DE19905282A1 - Three level inverter branching system, comprises multi-branch command circuit breaker, diode and capacitor assemblies - Google Patents
Three level inverter branching system, comprises multi-branch command circuit breaker, diode and capacitor assembliesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einschalt entlastung von 3-Level-Wechselrichtern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for switching on Relief of 3-level inverters according to the Preamble of claim 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.The well-known 3-level inverters (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", page 38 ff., Fig. 3) in IGBT technology (Insulated Gate Bipolar Transistor) consist of four IGBTs per branch with four anti-parallel diodes and two clamp diodes.
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.In high performance applications, the use of well-known 3-level inverter by the occurring Losses and especially the start-up losses as well due to the size of the components to be used (especially the DC capacitors) and of the inductive connections between the Components without relief and / or clamp Circuits very difficult.
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.DE 196 36 248 C1 describes a method for Switching relief of an IGBT known with which at 2- Level inverters resulting from resistors Switching losses are avoided.
Für Hochleistungsanwendungen ist jedoch der 3-Level- Wechselrichter aufgrund der möglichen höheren Umrich terspannungen besser geeignet und wird dementsprechend immer häufiger eingesetzt.For high performance applications, however, the 3-level Inverters due to the possible higher converter voltage is more suitable and becomes accordingly used more and more.
Es sind bisher keine Lösungen für 3-Level-Wechsel richter bekannt geworden, mit denen aufwandsarm (ohne Widerstand) die Einschaltverluste reduziert werden können.So far there are no solutions for 3-level changes become known to judges with whom little effort (without Resistance) the switch-on losses are reduced can.
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). To reduce the switch-on losses and to limit the steepness of the inrush currents in 3-level inverters with power semiconductors that can be switched off, it is known to use a concentrated inductance (choke coil) and a clamp circuit consisting of a clamp condenser between the intermediate circuit capacitors and the power semiconductors sator and a diode and a discharge resistor to provide. In particular at higher switching frequencies, this results in high losses, in particular due to the discharge resistance (in: ETG technical reports, Bad Nauheim, May 1998, Dr. H. Grüning, "The GCT strengths of GTO and IGBT technology in one unit" , Page 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.The object of the invention is a generic Develop an arrangement that ensures that Switch-on losses reduced and the steepness of rise of the inrush currents for 3-level inverters in High performance applications are limited.
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.The object is achieved with the features of claim 1 solved. The arrangement is then known records that the controlled switch and that anti-parallel connected diode with the one in series switched capacitor the respective intermediate circuit Capacitors at least on the motor side Converter side are connected in parallel, such that in the steady state the in series Capacitor is charged up to a voltage level, which is larger than that on the respective DC link Capacitor applied voltage.
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.The clamp circuit provided according to the invention can be brought very close to the power semiconductors be so that the inductance of the electrical Connections reduced due to the short cable routing becomes. The clamp capacitors to be used can be chosen much smaller than that DC link capacitors.
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.The controllable are used to discharge the capacitors Switch shortly before the power is switched off semiconductors in the phase branch of the inverter switched on. To avoid switch-off losses when the controllable switches are switched off, the Currents in these switches by turning off the Power semiconductors in the 3-level inverter commutates. This turns the electricity out of controllable Switches commutated in the diodes, so that one lossy shutdown of the controllable switches is avoided. The losses in the taxable Switches are even at high switching frequencies negligible small.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims described.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Einschaltentlastung von 3-Level-Wechselrichtern näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to a drawing in one embodiment of the arrangement for Start-up relief of 3-level inverters closer explained. Show it:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen 3-Level- Wechselrichter nach dem Stand der Technik, Fig. 1 is a schematic illustration of a circuit arrangement for a 3-level inverter according to the prior art,
Fig. 2 die schematische Darstellung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit der Anordnung nach der Erfindung, Fig. 2 is a schematic illustration of the circuit arrangement of FIG. 1 with the arrangement according to the invention,
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. 3 is a schematic representation of a circuit arrangement for several 3-level inverters with the arrangement according to the invention on a 3-level intermediate circuit capacitor and
Fig. 4 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung für eine Schaltungsanordnung nach Fig. 3. Fig. 4 is a schematic representation of a further embodiment of the invention for a circuit arrangement according to 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 DU1, DU2 und Zwischenkreis-Kondensatoren C1, C2, an denen jeweils eine Spannung Ud/2 anliegt. Die Gleichspannung Ud/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. Fig. 1 shows a schematic representation of the circuit diagram of a 3-level inverter according to the prior art. Each inverter branch (phase branch) is formed from four switchable power semiconductors (IGBT) T1 to T4, which are each connected to a control unit via pulse amplifiers, four antiparallel diodes D1 to D4, two zero diodes D U1 , D U2 and intermediate circuit capacitors C 1 , C 2 , to which a voltage U d / 2 is applied. The DC voltage U d / 2 can be applied to the output terminals of the inverter via the positive tap (T1 and T2 are switched on), via the central tap 0 (T2 and T3 are switched on) or via the negative tap (T3 and T4 are switched on) .
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 Tc1, Tc2 können auch die Verluste in diesen Schaltern erheblich reduziert werden.The arrangement according to the invention is shown in FIG. 2. The circuitry according to the invention arranged in the intermediate circuit does not require any lossy resistors and thus ensures that switching-on losses are largely avoided in 3-level inverters in high-performance applications such as rail-powered vehicles. By intelligently controlling the switches T c1 , T c2 , the losses in these switches can also be reduced considerably.
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 Tc1, Tc2 und einer antiparallelgeschalteten Diode Dc1, Dc2 und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator Cc1, Cc2 gebildet sind.In FIG. 2, for low-loss switch-on relief according to the invention, the load side is connected in parallel with the intermediate circuit capacitors C 1 , C 2 combinations, each consisting of a switch T c1 , T c2 and an anti-parallel diode D c1 , D c2 and one series connected capacitor C c1 , C c2 are formed.
Im stationären Zustand sind die Kondensatoren Cc1 und Cc2 bis zur Spannungshöhe Ucc1 bzw. Ucc2 < Ud/2 aufgeladen, beispielsweise auf eine Spannungshöhe von 1,1 Ud/2. Die Schalter Tc1 bzw. Tc2 werden zur Teilentladung der Kondensatoren Cc1 und Cc2 zur Begrenzung der Gleichspannungen Ucc1 und Ucc2 eingeschaltet. Durch eine intelligente Steuerung der Schalter Tc1 und Tc2 können die Schaltverluste der Schalter Tc1 und Tc2 erheblich reduziert werden. Es können zum Beispiel der Schalter Tc1 oder der Schalter Tc2 eingeschaltet werden bevor im Kommutierungsvorgang einer der stromführenden Schalter T1, T2 oder T4 ausgeschaltet wird. Der Strom aus den steuerbaren Schaltern Tc1, Tc2 wird beim Ausschalten des stromführenden Schalters in die Dioden Dc1, Dc2 kommutiert, so daß eine verlustbehaftete Abschaltung der steuerbaren Schalter Tc1, Tc2 vermieden wird.In the steady state, the capacitors C c1 and C c2 are charged up to the voltage level Uc c1 and Uc c2 <U d / 2, for example to a voltage level of 1.1 U d / 2. The switches T c1 and T c2 are turned on to partially discharge the capacitors C c1 and C c2 to limit the direct voltages Uc c1 and Uc c2 . The switching losses of the switches T c1 and T c2 can be considerably reduced by intelligent control of the switches T c1 and T c2 . For example, the switch T c1 or the switch T c2 can be switched on before one of the current-carrying switches T1, T2 or T4 is switched off in the commutation process. The current from the controllable switches T c1 , T c2 is commutated when the current-carrying switch is switched off into the diodes D c1 , D c2 , so that lossy switching off of the controllable switches T c1 , T c2 is avoided.
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.In Fig. 3 a variant of the arrangement according to the invention for a plurality of 3-level inverter in a 3-level Capacitors- intermediate circuit is shown, as they can be used for example for the drive power converter of high speed trains as Transrapid.
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 LS1 und LS2 für die netzseitigen und motor seitigen Stromrichter verwendet sind. Fig. 4 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for several 3-level inverters on a 3-level capacitor intermediate circuit, in the common relief choke coils L S1 and L S2 are used for the line-side and motor-side converters.
C1 C 1
, C2 , C 2
Zwischenkreis-Kondensatoren
Cc1 DC link capacitors
C c1
bis Cc4 to C c4
Kondensatoren
D1 bis D4 Dioden
Dc1 Capacitors
D1 to D4 diodes
D c1
bis Dc4 to D c4
Dioden
DU1 Diodes
D U1
, DU2 , D U2
Null-Dioden
LS1 Zero diodes
L S1
bis LS4 to L S4
Induktivitäten
T1 bis T4 Leistungshalbleiter (IGBT)
Tc1 Inductors
T1 to T4 power semiconductors (IGBT)
T c1
bis Tc4 to M c4
steuerbare Schalter
Ud controllable switches
U d
/2 Gleichspannung
Ucc1 / 2 DC voltage
Uc c1
bis Ucc4 to Uc c4
Spannung
0 zentraler Abgriff
tension
0 central tap
Claims (3)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19905282A DE19905282A1 (en) | 1999-02-03 | 1999-02-03 | Three level inverter branching system, comprises multi-branch command circuit breaker, diode and capacitor assemblies |
| FR0001347A FR2789241A1 (en) | 1999-02-03 | 2000-02-03 | DEVICE FOR PERFORMING A RELAXATION OF CONNECTION OF 3-LEVEL INVERTERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE19905282A DE19905282A1 (en) | 1999-02-03 | 1999-02-03 | Three level inverter branching system, comprises multi-branch command circuit breaker, diode and capacitor assemblies |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE19905282A1 true DE19905282A1 (en) | 2000-08-10 |
Family
ID=7896906
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19905282A Ceased DE19905282A1 (en) | 1999-02-03 | 1999-02-03 | Three level inverter branching system, comprises multi-branch command circuit breaker, diode and capacitor assemblies |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19905282A1 (en) |
| FR (1) | FR2789241A1 (en) |
Citations (2)
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- 2000-02-03 FR FR0001347A patent/FR2789241A1/en not_active Withdrawn
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Also Published As
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| FR2789241A1 (en) | 2000-08-04 |
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