DE9012147U1

DE9012147U1 - Beschaltungsnetz für eine Schaltungsanordnung mit zwei schnellschaltenden bipolaren Transistoren

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Publication number: DE9012147U1
Application number: DE9012147U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1990-10-25
Anticipated expiration: 2000-08-24

Description

..90633^5DE

Siemens Aktiengesellschaft

Beschaltungsnetz for eine Schaltungsanordnung mit zwei schnellschaltenden bipolaren Transistoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschaltungsnet? für eine Schaltungsanordnung mit zwsi schnsllschgit-sinden bipolaren Transistoren, bestehend aus einer RCD-Beschaltung.

RCD-SÄSChsltungen fCr scnnelli; ^haltende Insulsted-Gate-Bipolar-Trsr~istorer (IGBT) sind aus c^r Ze^tsr^rift "etz", Bano 110, 1989, Haft 10, Seiten 464 bis 1, und r*Jr schnellschaltende bipolare ilstungstransistoren (LTR) tjs der Zeitschrift "etz", Band 109, 1989, Heft 19, Seiten 85w ^s 8-7_f bekannt. Diese RCD-Beschi.ltungen schützen diese schnellschaltenden Transistoren gegen Überspannungen bzw. Uberbeanspruchungen beim Ein- und Abschalten.

Bei Jchaltvorgängen verursachen Induktivitäten im Leistungsteil von Stromrichtern meist energiereiche Überspannungen, die je nach Höhe und Dauer zur Beschädigung elektrischer Bauteile führen können. Vor allem die relativ schnell schaltenden IGBT-Module selbst sind dabei gefährdet. Zum Schutz gegen solche Uberspan-25 nungen ist es vorteilhaft, zunächst die parasitären Induktivitäten im Hauptstromkreis durch gunstige Leituogsführung zu minimleren. Sodann werden verschiedenartige Beschaltungsn cze genutzt und auf kürzester Strecke verbunden. Diesen kommt außerdem die Aufgabe zu, den Betrieb im erlaubten Rückwärts-Arbeits-P 30 bereich "RBSOA" zu gewährleisten sowie mitunter auch die Abschaltverlustleistung herabzusetzen.

Eine bekannte RCD-Einzelbeschaltung besteht aus einem Konden- t sator, der in Reihe zu einer Diode mit parallelem Niderstand '-■ 35 liegt. Diese RCD-Einzelbeschaltung 1st jedem Transistor des r Moduls zugeordnet. Beim Abschalten eines IüBT fließt der Hauptstrom zunächst durch die Diode und lädt den Kondensator auf. Dessen Spannung ist nahezu identisch mit der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT und nimmt zeitabhängig solange zu,

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bis die zugehörige Freilaufdiode im Lastkreis leitend wird. Die demzufolge begrenzte Spannungssteilheit mindert die beim Abschalten im IGBT auftretende Verlustleistung, was mit zunehmender Impulsfrequenz bedeutend werden kann. Die im Kondensator gespeicherte Energie wixtl beis? r??.-?hs*sn Einschalten über den eescnaltungswiderstand abgebaut, ^es ist aber grundsätzlich unerwünscht, weil z.B. bei höherer Impulsfrequenz die am Beschaltungswiderstand in Warme umgesetzte Verlustleistung beachtliche Werte annimmt. Deshalb werden mitunter aufwendige Beschaitungsnetze verwendet, die ein nutzbringendes rückführen der Energie aus dem Kondensator ermöglichen.

Eine kostengünstigere Maßnahme ist der RCD-Spannungsbegrenzer TQt Zweigpaare bzw. Module oder die Summenbeschaltung auf der Gleichstromseite, die außerdem weniger Verlustleistung verursachen. Dafür sind diese allerdings auch nicht so wirkungsvoll.

Als RCD-Spannungsbegrenzer fur Zweigpaare kann die sogenannte RCD-Kreuzbeschaltung verwendet werden. Diese sogenannte RCD-

^2u Kreuzbesehaltung ist besonders bei Stromrichter mit höheren.

Ausgangsströmen zu bevorzugen, weil sie die kürzeren Leitungslängen im Beschaltungsnetz ermöglicht. Dis beim Abschalten der IGBT aus der parasitären Induktivität resultierende Energie gelangt über die jeweils betroffene Diode zu dem entsprechend zugeordneten Kondensator. Nur dieser Energieanteil - und nicht die gesamte in den Kondensatoren gespeicherte Energie - muß bis zum nächsten Abschaltvorgang an den beteiligten Widerständen abgebaut werden. Ein zu weitgehendes Entladen des Kondensatorc wird dabei schaltungsbedingt vertilgen. Die aus dieser Beschal» tungsmethode resultierende Verlustleistung ist deshalb verhältnismäßig gering. Dafür wird hler - im Gegensatz zur RCD-Einzelbeschaltung - die Spannungssteilheit beim Abschalten und folglich auch die Abschaltverlustleistung nicht gemindert, so daß sich die IGBT mit zunehmender Impulsfrequenz etwas stärker

^⁵ erwärmen.

II·· * ' Bei Wechselrichtern in Zweipuls- oder Sechspuls-Brückenschaltung kann für die relativ schnell schaltenden IGBT-Moduie eventuell auch die besonders kostengünstige Summenbeschaltung auf der Gleichstromseite verwendet werden. Der Funktionsablauf sowie die Auswirkung dlsser Beschaltungsmaßnahme sind der von RCD-Spannungsbegrenzern für Zweigpaare ähnlich.

Im Bedarfsfall ergänzend eingefügte Dämpfungskondensatoren relativ kleiner Kapazität reduzieren den Einfluß der verbleibenden parasitären Induktivitäten in den jeweiligen Zweig-Verbindungsleitungen. Ihr Anteil an der Beschaltungsverlustleistung 1st unbedeutend.

es wurde nun festgestellt, daß trotz tät Verwendung von RCD-Beschaltungsnetzen am Modul eine hochfrequente Spannungsschwingung und schmale Spannungsspitzen auftraten. Diese Schwingungen bzw. Spannungsspitzen haben folgende Ursachen:

a) Abriß des Rückwärtsstromes in den Freilaufdioden beim Kommutieren des Stromes von den Freilaufdioden auf die Transistoren,

b) Abriß des Freilaufstromes bei Undefiniertem Wechselrichter-Ausgangspotential, wenn beide Ventile eines Wechselrichter-Zweigpaares kurzzeitig gesperrt sind und

c) Abschaltüberspannungen, die von bereits vorhandenen RCD-Summenbeschaltungen oder RCD-Kreuzbeschaltungen nicht schnell genug gedämpft werden können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese hochfrequenten Spannungsschwingungen und die schmalen Spannungsspitzen zu dämpfen und zu glätten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
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bzw. RCD-Summenbeschaltung) durch die benannte RC^a-Beschaltung erhält man ein Beschaltungsnetz für eine Schaltungsanordnung

mit schnellschaltenden bipolaren Transistoren, mit dem die i>3chfrequenten Spannungsschwingungen und die schmalen Spannungsspitzen gedämpft und geglättet werden. Dabei glätten die in Reihe geschalteten Kondensatoren die Spannungsspitzen zwisehen den Plus-Minus-Anschlüssen der Schaltungsanordnung. Der Widerstand bedämpft die Schwingungen mit einem Zwischenkreis-Kondensator. Gleichermaßen werden die Schwingungen des Modul-Ausgangs bedämpft.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Beschaltungsnetzes ist elektrisch parallel zur Schaltungsanordnung ein Dämpfungskondensator geschaltet. Dieser Dämpfungskondensator relativ kleiner Kapazität reduziert den EinfluS der verbleibenden parasitären Induktivitäten in den jeweiligen Zweig-Verbindungsleitungen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Beschaltungsnetz für eine Schaltungsanordnung im einzelnen schematisch veranschaulicht ist. 20

Die Figur veranschaulicht einen Wechselrichter 2 eines nicht näher dargestellten Umrichters, der eingangsseitig an einen Zwischenkreis-Kondensator 4 angeschlossen ist. Dieser Wechselrichter 2 ist aus drei Phasenbausteinen 6, 8 und 10 aufgebaut.

Jeder Phasenbaustein 6, 8 und 10 besteht aus einer Schaltungsanordnung 12, dem jeweils ein Beschaltungsnetz, bestehend aus einer RCD-Beschaltung IA und einer genannten RC²-Beschaltung 16, zugeordnet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist nur der Phasenbaustein 6 mit dem zugehörigen Beschaltungsnetz IA und im einzelnen dargestellt.

Die RCD-Beschaltung 14 besteht aus einem Kondensator 18, der in Reihe zu einer Diode 20 mit parallelem Widerstand 22 angeordnet ist. Diese RCD-Beschaltung 14 ist als Summenbeschaltung für ein Zweigpaar bzw. die Schaltungsanordnung 12 vorgesehen, die aus zwei schneiischäitenden bipolaren Transistoren 24 und 26 besteht. Als Schaltungsanordnung 12 kann ein Leistungstransistormodul oder zwei Module, die jeweils einen Einzeltransistor enthalten, vorgesehen sein. Es können als

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Schaltungsanordnung 12 auch mehrere elektrisch parallel geschaltete Le.lstungstransistormodule vorgesehen sein. Diese RCD- , Beschaltung 14 kann auch als Einzelbeschaltung jeweils einem '' Transistor 24 bzw. 26 der Schaltungsanordnung 12 elektrisch parallel geschaltet sein. Als Transistor 24 bzw. 26 ist ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistcr (IGBT) vorgesehen. Außerdem kann als Transistor 24 bzw. 26 auch ein bipolarer Leistungstransistor (LTR) vorgesehen sein. Beide Transistorentypen gehören zu den schnellschaltenden Transistoren. 10

Die benannte RC²-Beschaltung 16 besteht aus zwei Kondensatoren 28 und 30 und einem Widerstand 32. Die beiden Kondensatoren 28 und 30 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Mit dem VerblndungsanschluQ 34 der beiden Kondensatoren 28 und 30 ist der Widerstand 32 mit einem Anschluß verknüpft. Diese so gebildete &Ggr;-Beschaltung, die gemäß ihrer Bauelemsnte 28, 30 und 32 als RC²-Beschaltung benannt ist, ist mit ihren drei Anschlüssen 36, 38 und 40 mit den drei Anschlüssen 42, 4 4 und 46 der Schaltungsanordnung 12 elektrisch leitend verbunden. Dabei ist der eine Kondensatoranschluß 36 mit dem Plus-Anschluß 42 und der andere Kondensatoranschluß 38 mit dem Minus-Anschluß 44 der Schaltungsanordnung 12 verknüpft. Außerdem ist elektrisch parallel zu den Plus-Minus-Anschlüssen 42 und 44 der Schaltungsanordnung 12 der Zwischenkreis-Kondensator 4 angeschlossen, der aus einem nicht naher dargestellten Gleichrichter gespeist wird, wodurch sich ; eine Zwischenkreisspannung U aufbaut. Der Widerstandsanschluß h 40 der RC^a-Beschaltung 16 ist mit dem Wechselstrom-Ausgang 48 der Schaltungsanordnung 12 verbunden.

Um die parasitären Induktivitäten in den jeweiligen Zweig-Verbindungsleitungen zu reduzieren, können Dämpfungskondensatoren relativ kleiner Kapazität eingefügt werden. Da diese Dämpfungskondensatoren im Bedarfsfall eingefügt werden, ist der Dämpfungskondensator 48 des Phasenbausteins 6 mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt.

Die Überspannungen, vor denen die Schaltungsanordnung 12 geschützt werden soll, entsteht während der Lastkommutierung eines Brückenzweiges beispielsweise von der stromführenden Frei-

laufdiode 50 auf den einschaltenden IGBT 26. In diesem Augenblick fließt ein Rückwärtsstrom durch die Diode 50, der feit hoher Geschwindigkeit abreißt, wenn die Didoe 50 Sperrspannung aufnimmt (Snap-Off-Verhalten). Die Grüße der überspannung ist abhängig von der Modulcharge und der Betriebstemperatur tfes Moduls 12. Ihre Dauer beträgt et^a 60 ns.. Aufgrund der extrem schnellen Stromänderung beim Rückwärts-Stromabriß in der Freilaufdiode 50, beispielsweise di_R/dt = 6 kA/ps, entsteht durch die Induktivitäten des Wechselrichteraufbaus in der Freilauf-

lü diode 50 bzw. am Transistor 26 eine hohe überspannung, die von der RC²-BeschaiLung I^ wirksam begrenzt werden kann. Bei dem vorliegenden extremen di/dt verhindert besonders die Diode 20 durch ihr EinschaltverhaJ ten mit hoher Verzögerungsspannung eine gute Wirksamkeit der RCD-Beschaltung la, Mit der Verwendung der RC²-Beschaltung 16 läßt sich die Vorwärtsspannung und damit die überspannung am Schalter 26 bzw. 24 deutlich verringern. Voraussetzung für die gute Wirksamkeit der RC²-Beschaltung 16 sind:

- Der Aufbau der RCD-Beschaltung 14 hat eine kleine Induktivität und

- die Induktivitäten der Bauteile 28, 30 und 32 der RC²-Beschaltung 16 sowie derer. Aufbau sind gering.

Auf diese RC²-Beschaltung 16 kommutiert im esten Augenblick des Abreißvorgangs ein Hauptteil des Rückwärtsstromes der Freilauf- ) diode 50. Um eine hohe Überladung der Kondensatoren 28 und 30 zu verhindern, muß die RCD-Beschaltung IA die au'-Beschaltung 16 schnell in der Stromführung ablösen, was nur mit einer geringen Induktivität im Aufbau möglich ist. Mit der RC²-Beschaltung 16 wird erreicht, daß die Abreißschwingung der Spannung an der Diode 20 stark bedämpft wird. Außerdem bedämpft der Widerstand 32 die Schwingungen mit dem Zwischenkreis-Kondensator Gleichermaßen werden die Schwingungen des Wechselstrom-Ausgangs 46 der Schaltungsanordnung 12 bedämpft. Die Bedämpfung der hochfrequenten Spannungsschwingungen und die Glättung der schmalen Spannungsspitzen wird mitteis der RC^a-Beschaitung 16 erreicht, ohne die Schaltzeiten der Schaltungsanordnung 12 zu vergrößern.

Claims

.90 9 3 3 4 5 OE Schutzansprüche

1. Beschaltungsnetz für eine Schaltungsanordnung (12) mit

zwei schnellschaltenden bipolaren Transistoren (24, 26), bestehend aus einer RCD-Beschaltung (14), dadurch gekennzeichnet , daß eine RC*-Beschaltung (16), bestehend aus zwei elektrisch in Reihe geschalteter Kondensatoren (28, 3u) und einem Widerstand (32), die eine T-Schaltung bilden, vorgesehen ist, deren Anschlüsse (36, 38, 40) mit den Anschlüssen (42, 44, 46) der Schaltungsanordnung (12) derart elektrisch leitend verbunden sind, daß jeweils ein KonuensatcranschiuS (36, 38) mit einem Eingangaanschluß (42, 44) und der Widerstandsanschluß (40) mit dem Wechselstromausgang (46) der Schaltungsanordnung (12) verknüpft sind.

2. Beschaltungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch parallel zur Schaltungsanordnung (12) ein Dämpfungskondensator (48) geschaltet ist.

3. Beschaltungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor (24, 26) jeweils ein Insulated-Gate-Blpolar-Translstor (IGBT) vorgesehen ist.

4. Beschaltungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Transistor (24, 26) Jeweils ein bipolarer Leistungstransistor (LTR) vorgesehen ist.