded by resistors, d. H. be converted into heat. It makes more energy sense to feed this energy back. It should be noted that the considerations with regard to the SOA also for the power semiconductors in the Regenerative device apply.
In der Praxis wird der Energieabbau im Wesentlichen durch die o. g. Widerstände gewährleistet. Die Verwendung von Entladewiderständen ist energetisch allerdings ungünstig.In practice, the energy reduction is essentially due to the o. g. Resistance guaranteed. The use of Discharge resistors are unfavorable in terms of energy.
Aus der DE 196 36 248 C1 ist ebenfalls eine Rückspeiseeinrichtung für den Energieabbau bekannt. Letztere ermöglicht die Rückspeisung der in der Einschaltentlastungsdrossel gespeicherten Energie. Dabei muß der Leistungshalbleiter der Rückspeiseeinrichtung zum Teil hart abschalten. Das Vorgehen ist für Einschaltentlastungen geeignet und erfordert eine Synchronisation mit dem Pulsmuster des entlasteten Stromrichters. Die bei der gemeinsamen Verwendung von Ein- und Abschaltentlastungen auftretenden Energiemengen stellen jedoch erhöhte Anforderungen an eine Rückspeisung.DE 196 36 248 C1 is also one Regenerative device known for energy reduction. Latter enables the energy recovery in the Power-on choke stored energy. It must some of the power semiconductor of the regenerative device switch off hard. The procedure is for switch-on relief suitable and requires synchronization with the pulse pattern of the relieved converter. The one at the common Use of switch-on and switch-off reliefs occurring However, amounts of energy place increased demands on you Energy recovery.
In der Veröffentlichung "Gate Drive Power Recovery and Regenerative Snubber Scheme for Series-Connected GTOs in High Voltage Inverters", Holtz, Rösner, IEEE lAS 1999, wird vorgeschlagen, an jede Beschaltung eine Rückspeiseeinrichtung dergestalt anzuschließen, daß die Treiberstufen des Leistungshalbleiters aus der Beschaltung dieses Leistungshalbleiters mit Energie versorgt werden. Die Lösung erfordert eine Schaltung für jeden Leistungshalbleiter und ist darüber hinaus vor allem für GTOs sinnvoll, da deren Treiber eine bedeutend höhere Leistung aufnehmen als es z. B. bei IGBTs der Fall ist.In the publication "Gate Drive Power Recovery and Regenerative Snubber Scheme for Series-Connected GTOs in High Voltage Inverters ", Holtz, Rösner, IEEE lAS 1999, it is proposed to have one for each circuit Connect the feedback device in such a way that the Driver stages of the power semiconductor from the wiring of this power semiconductor are supplied with energy. The Solution requires a circuit for each power semiconductor and is also particularly useful for GTOs, because their Drivers consume significantly more power than e.g. B. is the case with IGBTs.
Aus der Schrift "Recovery Circuit for Snubber Energy in Power Electronic Applications with High Switching Frequencies", Bendien, von den Broeck, Fregien, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.3, No.1. January 1988, pp26, ist eine Rückspeisung mittels eines Transformators bekannt. Es wird hierbei auch die gemeinsame Rückspeisung für die in allen Beschaltungen eines Wechselrichters anfallende Energie vorgeschlagen. Die Rückspeiseschaltung enthält jedoch einen aufwendigen Transformator.From the document "Recovery Circuit for Snubber Energy in Power Electronic Applications with High Switching Frequencies ", Bendien, from the Broeck, Fregien, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.3, No.1. January 1988, pp26, is one Feedback via a transformer is known. It will the common feedback for all of them Circuits of an inverter suggested. However, the regenerative circuit contains one elaborate transformer.
Möglich ist ebenfalls die Verwendung eines hart schaltenden Tiefsetzstellers zur Energierückspeisung aus einem gemeinsamen Beschaltungskondensator, jedoch sind dabei für den Leistungshalbleiter im Tiefsetzsteller die Ansprüche an die SOA hoch. Eine Beschaltung des Tiefsetzstellers, z. B. mit einer RCD-Beschaltung, reduziert die Anforderungen an die SOA, führt jedoch zu hohen Verlusten in eben dieser Beschaltung.It is also possible to use a hard switching Buck converter for energy recovery from a common Wiring capacitor, however, are for the Power semiconductors in the buck converter make the demands on SOA high. A circuit of the buck converter, e.g. B. with an RCD circuit, reduces the requirements for the SOA, however, leads to high losses in this circuit.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rückspeisung der in einer Stromrichterbeschaltung anfallenden elektrischen Energie anzugeben, wobei die in der Stromrichterbeschaltung anfallende Energie in einem Kondensator Cc gespeichert und mit einer Rückspeiseeinrichtung in eine speisende Spannungsquelle rückgespeist wird, wodurch eine verlustarme Rückspeisung gewährleistet wird. Hierbei werden die Leistungshalbleiter der Rückspeiseeinrichtung schaltentlastet betrieben, wodurch sowohl deren Schaltverluste als auch deren Anforderungen bezüglich der SOA gering sind. Außerdem soll eine Schaltung zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.The invention is therefore based on the object of a method for the feedback of the in a converter circuit to indicate the resulting electrical energy, the in the Power converter circuit energy in one Capacitor Cc stored and with a feedback device is fed back into a feeding voltage source, whereby low-loss feedback is guaranteed. Here become the power semiconductors of the regenerative device operated relieved of switching, causing both their switching losses as well as their requirements regarding SOA are low. A circuit for performing the method is also intended can be specified.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Rückspeisung der in einer Stromrichterbeschaltung anfallenden elektrischen Energie, wobei die in der Stromrichterbeschaltung anfallende Energie in einem Kondensator Cc gespeichert und mit einer Rückspeiseeinrichtung in eine speisende Spannungsquelle rückgespeist wird, wobei gemäß der Erfindung wenigstens ein in der Rückspeiseeinrichtung verwendeter Leistungshalbleiter schaltentlastet betrieben wird.The first-mentioned problem is solved by a method for Regeneration of those occurring in a converter circuit electrical energy, the one in the converter circuit accumulated energy stored in a capacitor Cc and with a feedback device into a feeding voltage source is fed back, according to the invention at least one in the power semiconductor used in the feedback device is operated without switching.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung zum Durchführen des Verfahrens.The second task is solved by a circuit for Performing the procedure.
Die Rückspeisung der in den Entlastungen anfallenden Energie erfolgt mit einem resonanten Tiefsetzsteller. Dies ist eine Schaltung, die eine Rückspeisung der Energie in die speisende Gleichspannungsquelle ermöglicht, dabei jedoch keinen hart schaltenden Halbleiter enthält. Erreicht wird dies durch einen Resonanzkreis (Cr und Lr) in der Rückspeiseschaltung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der steuerbare Halbleiter Tc der Rückspeiseeinrichtung stromlos einschaltet sowie strom- und spannungslos abschaltet.The recovery of the energy generated in the relief is done with a resonant buck converter. this is a Circuit that feeds energy back into the feeder DC voltage source allows, but not hard contains switching semiconductor. This is achieved by one Resonance circuit (Cr and Lr) in the regenerative circuit. The The process is characterized in that the controllable Semiconductor Tc of the regenerative device switches on without current as well as disconnects from current and voltage.
Damit ist es mit der erfindungsgemäßen Rückspeiseschaltung möglich, sowohl für den Stromrichter als auch für die Rückspeiseeinrichtung Leistungshalbleiter mit einem eingeschränkten sicheren Arbeitsbereich (SOA) zu verwenden.So it is with the regenerative circuit according to the invention possible, both for the converter and for the Power semiconductor power recovery device with a restricted safe work area (SOA).
Die beschriebene Rückspeiseeinrichtung kann mit beliebigen Entlastungen betrieben werden. Ebenso ist eine gemeinsame Rückspeiseeinrichtung für mehrere Stromrichter möglich. Eine Synchronisation der Rückspeiseeinrichtung mit dem Pulsmuster des entlasteten Stromrichters ist nicht erforderlich. Es ist jedoch möglich, die Rückspeiseeinrichtung nur dann zu betreiben, wenn die Spannung am Kondensator Cc einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.The regenerative device described can be used with any Reliefs are operated. Likewise is a common one Regenerative device for several converters possible. A Synchronization of the regenerative device with the pulse pattern of the relieved converter is not required. It is however, the feedback device is only possible operate when the voltage on the capacitor Cc one exceeds the predetermined limit.
Die in der Rückspeiseeinrichtung verwendeten Halbleiter sind schaltentlastet. Somit ist eine höhere Ausnutzung der verwendeten Halbleiter sowohl im entlasteten Stromrichter als auch in der Rückspeiseeinrichtung möglich. Es ist nur ein steuerbarer Halbleiter nötig.The semiconductors used in the regenerative device are relieves switching. Thus, a higher utilization of the used semiconductors both in the relieved converter and also possible in the regenerative system. It is only one controllable semiconductor necessary.
Bei entsprechender Dimensionierung tritt in der Rückspeiseeinrichtung eine Nichtlinearität dergestalt auf, daß mit ansteigender Spannung am Kondensator Cc erheblich mehr Strom aus dem Kondensator Cc zurückgespeist wird. Damit stabilisiert sich die Spannung am Kondensator Cc im Betrieb des Stromrichters selbsttätig.With appropriate dimensioning occurs in the Regenerative device a non-linearity such that with increasing voltage on capacitor Cc considerably more Current is fed back from the capacitor Cc. In order to the voltage on capacitor Cc stabilizes during operation of the converter automatically.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in the Sub-claims reproduced.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on several embodiments in the Figures explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Stromrichterbeschaltung mit einer Rückspeiseeinrichtung in schematischer Darstellung, wobei die Rückspeiseeinrichtung grau unterlegt ist; FIG. 1 is a section of a power conversion circuit with a legacy power feedback device in a schematic representation, with the return feed device is highlighted in gray;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Rückspeiseeinrichtung mit in Reihe geschalteten Dioden und Kondensatoren in schematischer Darstellung; und Figure 2 is a section of a recovery unit with diodes connected in series, and capacitors in a schematic representation. and
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer anderen Stromrichterbeschaltung mit einer Rückspeiseeinrichtung in schematischer Darstellung. Fig. 3 shows a detail of another converter circuit with a regenerative device in a schematic representation.
Eine Möglichkeit der Ausführung zeigt Fig. 1 auf. Die Rückspeiseeinrichtung ist grau unterlegt. Sie besteht aus dem Tiefsetzsteller-IGBT Tc sowie den Dioden Df, Dr und Ds sowie den Resonanzelementen Lr und Cr sowie der Drossel Lf. Die Diode Ds ist eine Schutzdiode und für das Prinzip der Schaltung entbehrlich. Durch Einschalten des IGBTs Tc wird eine Resonanzhalbschwingung im Resonanzkreis bestehend aus Lr und Cr gestartet. Dadurch steigt die Spannung an Cr über die Spannung Ud hinaus an, womit eine Rückspeisung durch Lf und Df nach Ud erfolgen kann. In der Resonanzdrossel Lr kehrt sich dann der Strom um, der Strom fließt nicht mehr durch den IGBT Tr sondern durch die ihm antiparallele Diode. Tc kann dann strom- und spannungslos abgeschaltet werden.One way of execution is to FIG. 1,. The feedback device is highlighted in gray. It consists of the buck converter IGBT Tc and the diodes Df, Dr and Ds as well as the resonance elements Lr and Cr and the choke Lf. The diode Ds is a protective diode and is unnecessary for the principle of the circuit. By switching on the IGBT Tc, a resonance half-oscillation in the resonance circuit consisting of Lr and Cr is started. As a result, the voltage at Cr rises above the voltage Ud, which means that Lf and Df can feed back to Ud. The current then reverses in the resonance inductor Lr, the current no longer flows through the IGBT Tr but through the diode which is anti-parallel to it. Tc can then be switched off without current or voltage.
Die Einschaltentlastung besteht aus der Drossel Ls und den dafür als Freilaufdioden wirksamen Dioden Ds1, Ds2, Ds3, Dc1 Dc2 und Dc3 sowie dem Kondensator Cc. The switch-on relief consists of the choke Ls and diodes Ds1, Ds2, Ds3, Dc1 which act as free-wheeling diodes Dc2 and Dc3 and the capacitor Cc.
Die Abschaltentlastung besteht aus den Kondensatoren Cs1, Cs2 und Cs3 sowie den Dioden Ds1, Ds2, Ds3, Dc1 Dc2 und Dc3 und dem Kondensator Cc. Beide Entlastungen speisen elektrische Energie in den Kondensator Cc. Durch die erfindungsgemäße Rückspeiseeinrichtung wird diese Energie in die Spannungsquelle Ud zurückgespeist. Die Rückspeiseeinrichtung kann in Abhängigkeit von der im Kondensator Cc vorhandenen Spannung betrieben werden. Bei entsprechender Dimensionierung tritt in der Rückspeiseeinrichtung eine Nichtlinearität dergestalt auf, daß mit ansteigender Spannung an Cc erheblich mehr Strom aus dem Kondensator Cc zurückgespeist wird. Damit kann die sich im Betrieb des Stromrichters einstellende Spannung an Cc besser stabilisiert werden.The shutdown relief consists of the capacitors Cs1, Cs2 and Cs3 and the diodes Ds1, Ds2, Ds3, Dc1, Dc2 and Dc3 and the capacitor Cc. Both reliefs feed electrical Energy in the capacitor Cc. By the invention This energy is fed back into the energy recovery system Voltage source Ud fed back. The feedback device can depend on the existing in the capacitor Cc Voltage operated. With appropriate dimensioning non-linearity occurs in the feedback device in such a way that with increasing voltage at Cc considerably more current is fed back from the capacitor Cc. In order to can occur during the operation of the converter Voltage at Cc can be stabilized better.
Eine weitere Variante der Rückspeiseeinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. In ihr sind die Diode Dr und der Kondensator Cr als Reihenschaltung zweier Dioden Dr1 und Dr2 bzw. Cr1 und Cr2 gezeigt. Dies reduziert die Sperrbeanspruchung beider Elemente und stellt eine gute dynamische Spannungsaufteilung sicher. Eine Reihenschaltung von mehr als zwei Elementen ist an dieser Stelle ebenfalls denkbar.Another variant of the regenerative device is shown in FIG. 2. In it the diode Dr and the capacitor Cr are shown as a series connection of two diodes Dr1 and Dr2 or Cr1 and Cr2. This reduces the blocking stress of both elements and ensures a good dynamic stress distribution. A series connection of more than two elements is also conceivable at this point.
Da das Verfahren eine Rückspeisung unabhängig von der Art der Entlastung ermöglicht, ist also auch die Verwendung anderer Entlastungsnetzwerke möglich. Handelt es sich dabei um Entlastungsnetzwerke, die in mehreren Kondensatoren Energie speichern, so kann für jeden dieser Kondensatoren eine Rückspeiseeinrichtung verwendet werden.Because the process is a regenerative regardless of the type of Relief is also the use of others Relief networks possible. Is it about Relief networks that energy in multiple capacitors save, so for each of these capacitors Regenerative device can be used.
Eine Ausführung mit einem anderen Entlastungsnetzwerk ist in Fig. 3 aufgezeigt. Bei dieser Variante wird für jeden der drei Stromrichterbrückenzweige eine eigene Einschaltentlastungsdrossel Ls1, Ls2 bzw. Ls3 vorgesehen. Die entsprechenden Freilaufzweige sind Ds1 und Dc1, Ds2 und Dc2 sowie Ds3 und Dc3.An embodiment with a different relief network is shown in FIG. 3. In this variant, a separate switch-on choke Ls1, Ls2 and Ls3 is provided for each of the three converter bridge branches. The corresponding freewheel branches are Ds1 and Dc1, Ds2 and Dc2 as well as Ds3 and Dc3.
Ebenso ist die Rückspeiseeinrichtung anwendbar auf andere Stromrichter, wie z. B. Gleichstromsteller.The feedback device is also applicable to others Power converters, such as B. DC chopper.
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