DE19905282A1

DE19905282A1 - Anordnung zur Einschaltentlastung von 3-Level-Wechselrichtern

Info

Publication number: DE19905282A1
Application number: DE19905282A
Authority: DE
Inventors: Yehia Tadros
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2000-08-10
Also published as: FR2789241A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Einschaltentlastung von 3-Level-Wechselrichtern mit abschaltbaren Leistungshalbleitern und mit Zwischenkreis-Kondensatoren, mit einer Einschaltentlastungsdrosselspule, unter Verwendung einer Schaltung aus einem gesteuerten Schalter und einer dazu antiparallel geschalteten Diode, zu denen ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Anordnung zu entwickeln, mit der gewährleistet ist, daß Einschaltverluste reduziert und die Anstiegssteilheit der Einschaltströme bei 3-Level-Wechselrichtern in Hochleistungsanwendungen begrenzt werden, wird dadurch gelöst, daß der jeweilige gesteuerte Schalter (T¶c1¶, T¶c2¶, T¶c3¶, T¶c4¶) und die dazu antiparallel geschaltete Diode (D¶c1¶, D¶c2¶, D¶c3¶, D¶c4¶) mit dem dazu in Reihe geschalteten Kondensator (C¶c1¶, C¶c2¶, C¶c3¶, C¶c4¶) den jeweiligen Zwischenkreis-Kondensatoren (C¶1¶, C¶2¶) mindestens auf der motorseitigen Stromrichterseite jeweils parallel geschaltet sind, derart, daß im stationären Zustand der in Reihe geschaltete Kondensator (C¶c1¶, C¶c2¶, C¶c3¶, C¶c4¶) bis zu einer Spannungshöhe aufgeladen ist, die größer ist als die am jeweiligen Zwischenkreis-Kondensator (C¶1¶, C¶2¶) anliegende Spannung (U¶d¶/2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einschalt entlastung von 3-Level-Wechselrichtern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bekannten 3-Level-Wechselrichter (in: EPE Journal, Vol. 4, No 2, June 1994, Y. Tadros, S. Salama, Th. Schütze: "Three Level IGBT Inverters for Industrial Drives and Traction Applications", Seite 38 ff., Fig. 3) in IGBT-Technologie (Insulated Gate Bipolar Transistor) bestehen aus vier IGBTs pro Zweig mit vier antiparallel geschalteten Dioden und zwei Clamp-Dioden.

Bei Hochleistungsanwendungen wird der Einsatz der bekannten 3-Level-Wechselrichter durch die auftretenden Verluste und insbesondere die Einschaltverluste sowie infolge der Größe der einzusetzenden Bauelemente (insbesondere der Gleichspannungs-Kondensatoren) und der induktivitätsbehafteten Verbindungen zwischen den Bauelementen ohne Entlastungs- und/oder Clamp- Schaltungen sehr erschwert.

Aus der DE 196 36 248 C1 ist ein Verfahren zur Schaltentlastung eines IGBT bekannt, mit dem bei 2- Level-Wechselrichtern die durch Widerstände resultie renden Einschaltverluste vermieden werden.

Für Hochleistungsanwendungen ist jedoch der 3-Level- Wechselrichter aufgrund der möglichen höheren Umrich terspannungen besser geeignet und wird dementsprechend immer häufiger eingesetzt.

Es sind bisher keine Lösungen für 3-Level-Wechsel richter bekannt geworden, mit denen aufwandsarm (ohne Widerstand) die Einschaltverluste reduziert werden können.

Zur Reduzierung der Einschaltverluste und zur Begrenzung der Anstiegssteilheit der Einschaltströme in 3-Level-Wechselrichtern mit abschaltbaren Leistungs halbleitern ist es bekannt, zwischen den Zwischen kreiskondensatoren und den Leistungshalbleitern eine konzentrierte Induktivität (Drosselspule) und eine Clamp-Beschaltung, bestehend aus einem Clamp-Konden sator und einer Diode sowie einem Entladewiderstand, vorzusehen. Insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen treten dadurch hohe Verluste, insbesondere durch den Entladewiderstand, auf (in: ETG-Fachberichte, Bad Nauheim, Mai 1998, Dr. H. Grüning, "Der GCT-Stärken von GTO- und IGBT-Technologie in einer Einheit", Seite 89, Fig. 14).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung zu entwickeln, mit der gewährleistet ist, daß Einschaltverluste reduziert und die Anstiegssteilheit der Einschaltströme bei 3-Level-Wechselrichtern in Hochleistungsanwendungen begrenzt werden.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist die Anordnung dadurch gekenn zeichnet, daß der gesteuerte Schalter und die dazu antiparallel geschaltete Diode mit dem dazu in Reihe geschalteten Kondensator den jeweiligen Zwischenkreis- Kondensatoren mindestens auf der motorseitigen Stromrichterseite parallel geschaltet sind, derart, daß im stationären Zustand der in Reihe geschaltete Kondensator bis zu einer Spannungshöhe aufgeladen ist, die größer ist als die am jeweiligen Zwischenkreis- Kondensator anliegende Spannung.

Die nach der Erfindung vorgesehen Clamp-Beschaltung kann sehr nahe an die Leistungshalbleiter gebracht werden, so daß die Induktivität der elektrischen Verbindungen durch die kurze Leitungsführung reduziert wird. Die einzusetzenden Clamp-Kondensatoren können wesentlich kleiner gewählt werden als die Zwischenkreis-Kondensatoren.

Zur Entladung der Kondensatoren werden die steuerbaren Schalter kurz vor dem Abschalten der Leistungs halbleiter in dem Phasenzweig des Wechselrichters eingeschaltet. Zur Vermeidung von Abschaltverlusten beim Ausschalten der steuerbaren Schalter werden die Ströme in diesen Schaltern durch Abschalten der Leistungshalbleiter in den 3-Level-Wechselrichter kommutiert. Dadurch wird der Strom aus den steuerbaren Schaltern in die Dioden kommutiert, so daß eine verlustbehaftete Abschaltung der steuerbaren Schalter vermieden wird. Die Verluste in den steuerbaren Schaltern werden selbst bei hohen Schaltfrequenzen vernachlässigbar klein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Einschaltentlastung von 3-Level-Wechselrichtern näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen 3-Level- Wechselrichter nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für mehrere 3-Level-Wechselrichter mit der Anord nung nach der Erfindung an einem 3-Level- Zwischenkreis-Kondensator und

Fig. 4 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung für eine Schaltungsanordnung nach Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Schaltungsdiagramm eines 3-Level-Wechselrichters nach dem Stand der Technik. Jeder Wechselrichterzweig (Phasenzweig) wird gebildet aus vier abschaltbaren Leistungshalbleitern (IGBT) T1 bis T4, die jeweils über Impulsverstärker mit einer Steuereinheit verbunden sind, vier antiparallelen Dioden D1 bis D4, zwei Null- Dioden D_U1, D_U2 und Zwischenkreis-Kondensatoren C₁, C₂, an denen jeweils eine Spannung U_d/2 anliegt. Die Gleichspannung U_d/2 kann über den positiven Abgriff (T1 und T2 sind eingeschaltet), über den zentralen Abgriff 0 (T2 und T3 sind eingeschaltet) oder über den negativen Abgriff (T3 und T4 sind eingeschaltet) an die Ausgangsklemmen des Wechselrichters angelegt werden.

Die Anordnung nach der Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt. Die im Zwischenkreis angeordnete Beschaltung nach der Erfindung kommt ohne verlust behaftete Widerstände aus und gewährleistet dadurch bei 3-Level-Wechselrichtern in Hochleistungsanwendungen wie Schienentriebfahrzeugen die weitgehende Vermeidung von Einschaltverlusten. Durch intelligente Steuerung der Schalter T_c1, T_c2 können auch die Verluste in diesen Schaltern erheblich reduziert werden.

In der Fig. 2 sind zur verlustarmen Einschaltentlastung nach der Erfindung lastseitig jeweils parallel zu den Zwischenkreis-Kondensatoren C₁, C₂ Kombinationen geschaltet, die jeweils aus einem Schalter T_c1, T_c2 und einer antiparallelgeschalteten Diode D_c1, D_c2 und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator C_c1, C_c2 gebildet sind.

Im stationären Zustand sind die Kondensatoren C_c1 und C_c2 bis zur Spannungshöhe Uc_c1 bzw. Uc_c2 < U_d/2 aufgeladen, beispielsweise auf eine Spannungshöhe von 1,1 U_d/2. Die Schalter T_c1 bzw. T_c2 werden zur Teilentladung der Kondensatoren C_c1 und C_c2 zur Begrenzung der Gleichspannungen Uc_c1 und Uc_c2 eingeschaltet. Durch eine intelligente Steuerung der Schalter T_c1 und T_c2 können die Schaltverluste der Schalter T_c1 und T_c2 erheblich reduziert werden. Es können zum Beispiel der Schalter T_c1 oder der Schalter T_c2 eingeschaltet werden bevor im Kommutierungsvorgang einer der stromführenden Schalter T1, T2 oder T4 ausgeschaltet wird. Der Strom aus den steuerbaren Schaltern T_c1, T_c2 wird beim Ausschalten des stromführenden Schalters in die Dioden D_c1, D_c2 kommutiert, so daß eine verlustbehaftete Abschaltung der steuerbaren Schalter T_c1, T_c2 vermieden wird.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante der Anordnung nach der Erfindung für mehrere 3-Level- Wechselrichter an einem 3-Level-Kondensatoren- Zwischenkreis dargestellt, wie sie beispielsweise für die Antriebsstromrichter von Hochgeschwindigkeitszügen wie Transrapid eingesetzt werden können.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung nach der Erfindung für mehrere 3-Level- Wechselrichter an einem 3-Level-Kondensatoren- Zwischenkreis, bei der gemeinsame Entlastungsdrossel spulen L_S1 und L_S2 für die netzseitigen und motor seitigen Stromrichter verwendet sind.

Bezugszeichenaufstellung

C₁

, C₂

Zwischenkreis-Kondensatoren
C_c1

bis C_c4

Kondensatoren
D1 bis D4 Dioden
D_c1

bis D_c4

Dioden
D_U1

, D_U2

Null-Dioden
L_S1

bis L_S4

Induktivitäten
T1 bis T4 Leistungshalbleiter (IGBT)
T_c1

bis T_c4

steuerbare Schalter
U_d

/2 Gleichspannung
Uc_c1

bis Uc_c4

Spannung
0 zentraler Abgriff

Claims

1. Anordnung zur Einschaltentlastung von 3-Level- Wechselrichtern mit abschaltbaren Leistungshalb leitern und mit Zwischenkreis-Kondensatoren, mit einer Einschaltentlastungsdrosselspule, unter Verwendung einer Schaltung aus einem gesteuerten Schalter und einer dazu antiparallel geschalteten Diode, zu denen ein Kondensator in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige gesteuerte Schalter (T_c1, T_c2, T_c3, T_c4) und die dazu antiparallel geschaltete Diode (D_c1, D_c2, D_c3, D_c4) mit dem dazu in Reihe geschalteten Kondensator (C_c1, C_c2, C_c3, C_c4) den jeweiligen Zwischenkreis-Kondensatoren (C₁, C₂) mindestens auf der motorseitigen Stromrichterseite jeweils parallel geschaltet sind, derart, daß im stationären Zustand der in Reihe geschaltete Kondensator (C_c1, C_c2, C_c3, C_c4) bis zu einer Spannungshöhe aufgeladen ist, die größer ist als die am jeweiligen Zwischenkreis-Kondensator (C₁, C₂) anliegende Spannung (U_d/2).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaltung der Zwischenkreis-Kondensatoren (C₁, C₂) auf der Seite des netzseitigen und des motorseitigen Stromrichters angeordnet ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Schalter (T_c1 bis T_c4) derart gesteuert sind, daß jeweils einer der gesteuerten Schalter (T_c1 bis T_c4) eingeschaltet ist kurz bevor einer der stromführenden Schalter (T1 bis T4) ausgeschaltet ist.