DE4233573A1

DE4233573A1 - Selbstgefuehrter stromrichter mit quasi-resonantem gleichspannungs-zwischenkreis

Info

Publication number: DE4233573A1
Application number: DE4233573A
Authority: DE
Inventors: Samir Dr Ing Salama
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: DE4233573C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeführten Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser Stromrichter kann sowohl als selbst geführter Gleichrichter als auch als selbstgeführter Wechselrichter eingesetzt werden. Ein solcher Stromrichter ist durch die Literaturstelle "R. W De Doncker, J. P. Lyons" An Auxiliary Quasi-Resonant DC Link Inverter" in: IEEE PESC Con. Proc. 1991, pp. 248 bis 253" bekannt.

Selbstgeführte Stromrichter werden heute mit abschaltbaren Leistungshalb leiterschaltern, wie zum Beispiel Transistoren, GTOs oder IGBTs aufgebaut. Dabei treten bei jedem Schaltvorgang gleichzeitig Strom und Spannung am Schaltelement auf, die eine hohe Schaltverlustleistung verursachen (sogenanntes hartes Schalten).

Da die Schaltverlustleistung proportional mit der Schaltfrequenz ansteigt, ist eine Steigerung der Schaltfrequenz zur Verbesserung des Ausgangsverhal tens des Stromrichters beim harten Schalten nur durch Verbesserung der Schalteigenschaften der verwendeten Leistungshalbleiterschalter möglich.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus den im Schaltaugenblick auftretenden hohen Strom- und Spannungssteilheiten, die zu einer erhöhten elektromag netischen Störabstrahlung und zu Isolationsproblemen in den mit dem Strom richter verbundenen Maschinen führen können.

Eine Möglichkeit, die zuvor aufgeführten Nachteile zu vermeiden, ist die Verwendung einer resonanten Stromrichterschaltung. Hierbei werden die Leistungshalbleiterschalter stets im Strom- bzw. Spannungsnulldurchgang einer schwingenden, speisenden Spannung umgeschaltet (sogenanntes weiches Schalten).

Dadurch läßt sich eine erhebliche Reduzierung der Schaltverluste und somit eine Erhöhung der Schaltfrequenz erreichen.

Nachteile der resonanten Stromrichterschaltung sind die hohe Spannungs- und Strombelastung der Leistungshalbleiterschalter. Eine Möglichkeit, das weiche Schalten zu erreichen, ohne die Leistungshalbleiterschalter mit sehr hoher Spannung zu belasten, ist die Verwendung einer resonanten Stromrichter schaltung mit aktiver Spannungsbegrenzung (Active Clamped Resonant DC Link Inverter). Ein solcher Stromrichter ist durch die Literaturstelle "D. Devan, C. Sibinski" Zero Switching Loss Inverters For High Power Application "in: IEEE-IAS Con. Rec. 1987, pp. 627 bis 634" bekannt. Der bekannte sogenannte Active Clamped Resonant DC Link Inverter begrenzt die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiterschalter durch Zuschalten eines Clamp-Kondensators über Clamp-Leistungshalbleiterschalter auf einen frei wählbaren Wert von etwa 110% bis 200% einer aus einer konstanten Gleichspannungsquelle bereit gestellten Zwischenkreisspannung.

Der eingangs angegebene Stromrichter (ein sogenannter Auxiliary Quasi- Resonant DC Link Inverter) begrenzt die Spannungsbelastung sogar auf den Wert der Zwischenkreisspannung.

Der Active Clamped Resonant DC Link Inverter weist allerdings folgende Nachteile auf:

- Der Clamp-Leistungshalbleiterschalter schaltet mit der Schwingkreisfrequenz, die vier- bis fünfmal höher ist als die Ausgangsschaltfrequenz. Das verur sacht eine hohe Schaltverlustleistung.
- Die Schwingkreisdrossel wird, zusätzlich zum Laststrom im Zwischenkreis, mit einem höheren Schwingkreisstrom belastet.
- Die Schwingung im Zwischenkreis muß dauernd aufrechterhalten werden. Dies ist schwierig unter allen Betriebsbedingungen, zum Beispiel bei Über last oder Kurzschluß und bedeutet eine dauernd anfallende Verlustleistung am Clamp-Leistungshalbleiterschalter.
- Das übliche pulsbreitenmodulierte Steuerverfahren kann nicht eingesetzt werden, da ein Umschalten der Leistungshalbleiterschalter im Stromrichter nicht zu jedem Zeitpunkt möglich ist (der Nulldurchgang der Spannung im Zwischenkreis muß nämlich jeweils abgewartet werden).
- Die Stromrichterschaltung braucht zum Starten eine zusätzliche Start hilfe, da der Clamp-Kondensator vor dem normalen Betrieb des Strom richters zunächst auf die Clamp-Spannung aufgeladen werden muß. Er kann nicht über die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters aufgeladen werden.

Der eingangs angegebene Auxiliary Quasi-Resonant DC Link Inverter vermeidet die oben aufgeführten Nachteile des Active Clamp Resonant DC Link Inverter. Demgegenüber stehen jedoch folgende Nachteile:

- Hohe Durchlaßverluste im Clamp-Leistungshalbleiterschalter, da dieser den gesamten Ausgangsstrom führen muß.
- Hoher zusätzlicher Aufwand an Leistungshalbleiterschaltern, um zu geeignetem Zeitpunkt den Schwingkreis zu aktivieren.
- Volle Ausnutzung der Gleichspannung im Zwischenkreis ist aufgrund der Schaltungsgeometrie nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der den zusätzlichen Aufwand an Leistungs halbleiterschaltern für die gezielte Auslösung des Schwingkreisvorgangs zwischen Schwingkreisdrossel und Schwingkreiskondensator verringert, die hohen Durch laßverluste im Clamp-Leistungshalbleiterschalter vermeidet und eine volle Aus nutzung der konstanten Gleichspannung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 ge kennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des selbstgeführten Stromrichters nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen im folgenden anhand der Zeichnung erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Stromrichters nach der Erfindung mit quasi-resonantem Gleichspannungskreis,

Fig. 2 Spannungs- und Stromverläufe an ausgewählten Bauelementen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 3 den Verlauf der Ströme durch den Clamp-Leistungshalbleiterschalter und den Schwingkreisschalter in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in ihrer speziellen zeitlichen Zuordnung,

Fig. 4 eine weitere Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Ströme durch den Clamp-Leistungshalb leiterschalter und den Schwingkreisschalter in der Schaltungsan ordnung nach Fig. 4 in ihrer speziellen zeitlichen Zuordnung.

In Fig. 1 ist ein Stromrichter mit quasi-resonantem Gleichspannungszwischen kreis dargestellt. Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 (hier als ICBTs ange deutet) sowie antiparallelgeschaltete Rückarbeitsdioden D1 bis D6 bilden in üblicher Weise die drei Stränge des Stromrichters zwischen den Zuleitungen der Zwischenkreisspannung Ud, die über eine Konstant-Spannungsquelle (zum Beispiel einen ungesteuerten Netzstromrichter mit nachgeschaltetem Konden sator) bereitgestellt wird. Die wechselspannungsseitigen (lastseitigen) Ausgänge des Stromrichters sind mit U, V, W bezeichnet.

Im Zwischenkreis, das heißt zwischen der Konstant-Spannungsquelle und dem Stromrichter, ist ein Schwingkreis, bestehend aus einer Schwingkreisdrossel Lr und einem Schwingkreiskondensator Cr, in Reihe mit einem Schwingkreisschalter Ts und einer ihm parallelgeschalteten Schwingkreisdiode Ds, angeordnet. Eine Clamp-Beschaltung besteht aus einem Clamp-Kondensator Cc und einem Clamp- Leistungshalbleiterschalter Tc mit einer ihm antiparallelgeschalteten Diode Dc. Der Schwingkreisschalter Ts ist hier als IGBT dargestellt. Vorteilhafterweise kann er jedoch auch als Thyristor ausgebildet sein.

Der Clamp-Kondensator Cc muß größer dimensioniert werden als der Schwing kreiskondensator Cr. Günstig ist eine Relation, bei der der Clamp-Kondensator Cc 10 . . . 20 mal größer ist als der Schwingkreiskondensator Cr. Der Clamp- Kondensator Cc muß auf eine Clamp-Spannung Uc von etwa 10% bis 40% der Zwischenkreisspannung Ud aufgeladen werden.

Wenn im Stromrichter ein Strang oder mehrere umgeschaltet werden sollen, werden zunächst der Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc und der Schwing kreisschalter Ts eingeschaltet. Da der Schwingkreiskondensator Cr auf den Wert Ud + Uc aufgeladen ist, fließt in ihm zunächst kein Strom. Durch die Schwingkreisdrossel Lr fließt ein linear ansteigender Strom vom Clamp-Kon densator Cc über den Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc.

Wenn der Strom durch die Schwingkreisdrossel Lr einen Wert erreicht hat, der eine ausreichende Energiespeicherung für das Schwingen des Schwingkreises gewährleistet, wird der Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc abgeschaltet. Der Strom in der Schwingkreisdrossel Lr fließt nun über den Leistungshalb leiterschalter Ts und entlädt den Schwingkreiskondensator Cr. Der Schwingkreis schalter Ts wird einige Mikrosekunden später als der Clamp-Leistungshalb leiterschalter Tc nun ebenfalls abgeschaltet. Falls er als Thyristor ausgebildet ist, bedarf es nicht einmal eines Abschaltbefehls, da der Strom durch ihn automatisch zu Null wird.

Die Energie in der Schwingkreisdrossel Lr wird über die Rückarbeitsdioden D1 bis D6 in den Zwischenkreis zurückgespeist. Während die Rückarbeits dioden D1 bis D6 Strom führen, werden die gewünschten Umschaltbefehle an die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters gegeben. Sie schalten nun, da die Zwischenkreisspannung zu Null abgeschwungen ist, unter Nullspannung um. Damit ist die optimale Voraussetzung des Schaltens ohne nen nenswerte Schaltverluste im Stromrichter geschaffen.

Die Durchlaßverluste im Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc und im Schwing kreisschalter Ts sind ebenfalls minimal, da diese nur in der kurzen Zeit an fallen, die für den Schwingvorgang im Zwischenkreis benötigt wird.

Die Schaltverluste im Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc sowie im Schwing kreisschalter Ts sind ebenfalls minimal. Der Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc schaltet nur die Clampspannung Uc unter Null-Strom ein (der Einschalt strom steigt von Null linear an). Beim Abschalten steigt seine Spannung be grenzt durch den Schwingkreiskondensator Cr linear an.

Der Schwingkreisschalter Ts wird nur mit der Clampspannung Uc beansprucht. Er verursacht dadurch minimale Schaltverluste. Spannungsmäßig wird der Schwingkreisschalter Ts entsprechend der Clampspannung Uc kleiner dimensioniert (10% bis 40%) als die anderen Leistungshalbleiterschalter im Stromrichter.

Der Schwingkreiskondensator Cr wird dann wieder über die Schwingkreis drossel Lr, die Schwingkreisdiode Ds und den Zwischenkreis (Spannungsquelle Ud) aufgeladen. Seine Spannung wird durch die Clamp-Diode Dc und den Clamp-Kondensator Cc auf den Wert Ud + Uc begrenzt.

Die Ladung am Clamp-Kondensator Cc kann auf einfache Weise über den Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc und die Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 des Stromrichters bestimmt werden. Bei Überladung wird der Clamp- Leistungshalbleiterschalter Tc einige Mikrosekunden länger eingeschaltet, als es für den Umschwingvorgang nötig wäre. Damit wird über die Schwingkreis drossel Lr dem Clamp-Kondensator Cc mehr Ladung entnommen. Bei Unter ladung des Clamp-Kondensators werden entsprechend die Leistungshalbleiter schalter T1 bis T6 des Stromrichters kurzzeitig in dem Nullspannungsintervall eingeschaltet. Dadurch wird über die Schwingkreisdrossel Lr dem Clamp-Kon densator Cc mehr Ladung zugeführt.

In Fig. 2 sind die zuvor angedeuteten Spannungs- und Stromverläufe aufgezeigt:

Im einzelnen sind die Verläufe von Strom i_T1 und Spannung u_T1 am Leistungs halbleiterschalter T1 über der Zeit t dargestellt.

In zeitlicher Zuordnung dazu sind der Verlauf der Spannung u_T4 am Leistungs halbleiterschalter T4, der wechselweise mit dem Leistungshalbleiterschalter T1 den Strang U des Stromrichters schaltet, sowie der Verlauf des Stromes i_D4 durch die dem Leistungshalbleiterschalter T4 antiparallelgeschaltete Rück arbeitsdiode D4 gezeigt.

Außerdem sind zu diesen Strom- und Spannungsverläufen in ihrer zeitlichen Relation die Spannung u_Tc und der Strom i_Tc des Clamp-Leistungshalbleiter schalters Tc über der Zeit t dargestellt.

Entsprechendes gilt für die Spannung u_Ts und i_Ts des Schwingkreisschalters Ts.

Schließlich sind noch die zeitlichen Verläufe der Spannung u_Ccr am Schwing kreiskondensator Cr sowie der Strom i_Cr durch diesen gezeigt.

Es ist zu erkennen, daß das weiche Schalten der Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T4 stets dann erfolgt, wenn die Zwischenkreisspannung, d. h. die Span nung u_Cr am Schwingkreiskondensator Cr durch Null schwingt.

Weiter oben ist zu Fig. 1 darauf hingewiesen, daß der Schwingkreisschalter Ts als Thyristor ausgebildet sein kann. Da die Stromkommutierung von dem Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc zum Schwingkreisschalter Ts sehr schnell abläuft und Thyristoren eine gewisse Zeitdauer benötigen, um voll durchzuschal ten (Zündverzugszeit), können sich Schwierigkeiten, insbesondere bei höheren Betriebsfrequenzen ergeben.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Stromes i_Tc durch den Clamp-Leistungshalbleiter schalter Tc und der Verlauf des Stromes i_Ts durch den Schwingkreisschalter Ts für die Kommutierungszeit dargestellt. Danach muß der Strom i_Ts sehr schnell ansteigen, wenn der Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc in den sperrenden Zustand gesteuert wird, d. h. der Strom i_Tc schnell zu Null wird.

Für einen derart schnellen Stromanstieg ist ein langsam schaltender Schwing kreisschalter Ts - wie z. B. ein Thyristor - jedoch nicht geeignet, weil dieser (wie oben erwähnt) zum Stromaufbau eine gewisse Zeit benötigt.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der die schnelle Stromkommutierung vom Clamp-Leistungshalbleiterschalter Tc zum Schwingkreisschalter Ts vermieden wird, mit der also ein Einsatz eines Thyristors als Schwingkreisschalter Ts ohne Probleme möglich ist.

Dazu ist die Reihenschaltung aus dem Clamp-Kondensator Cc und dem Clamp- Leistungshalbleiterschalter Tc mit der ihm antiparallelgeschalteten Clamp-Diode nicht - wie in Fig. 1 gezeigt - der Schwingkreisdrossel Lr sondern - ent sprechend Fig. 4 - dem Schwingkreiskondensator Cr parallelgeschaltet. Der Clamp-Kondensator Cc ist dabei mit seinem einen Anschluß direkt an den negativen Pol der Zwischenkreisspannung Ud gelegt, so daß zusätzliche para sitäre Induktivitäten beim Anschluß an die (üblicherweise als eine Kondensator batterie eines Zwischenkreis-Umrichters ausgebildete) Konstant-Spannungsquelle vermieden werden. Der Schwingkreisschalter Ts und die ihm antiparallelge schaltete Schwingkreisdiode Ds sind jeweils mit ihrem einen Leistungsanschluß unmittelbar an die Schwingkreisdrossel Lr und mit ihrem anderen Anschluß an den am Schwingkreiskondensator Cr unmittelbar angeschlossenen Leistungs anschluß des Clamp-Leistungshalbleiterschalters Tc geschaltet.

Mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung ergeben sich die in Fig. 5 über der Zeit t gezeigten Verläufe der Ströme i_Tc und i_Ts. Der Strom i_Ts kann zusammen mit dem Strom i_Tc durch den Clamp-Leistungshalbleiter schalter Tc langsam aufgebaut werden und fließt bereits in voller Höhe beim Abschalten des Clamp-Leistungshalbleiterschalters Tc, läßt also den Einsatz eines Thyristors als Schwingkreisschalter Ts zu.

Selbstverständlich ist die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsvariante auch für einen schnell schaltenden Schwingkreisschalter geeignet.

Claims

1. Selbstgeführter Stromrichter mit quasi-resonantem Gleichspannungs- Zwischenkreis, der in der Zuleitung von einer konstanten Gleichspannungs quelle zu den mit einer antiparallelen Rückarbeitsdiode jeweils überbrück ten, über ihren Steueranschluß abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern des Wechselrichters eine Schwingkreisdrossel aufweist, die zusammen mit einem zwischen den gleichspannungsseitigen Anschlüssen der Leistungshalb leiterschalter geschalteten Schwingkreiskondensator einen Schwingkreis zum Schalten der Leistungshalbleiterschalter bei einer zu Null schlingenden Zwi schenkreisspannung bildet und bei dem die Schwingkreisdrossel durch die Reihenschaltung eines die Spannung im Schwingkreis begrenzenden Clamp- Kondensators mit einem Clamp-Leistungshalbleiterschalter und einer diesem antiparallelgeschalteten Clamp-Diode überbrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreiskondensator (Cr) mit einem Schwingkreisschalter (Ts) in Serie geschaltet ist, der durch eine in Richtung der konstanten Gleich spannung (Ud) gepolte Schwingkreisdiode (Ds) überbrückt ist (Fig. 1).

2. Selbstgeführter Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Clamp-Kondensator (Cc) die 10 bis 20-fache Kapazität des Schwingkreiskondensators (Cr) aufweist.

3. Selbstgeführter Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Clamp-Kondensator (Cc) vor Beginn des Schaltens der Leistungs halbleiterschalter (T1 bis T6) auf eine (Clamp-) Spannung (Uc) von 10% bis 40% der Spannung (Ud) der konstanten Gleichspannunquelle auf geladen ist.

4. Selbstgeführter Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreisschalter (Ts) durch einen Thyristor gebildet ist.

5. Selbstgeführter Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung des die Spannung im Schwingkreis begrenzenden Clamp-Kondensators (Cc) mit dem Clamp-Leistungshalbleiterschalter (Tc) und der diesem antiparallelgeschalteten Clamp-Diode (Dc), statt die Schwingkreisdrossel (Lr) zu überbrücken, dem Schwingkreiskondensator (Cr) parallelgeschaltet ist und der als Transistor ausgebildete Schwingkreis schalter (Ts) mit seinem einen Leistungsanschluß unmittelbar an die Schwingkreisdrossel (Lr) und mit seinem anderen Leistungsanschluß un mittelbar an den Clamp-Leistungshalbleiterschalter (Tc) angeschlossen ist (Fig. 3).