DE10014665A1 - Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters vor Überspannungen und eine aktive Überspannungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters (28) mit neun in einer 3 x 3-Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (2) und auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung. Erfindungsgemäß wird aus allen Eingangs- und/oder Ausgangs-Potentialen oder aus allen Eingangs-Potentialen und wenigstens eines Ausgangspotentials ein höchstes Potential ermittelt, wobei bei Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes bidirektionale Leistungsschalter (2) des Matrixumrichters (28) angesteuert werden. Somit erhält man einen Überspannungsschutz für einen gesamten Matrixumrichter (28), dessen Aufwand minimal und kostengünstig ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters mit neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix ange­ ordneten bidirektionalen Leistungsschaltern vor Überspannun­ gen und auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung.

Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstge­ führten Direktumrichter. Dieser selbstgeführte Direktumrich­ ter ist ein Umrichter ohne Zwischenkreis. Durch die Anordnung der leistungselektronischen Schalter in einer 3 × 3-Schalter­ matrix werden die drei Eingangsphasen mit den drei Ausgangs­ phasen verbunden. Dieser selbstgeführte Direktumrichter bil­ det den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rück­ speisefähig ist und durch eine entsprechend ausgeprägte Steu­ erung sinusförmige Netzströme erreicht. Als bidirektionaler Schalter der Schaltermatrix kann einerseits ein in einer Diodenbrücke integrierter Halbleiterschalter und andererseits zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter verwendet werden. Die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschal­ ter eines bidirektionalen Leistungsschalters der Schalter­ matrix sind entweder in der Topologie "Common Emitter Mode" oder "Common Kollektor Mode" ausgeführt. Die Ausführungsform des bidirektionalen Leistungsschalters, wobei ein Halbleiter­ schalter in einer Diodenbrücke eingebettet ist, wird als "Embedded Switch" bezeichnet.

Das Schaltbild eines bidirektionalen Schalters 2 in der Topo­ logie "Common Kollektor Mode" ist in der Fig. 1 näher darge­ stellt. Die Fig. 2 zeigt zum Vergleich einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Emitter Mode". Diese beiden bidirektionalen Leistungsschalter 2 weisen je­ weils zwei Halbleiterschalter 4 und 6 auf, die antiseriell geschaltet sind. In der Fig. 1 sind diese beiden Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell geschaltet, dass die bei­ den Kollektor-Anschlüsse miteinander elektrisch leitend ver­ bunden sind. Deshalb wird diese antiserielle Schaltung der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 auch als "Common Kollektor Mode" bezeichnet. In der Fig. 2 sind die beiden Halbleiter­ schalter 4 und 6 derart antiseriell geschaltet, dass deren Emitteranschlüsse elektrisch leitend verbunden sind. Gemäß der Verknüpfung der Emitteranschlüsse wird diese Verschaltung als "Common Emitter Mode" bezeichnet. Als Halbleiterschalter 4 und 6 werden abschaltbare Halbleiterschalter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode aufweisen. An den zugänglichen An­ schlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters 2 kann man die interne Topologie erkennen. Beim bidirektionalen Leis­ tungsschalter 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" ge­ mäß Fig. 1 sind am Leistungsschalter 2 die Anschlüsse E1, E2, G1 und G2 zugänglich. Im Gegensatz dazu sind beim bidirektiona­ len Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Emitter Mode" gemäß Fig. 2 die Anschlüsse C1, C2, G1 und G2 zugänglich. Zusätzlich weisen diese bidirektionalen Leistungsschalter 2 Hilfsanschlüsse EH1 und EH2 auf, die jeweils einen Steuer-An­ schluss bilden.

In der Fig. 3 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen Leis­ tungsschalters 2 in der Topologie "Embedded Switch" näher dargestellt. Dieser bidirektionale Leistungsschalter 2 weist einen abschaltbaren Halbleiterschalter 5, insbesondere einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), auf, der in einer Diodenbrücke angeordnet ist. Dieser Halbleiterschalter 5 ist kollektorseitig mit Kathodenanschlüsse zweier Dioden und emitterseitig mit Anodenanschlüssen zweier weiterer Dioden der Diodenbrücke elektrisch leitend verbunden. Die freien An­ schlüsse dieser Dioden bilden je einen Eingangs- und Aus­ gangs-Anschluss des bidirektionalen Leistungsschalters 2.

Durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter 4 und 6 bzw. des Halbleiterschalters 5 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 des Matrixumrichters wird jeweils ein Strompfad in einer bestimmten Richtung durchgeschaltet. Sind beide Halbleiter­ schalter 4 und 6 angesteuert, dann wird ein Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht, so dass eine sichere elektrische Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsphase erfolgt. Ist bei einem bidirektionalen Leistungsschalters 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" bzw. "Common Emitter Mode" nur ein Halbleiterschalter 4 bzw. 6 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 des Matrixumrichters angesteuert, dann entsteht diese Verbindung nur für eine bevorzugte Stromrichtung. Eine Phase des Matrixumrichters ist eine Anordnung von drei bidirektionalen Leistungsschalter, die eine Verbindung von den drei Netzphasen zu jeweils einer der Ausgangsphasen herstellt.

Da der Matrixumrichter keine passiven Freilaufkreise besitzt, wie ein Spannungszwischenkreisumrichter, treten insbesondere im Fall einer aufgrund eines NOT-AUS generierten Impulssperre (Abschalten der Ansteuerimpulse aller Halbleiterschalter) aufgrund der im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten hohe Sperrspannung an den Halbleiterschaltern auf. Diese Überspan­ nungen können auch durch Ausfall der Ansteuerung von bidirek­ tionalen Leistungsschaltern auftreten. In diesen genannten Fällen wird jedes Mal der Ausgangsstrom unterbrochen. Die Un­ terbrechung des Ausgangsstromkreises in Verbindung mit den im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten verursacht die Über­ spannungen, die die Zerstörung der Halbleiterschalter zufolge haben können.

Aus der Veröffentlichung "Novel Solutions for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine", abge­ druckt im Tagungsband "IEEE Industry Applications Society" New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997, Seiten 1447 bis 1454, ist eine Überspannungsschutzvorrichtung bekannt. Diese Überspannungsschutzvorrichtung weist zwei 6-pulsige Dioden­ brücken auf, die gleichspannungsseitig mittels eines Konden­ sators miteinander verknüpft sind. Wechselspannungsseitig ist die eine 6-pulsige Diodenbrücke mit den Eingangs-Anschlüssen des Matrixumrichters verbunden. Die andere Diodenbrücke ist wechselspannungsseitig mit den Ausgangs-Anschlüssen des Ma­ trixumrichters verbunden. Elektrisch parallel zum Kondensator ist ein Widerstand geschaltet, der den Kondensator entlädt. An den Eingangs-Anschlüssen des Matrixumrichters ist außerdem ein LC-Filter angeschlossen, dass eingangsseitig mit einem Drehstromnetz verbunden ist. Dieses LC-Filter, das auch als Eingangsfilter bezeichnet wird, hält pulsfrequente Ober­ schwingungen vom Netz fern. Die Größe dieses Filters hängt von der Pulsfrequenz des Matrixumrichters ab.

Auftretende Überspannungen werden durch die Diodenbrücken gleichgerichtet und auf den Kondensator gegeben. Für diese Überspannungsschutzvorrichtung, die auch Gegenstand des US- Patents 4,697,230 ist, wird eine Vorladeschaltung für den Kondensator benötigt. Diese Vorladeschaltung wird benötigt, damit beim Einschalten des Matrixumrichters keine Einschalt­ stromspitzen oder Überspannungen von doppelter Netzspannung auftreten. Derartige Überspannungen verursachen hohe Spitzen­ ströme, die von den Dioden der Diodenbrücke geführt werden müssen. Der Widerstand ist so dimensioniert, dass der Konden­ sator um eine vorbestimmte Energiemenge entladen wird.

Aus der Veröffentlichung "Performance of a two Steps Commutated Matrix Converter for AC-Variable-Speed Drives", abgedruckt im Tagungsband EPE'99, Lausanne, September 1999, Seiten 1 bis 9, ist ebenfalls eine Überspannungsschutzvor­ richtung bekannt, die zwei 6-pulsige Diodenbrücken aufweisen. Jeder dieser beiden Diodenbrücken weist gleichspannungsseitig einen Kondensator auf. Diese beiden Kondensatoren sind elek­ trisch parallelgeschaltet. Eine Zenerdiode und ein Pulswider­ stand sind elektrisch parallel zu diesen beiden Kondensatoren geschaltet, mit denen die Spannung der Kondensatoren auf ei­ nen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Außerdem weist jeder bidirektionale Leistungsschalter einen Varistor und zwei an­ tiseriell geschaltete Zenerdioden auf, mit denen die Überspannungen am bidirektionalen Leistungsschalter begrenzt wer­ den.

In der Veröffentlichung "A Matrix Converter without Reactive Clamp Elements for an Induction Motor Drive System", von Herrn Axel Schuster, abgedruckt in IEEE, 1998, Seiten 714 bis 720, ist als Überspannungsschutzvorrichtung mehrere Varisto­ ren vorgesehen. Jedem Halbleiterschalter jedes bidirektiona­ len Leistungsschalters der 3 × 3-Schaltermatrix ist ein Varis­ tor elektrisch parallel geschaltet. Diese Varistoren schützen die 18 Halbleiterschalter der neun bidirektionalen Leistungs­ schalter vor Überspannungen.

Bei der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtung muss beim bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode der Verbindungspunkt der beiden Kollektor-Anschlüsse der beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter herausge­ führt sein. Es ist auch möglich, dass der bidirektionale Leistungsschalter aus einzelnen Halbleiterbauelementen aufge­ baut ist. Erst wenn die Kollektor-Anschlüsse bzw. deren Ver­ bindungspunkt zugänglich sind, können jedem Halbleiterschal­ ter eines bidirektionalen Leistungsschalters ein Varistor elektrisch parallel geschaltet werden.

Aus der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transisto­ ren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft 4, 1984, Seiten 157 bis 159, ist eine Spannungsklemmschaltung bekannt. Diese Spannungsklemmschaltung ist in der Fig. 4 bei einem Halbleiterschalter 4 näher dargestellt und ist mit 8 gekennzeichnet. Diese Spannungsklemmschaltung 8 besteht aus einer Zenerdiode 10, insbesondere einer Hochspannungs-Zener­ diode, die auch als Transildiode bezeichnet wird, und einer Entkopplungsdiode 12. Diese Spannungsklemmschaltung 8 ist zwischen Kollektor-Anschluss C und Gate-Anschluss G des Halb­ leiterschalters 4 geschaltet. Als Halbleiterschalter 4 ist ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) mit einer Reverse-Diode vorgesehen. Die Entkopplungsdiode 12 trennt die Spannungsklemmschaltung 8 vom Gate-Anschluss G des Halblei­ terschalters 4 beim eingeschalteten Halbleiterschalter 4 ab. Sobald im gesperrten Zustand der Halbleiterschalter 4 seine Kollektor-Emitter-Spannung die Summe aus Z-Spannung der Tran­ sildiode, der Schwellenspannung der Entkopplungsdiode 12 und der Gate-Emitter-Schwellenspannung überschreitet, wird der Halbleiterschalter 4 selbsttätig angesteuert. Somit wird eine auftretende Überspannung am Halbleiterschalter 4 aktiv von diesem begrenzt, wobei jedoch im Halbleiterschalter 4 und in der Transildiode 10 Verluste auftreten.

Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann direkt bei einem bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie "Common Emitter Mode" (Fig. 2) verwendet werden. Das heißt, jedem der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektio­ nalen Leistungsschalters 2 im Common Emitter Mode wird eine Spannungsklemmschaltung 8 elektrisch parallel zur Kollektor- Gate-Strecke geschaltet. Dies kann auch ohne großen Aufwand realisiert werden, da die benötigten Anschlüsse - Kollektor- Anschluss C und Gate-Anschluss G - zugänglich sind.

Eine Verwendung dieser bekannten Spannungsklemmschaltung 8 bei einem bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode ist ohne weiteres nicht möglich. Damit dies möglich wird, muss der Common-Kollektor-Anschluss aus dem bidirektionalen Leistungsschalter 2 herausgeführt sein.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Matrixum­ richter kostengünstig und aufwandsarm gegen Überspannungen zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des un­ abhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Vor­ handensein einer auftretenden Überspannung ermittelt, die dann alle gefährdeten bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters selbsttätig ansteuert. Dadurch kann diese Überspannung keinen bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters zerstören, da durch diese selbsttätige An­ steuerung der bidirektionale Leistungsschalter die Überspan­ nung auf einen vorbestimmten Wert aktiv begrenzt wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es unerheblich, an welchem Anschluss des Matrixumrichters eine Überspannung auf­ tritt, sondern es interessiert nur, dass eine Überspannung auftritt. Sobald diese erfasst ist, werden alle bidirektiona­ len Leistungsschalter derart angesteuert, dass diese ermit­ telte Überspannung aktiv begrenzt wird.

Bei einem vorteilhaften Verfahren werden nicht die Potentiale an den Eingangs- und/oder Ausgangs-Anschlüssen des Matrixum­ richters ausgewertet, sondern die Potentiale der Steueran­ schlüsse aller bidirektionalen Leistungsschalter des Matrix­ umrichters. Somit unterscheidet sich das vorteilhafte Verfah­ ren nur durch den Ort der Erfassung einer Überspannung, nicht jedoch in der aktiven Begrenzung einer ermittelten Überspan­ nung.

Eine erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung weist wenigstens eine Gleichrichterschaltung, wenigstens eine Hochspannungs-Zenerdiode und wenigstens eine Diodenschaltung auf, die mehrere hochsperrende Dioden aufweist, wobei jede Hochspannungs-Zenerdiode kathodenseitig jeweils mit einem Ausgang einer Gleichrichterschaltung und anodenseitig jeweils mit einem Eingang des Diodennetzwerkes verbunden ist. Die Eingänge der Gleichrichterschaltungen sind mit Eingangs- und/ oder Ausgangs-Anschlüssen des Matrixumrichters oder mit Ein­ gangs-Anschlüssen und wenigstens einem Ausgangs-Anschluss des Matrixumrichters verknüpft. Die hochsperrenden Dioden der Diodenschaltung sind kathodenseitig jeweils mit einem Steuer- Anschluss der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixum­ richters verbunden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der aktiven Überspan­ nungsschutzvorrichtung ist diese umrichterorientiert. Das heißt, dass alle Eingangs- und Ausgangs-Anschlüsse des Ma­ trixumrichters mit den Eingängen einer Gleichrichterschaltung verbunden sind. Außerdem wird nur eine Hochspannungs-Zener­ diode gebraucht, an deren Anode der Eingang der Diodenschal­ tung angeschlossen ist. Durch diese umrichterorientierte Aus­ gestaltung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wird nur eine Hochspannungs-Zenerdiode benötigt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser vor­ teilhaften Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutz­ vorrichtung sind jeweils drei hochsperrende Dioden der Dio­ denschaltung durch ein Diodennetzwerk, bestehend aus drei niedersperrenden Zenerdioden und einer hochsperrenden Diode, ersetzt. Die drei niedersperrenden Zenerdioden sind anoden­ seitig mit der Kathode der hochsperrenden Diode verbunden, die anodenseitig mit der Hochspannungs-Zenerdiode verknüpft ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der hochsper­ renden Dioden weiter verringert.

Die Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrich­ tung kann auch phasenorientiert aufgebaut sein, wodurch dann drei Hochspannungs-Zenerdioden und drei Gleichrichterschal­ tungen benötigt werden. Auch bei dieser phasenorientierten Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung können jeweils drei hochsperrende Dioden der Diodenschaltung durch ein Diodennetzwerk, bestehend aus drei niedersperrenden Zenerdioden und einer hochsperrenden Diode, ersetzt werden.

Außerdem kann die umrichter- bzw. phasenorientierte Ausfüh­ rungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung abhängig von der Richtung der Ströme im Matrixumrichter aufgeteilt werden. Das heißt, die aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann phasen- oder umrichterorientiert und für Hin- und Rück­ richtung gemeinsam oder getrennt aufgebaut sein. Die meisten Hochspannungs-Zenerdioden, nämlich sechs Stück, werden bei einer phasenorientierten und Hin- und Rückrichtung getrennten Ausführungsform gebraucht.

Die Wahl der Ausführung der aktiven Überspannungsschutzvor­ richtungen hängt von dem Aufbau des Matrixumrichters ab. Die bidirektionalen Leistungsschalter können alle in einem Modul untergebracht sein. Diese können auch phasenmäßig jeweils in einem Modul oder netz- und lastseitig jeweils in einem Modul integriert sein. Dadurch, dass der Aufbau der aktiven Über­ spannungsschutzvorrichtung abhängig vom Aufbau des Matrixum­ richters gestaltet wird, können Teile der Überspannungs­ schutzvorrichtung in unmittelbarer Nähe der Module des Um­ richters platziert werden. Dadurch erhält man eine niederin­ duktive Anbindung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung an dem Matrixumrichter.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfin­ dungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung schema­ tisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs­ schalters in Common Kollektor Mode, die

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs­ schalters in Common Emitter Mode, in dem

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs­ schalters als Embedded Switch dargestellt, in der

Fig. 4 ist eine Spannungsklemmschaltung für einen Halblei­ terschalter dargestellt, die

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Matrixumrichters mit bi­ direktionalen Leistungsschaltern gemäß Fig. 1, die

Fig. 6 zeigt ein Schaltbild eines Matrixumrichters mit bi­ direktionalen Leistungsschaltern gemäß Fig. 3, die

Fig. 7 zeigt eine umrichterorientierte Ausführungsform einer ersten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Über­ spannungsschutzvorrichtung, wobei in der

Fig. 8 eine vorteilhafte Ausführungsform der aktiven Über­ spannungsvorrichtung nach Fig. 7 dargestellt ist,

Fig. 9 zeigt eine umrichterorientierte Ausführungsform mit Hin- und Rückrichtung getrennt der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, die

Fig. 10 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach Fig. 9, wobei die

Fig. 11 eine phasenorientierte Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung zeigt, wobei die

Fig. 12 eine vorteilhafte Ausführungsform der phasenorien­ tierten Ausführungsform der aktiven Überspannungs­ schutzvorrichtung nach Fig. 11 zeigt, die

Fig. 13 zeigt eine phasenorientierte Ausführungsform mit Hin- und Rückrichtung getrennt der erfindungsgemäßen akti­ ven Überspannungsschutzvorrichtung, in der

Fig. 14 ist eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Über­ spannungsschutzvorrichtung näher dargestellt, wobei die

Fig. 15 eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zwei­ ten Variante mit Hin- und Rückrichtung getrennt zeigt und in

Fig. 16 ist eine phasenorientierte Ausführungsform der zwei­ ten Variante nach Fig. 14 näher dargestellt.

In der Fig. 5 ist eine Schaltung eines Matrixumrichters 28 dargestellt, der neun bidirektionale Leistungsschalter 2 in Common Kollektor Mode aufweist. Diese bidirektionalen Leis­ tungsschalter 2 sind in einer 3 × 3-Schaltermatrix angeordnet. Die Emitter-Anschlüsse dieser bidirektionalen Leistungsschal­ ter 2 bilden entweder einen Eingangs-Anschluss U bzw. V bzw. W oder einen Ausgangs-Anschluss X bzw. Y bzw. Z des Matrixum­ richters 28. An den Eingangs-Anschlüssen U, V und W ist ein Drehstromnetz 30 und an den Ausgangs-Anschlüssen X, Y und Z eine Drehstromlast 32, insbesondere eine Drehfeldmaschine, angeschlossen. Die Gate-Anschlüsse G der netzseitigen Halbleiterschalter 6 der bidirektionalen Leistungsschalter 2 sind mit einem Index N' versehen, wobei die Gate-Anschlüsse G der lastseitigen Halbleiter 4 dieser bidirektionalen Leistungs­ schalter 2 mit einem Index P' versehen sind. Eine Phase des Matrixumrichters 28 ist eine Anordnung von drei bidirektiona­ len Leistungsschaltern 2, die eine Verbindung von den drei netzseitigen Anschlüssen, U, V und W zu jeweils einem lastsei­ tigen Anschluss X bzw. Y bzw. Z herstellt. Aus diesem Grund sind diese Gate-Anschlüsse G der bidirektionalen Leistungs­ schalter 2 mit zwei Indexzahlen versehen. Bei diesem Ersatz­ schaltbild des Matrixumrichters 28 mit bidirektionalen Leis­ tungsschaltern 2 in Common Kollektor Mode sind die antiparal­ lelen Dioden der antiseriell geschalteten Halbleiterschalter 4 und 6 der bidirektionalen Leistungsschalter 2 aus Über­ sichtlichkeitsgründen weggelassen.

In der Fig. 6 ist dieser Matrixumrichter 28 mit bidirektiona­ len Leistungsschaltern 2 in Embedded Mode dargestellt. Dieser Matrixumrichter 28 unterscheidet sich vom Matrixumrichter 28 gemäß Fig. 5 nur durch die Topologie der bidirektionalen Leis­ tungsschalter 2.

Zum Schutz des Matrixumrichters 28 gegenüber auftretenden Überspannungen ist deshalb eine aktive Überspannungsschutz­ vorrichtung vorgesehen, die wenigstens eine Gleichrichter­ schaltung, wenigstens eine Hochspannungs-Zenerdiode und wenigstens eine Diodenschaltung aufweist.

Eine erste umrichterorientierte Ausführungsform einer ersten Variante der aktiven Überspannungsvorrichtung nach der Erfin­ dung ist in der Fig. 7 näher dargestellt. Diese Überspannungs­ schutzvorrichtung weist eine Gleichrichterschaltung 34, eine Hochspannungs-Zenerdiode 10, auch als Transildiode bezeich­ net, und eine Diodenschaltung 36 auf. Die Gleichrichterschal­ tung 34 weist drei der Netzseite zugewandten Dioden 18 und drei der Lastseite zugewandten Diode 16 auf. Die Dioden 18 sind anodenseitig jeweils mit einem Eingangs-Anschluss U, V oder W und die Dioden 16 sind jeweils mit einem Ausgangs-An­ schluss X, Y oder Z des Matrixumrichters 28 verknüpft. Die Diodenschaltung 36 weist neun Dioden 20 und neun Dioden 22 auf. Die Dioden 20 bzw. 22 sind kathodenseitig jeweils mit Gate-Anschlüssen G der bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verbunden. Die Dioden 20 und 22 sind anodenseitig mit den Anoden-Anschluss der Transildiode 10 verknüpft, die ihrerseits kathodenseitig mit den Kathoden-An­ schlüssen der Dioden 16 und 18 der Gleichrichterschaltung 34 elektrisch leitend verbunden ist. Da die aktive Überspan­ nungsschutzvorrichtung nur eine Gleichrichterschaltung 34 und nur eine Hochspannungs-Zenerdiode 10 aufweist, ist diese um­ richterorientiert aufgebaut. Diese umrichterorientierte akti­ ve Überspannungsschutzvorrichtung wird vorteilhafter Weise dann verwendet, wenn der Matrixumrichter 28 aus einem Modul besteht.

In der Fig. 8 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung darge­ stellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 dadurch, dass anstelle von jeweils drei hochsperrenden Dioden 20 und 22 der Dioden­ schaltung 36 jeweils ein Diodennetzwerk 38 und 40 vorgesehen ist. Jedes Diodennetzwerk 38, 40 besteht aus drei niedersper­ renden Zenerdioden 42, 44 und einer hochsperrenden Diode 46, 48. Die drei niedersperrenden Zenerdioden 42 bzw. 44 sind anodenseitig mit der Kathode der hochsperrenden Dioden 46 bzw. 48 verknüpft, die anodenseitig mit der Anode der Hoch­ spannungs-Zenerdiode 10 verknüpft ist. Durch diese Ausgestal­ tung wird die Anzahl der hochsperrenden Dioden 20 bzw. 22 von neun auf drei reduziert. Dadurch reduziert sich der Kosten­ aufwand für die aktive Überspannungsschutzvorrichtung.

Die Fig. 9 zeigt eine umrichterorientierte Ausführungsform der ersten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, wobei die Hin- und Rückführung getrennt sind. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 7 sind die Gleichrichterschaltung 34 und die Diodenschaltung 36 jeweils halbiert. Das heißt, die Dioden 18 und 16 der Gleichrichterschaltung 34 bilden jeweils eine Teilgleichrichterschaltung 50 und 52, wogegen die Dioden 20 und 22 der Diodenschaltung 36 jeweils eine Teildioden­ schaltung 54 und 56 bilden. Kathodenseitig sind die Dioden 18 und 16 jeweils mit einem Kathoden-Anschluss einer Transildio­ de 10 verbunden. Anodenseitig ist jede dieser Transildioden 10 mit den Anoden der Dioden 20 bzw. 22 der Teildiodenschal­ tung 54 und 56 verknüpft. Diese Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wird vorzugsweise dann verwen­ det, wenn der Matrixumrichter 28 von zwei Modulen realisiert wird, wobei in einem Modul alle netzseitigen Halbleiterschal­ ter 6 und im anderen Modul alle lastseitigen Halbleiterschal­ ter 4 integriert sind.

In der Fig. 10 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Aus­ führungsform nach Fig. 9 näher dargestellt. Bei dieser Varian­ te hat sich die Anzahl der hochsperrenden Dioden 20 und 22 wesentlich verringert. Anstelle von jeweils neun hochsperren­ den Dioden 20 und 22 der Teildiodenschaltungen 54 und 56 wer­ den nun nur noch jeweils drei hochsperrende Dioden 46 und 48 benötigt, die jeweils mit drei niedersperrenden Zenerdioden 42 bzw. 44 versehen sind. Dabei ist jede hochsperrende Diode 46 bzw. 48 kathodenseitig mit einem Anoden-Anschluss dreier Zenerdioden 42 bzw. 44 elektrisch leitend verbunden, die ih­ rerseits kathodenseitig mit Steueranschlüssen der bidirektio­ nalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verknüpft sind. Durch die Reduzierung der Anzahl hochsperrender Dioden 46 und 48 kann die Diodenschaltung 36 noch platzsparender aufgebaut werden. Außerdem reduziert sich der Kostenaufwand für die aktive Überspannungsschutzvorrichtung für den Mat­ rixumrichter 28.

In der Fig. 11 ist eine phasenorientierte Ausführungsform ei­ ner aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung für einen Matrixumrichter 28 dargestellt. Diese Ausführungs­ form unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 dadurch, dass die Gleichrichterschaltung 34 und die Dioden­ schaltung 36 jeweils in drei Teilgleichrichterschaltungen 58, 60 und 62 und drei Teildiodenschaltungen 64, 66 und 68 un­ terteilt sind. Jede Teilgleichrichterschaltung 58, 60 und 62 ist einerseits mit den Eingangs-Anschlüssen U, V und W und einem Ausgangs-Anschluss X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 28 verbunden. Die Teildiodenschaltungen 64, 66 und 68 sind je­ weils mit den Steueranschlüssen der bidirektionalen Leis­ tungsschalter 2 einer Matrixumrichterphase verknüpft. Bei dieser Ausführungsform sind Hin- und Rückrichtung, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7, nicht getrennt. Die Über­ spannungsschutzvorrichtung gemäß Fig. 11 ist genau dann zu empfehlen, wenn der Matrixumrichter 28 pro Phase ein Modul aufweist.

In der Fig. 12 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Aus­ führung nach Fig. 11 näher dargestellt. Auch bei dieser vor­ teilhaften Ausführungsform sind jeweils drei hochsperrende Dioden 20 und 22 der Teildiodenschaltungen 64, 66 und 68 je­ weils durch ein Diodennetzwerk 38 bzw. 40 ersetzt, wobei hier nur das Diodenetzwerk 40 jeweils näher dargestellt ist.

In der Fig. 13 ist eine phasenorientierte Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung dargestellt, wobei Hin- und Rückrichtung des Matrixumrichters 28 getrennt sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 11 dadurch, dass jede Teil­ gleichrichterschaltung 58, 60 und 62 und jede Teildiodenschal­ tung 64, 66 und 68 halbiert sind. Dadurch verdoppeln sich nur die Anzahl der Hochspannungs-Zenerdioden 10.

In der Fig. 14 ist eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Über­ spannungsschutzvorrichtung näher dargestellt. Der wesentliche Unterschied zur ersten Variante besteht darin, dass die Gleichrichterschaltung 34 nun nicht mehr eingangsseitig mit den Eingangs- und Ausgangs-Anschlüssen U, V, W und X, Y, Z des Matrixumrichters 28 verknüpft sind, sondern mit den Steueran­ schlüssen G der bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28. Aus diesem Grund weist nun die Gleich­ richterschaltung 34 achtzehn hochsperrende Dioden 16 und 18 auf, die alle kathodenseitig miteinander verbunden sind. Die­ ser Verknüpfungspunkt bildet den Ausgang der Gleichrichter­ schaltung 34. Die Diodenschaltung 36 entspricht vom Aufbau der Diodenschaltung 36 der Ausführungsform der aktiven Über­ spannungsschutzvorrichtung nach Fig. 7. Somit ist diese erste Ausführungsform der zweiten Variante der aktiven Überspan­ nungsschutzvorrichtung ebenfalls umrichterorientiert aufge­ baut. Eine entsprechende phasenorientierte Ausführungsform der zweiten Variante ist in der Fig. 16 dargestellt, wobei ei­ ne umrichterorientierte mit Hin- und Rückrichtung getrennt in der Fig. 15 näher dargestellt ist. Diese in den Fig. 14 bis 16 dargestellten Ausführungsformen der zweiten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung kann nur bei einem Ma­ trixumrichter 28 verwendet werden, deren neun bidirektionale Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" oder "Common Emitter Mode" ausgeführt sind. Die Verwendung dieser zweiten Variante der aktiven Überspannungsschutzvor­ richtung ist bei einem Matrixumrichter mit bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie "Embedded Mode" nicht möglich.

Dadurch, dass wenigstens eine Hochspannungs-Zenerdiode ge­ meinsam für alle Halbleiterschalter 4, 6 bzw. 5 der bidirek­ tionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verwen­ det wird, ist der Aufwand für einen Überspannungsschutz eines Matrixumrichters 28 minimal. Die Spannungsbegrenzungen für alle Halbleiterschalter 4, 6 bzw. 5 der bidirektionalen Leis­ tungsschalter 2 wird bei einer umrichterorientierten Ausfüh­ rungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung von ei­ ner einzigen Hochspannungs-Zenerdiode 10 vorgenommen. Durch diese erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung wird eine auftretende Spannung im Matrixumrichter 28 ermit­ telt, wobei das Vorhandensein einer Überspannung nur interessiert und nicht der Ort der Überspannung im Matrixumrichter 28. Eine ermittelte Überspannung führt dazu, dass bei einer umrichterorientierten Ausführungsform der aktiven Überspan­ nungsschutzvorrichtung alle Halbleiterschalter 4, 6 oder 5 der bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 derart aufgesteuert werden, dass sie diese Überspannung aktiv begrenzen. Somit wird der Überspannungsschutz nicht mehr für jeden einzelnen Halbleiterschalter 4, 6 bzw. 5 der bidirektio­ nalen Leistungsschalter 2 oder jeden einzelnen bidirektiona­ len Leistungsschalter 2 getrennt gelöst, sondern für den ge­ samten Matrixumrichter 28 gemeinsam.

Claims (6)

1. Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters (28) vor Über­ spannungen mit neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (2), wobei aus allen Ein­ gangs- und/oder Ausgangs-Potentialen oder aus allen Eingangs- Potentialen und wenigstens einem Ausgangspotential jeweils ein höchstes Potential ermittelt wird, wobei bei Überschrei­ tung eines vorbestimmten Grenzwertes bidirektionale Leis­ tungsschalter (2) des Matrixumrichters (28) angesteuert wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei anstelle der Eingangs- und Ausgangs-Potentiale Steuer­ potentiale der bidirektionalen Leistungsschalter (2) des Mat­ rixumrichters (28) verwendet werden.

3. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen Matrix­ umrichter (28), der neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix ange­ ordnete bidirektionale Leistungsschalter (2) aufweist, mit wenigstens einer Gleichrichterschaltung (34, 50, 52, 58, 60, 62), wenigstens einer Hochspannungs-Zenerdiode (10) und wenigstens einer Diodenschaltung (36, 54, 56, 64, 66, 68), wobei jede Hoch­ spannungs-Zenerdiode (10) kathodenseitig mit einem Ausgang einer Gleichrichterschaltung (34, 50,52, 58, 60, 62) und anoden­ seitig mit einem Eingang einer Diodenschaltung (36, 54, 56, 64, 66, 68) verknüpft ist, wobei die Gleichrichterschaltungen (34, 50, 52, 58, 60, 62) eingangsseitig mit den Eingangs- und/oder Ausgangs-Anschlüssen (U, V, W; X, Y, Z) oder mit den Eingangs-An­ schlüssen (U, V, W) und wenigstens einem Ausgangs-Anschluss (X, Y, Z) verknüpft sind und wobei die Ausgänge der Dioden­ schaltung (36, 54, 56, 64, 66, 68) jeweils mit einem Steuer-An­ schluss der bidirektionalen Leistungsschalter (2) des Matrix­ umrichters (28) verbunden sind.

4. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Diodenschaltung (36, 54, 56, 64, 66, 68) mehrere hoch­ sperrende Dioden (20,22) aufweist.

5. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeweils anstelle von drei hochsperrenden Dioden (20,22) der Diodenschaltung (36, 54, 56, 64, 66, 68) drei niedersperrende Zenerdioden (42, 44) und eine hochsperrende Diode (46, 48) vor­ gesehen sind, wobei die niedersperrenden Zenerdioden (42, 44) anodenseitig mit einem Kathoden-Anschluss der hochsperrenden Diode (46, 48) verknüpft sind.

6. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der An­ sprüche 3 bis 5, wobei jede Gleichrichterschaltung (34, 50, 52, 58, 60, 62) mehrere hochsperrende Dioden (16, 18) aufweist, deren Kathodenan­ schlüsse miteinander zu einem Ausgang einer Gleichrichter­ schaltung (34, 50, 52, 58, 60, 62) verbunden sind.