DE69423425T2

DE69423425T2 - Stromversorgungsvorrichtung für die Steuerschaltung eines Leistungsschalters

Info

Publication number: DE69423425T2
Application number: DE69423425T
Authority: DE
Inventors: Michel Piton
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: EP0654885A1; US5675244A; GR3033585T3; DK0654885T3; DE69423425D1; PT654885E; ATE190776T1; ES2142918T3; CA2136276C; BR9404690A; FR2713029A1; CA2136276A1; KR100365245B1; KR950015900A; FR2713029B1; EP0654885B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in allgemeiner Weise die Steuerung der Komponenten von Leistungsschaltern, wie sie insbesondere in Energiewandlern Verwendung finden, und im spezielleren auf die Versorgung der Steuerschaltung, auch als Zündvorrichtung bezeichnet, dieser Komponenten.
Bekannt sind zwei Arten von Vorrichtungen zur Versorgung von Steuerschaltungen von Leistungsschaltern, diejenigen, die eine externe Energiequelle verwenden, und diejenigen, die die Spannung verwenden, wie sie an den Klemmen der Leistungsschalterkomponente im blockierten Zustand anfällt, auch als Blockierspannung bezeichnet, zur Ladung während der Blockierzeiträume der Komponente eines Kondensators als Stromreserve.
Die ersteren haben den Nachteil, abgesehen von der Tatsache, daß eine derartige externe Energiequelle notwendig ist, daß sie eine galvanische Isolierung benötigen und daher zu teuren und recht komplexen Lösungen führen, um so mehr, da die notwendige Isolierspannung hoch ist, und nicht immer eine ausreichende dynamische Isolierung (oder Immunität gegen dv/dt) garantiert.
Die zweiteren haben insbesondere den Nachteil, daß sie nicht an den Fall der Verwendung während relativ kurzer Blockierzeiten angepaßt sind. Die Ladung des Energiereservekondensators kann dabei wie folgt erfolgen:
- entweder über ein "Diodenpumpen"-System (oder "Bootstrap"), wobei ein derartiges System andererseits aber den Nachteil hat, daß es nicht in allen Anwendungsfällen funktioniert (beispielsweise im Falle eines Wechselrichters mit drei Ebenen),
- sei es mit Hilfe einer Stromquelle, die gesteuert ist oder nicht (Transistorballast...): siehe das Dokument "New driver concept for MOS-gated devices", N. KUMAGAI, Fuji electric Corporated Japan, PCIM Europe, März- April 1993; diese letztere Lösung hat andererseits den Nachteil, daß sie aktive Komponenten zum Einsatz bringt, die am Rande ihres Sicherheitsbereiches verwendet werden, wenn sich die Blockierspannung der Steuerkomponente erhöht.
Das Dokument FR 2 191 343 beschreibt eine statische Vorrichtung zur Versorgung eines Verwendungsschaltkreises mit einer Niederspannung, eine Vorrichtung, die einen Energiereservekondensator umfaßt.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere das Ziel, die vorgenannten Nachteile zu umgehen.
Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung für die Stromversorgung der Steuerschaltung einer Leistungsschalterkomponente zum Ziel, ausgehend von der Spannung der Klemmen dieser Komponente im blockierten Zustand, wobei die Vorrichtung einen Reserveenergiekondensator umfaßt, und darüber hinaus Einrichtungen zur Ladung des Reserveenergiekondensators während der leitenden Phase der Komponente, wobei die Versorgungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zur Ladung der Komponente während der leitenden Phase der Komponente umfassen:
- einen Schwingkreis, der mit den Klemmen der Komponente verbunden ist,
- ein Verzweigungselement, das die Verbindung des Reserveenergiekondensators mit den Klemmen der Induktivität des Schwingkreises ermöglicht, sobald, wenn die Komponente leitend ist, die in dem Kondensator des Schwingkreises gespeicherte Energie, während der blockierten Phase der Komponente, auf die Induktivität übertragen wurde.
Andere Gegenstände und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 ist ein Schema, das dazu dient, ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zu illustrieren.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das dazu dient, die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zu illustrieren.
Die Vorrichtung zur Versorgung, bezeichnet mit 1, illustriert in der Fig. 1, ist bestimmt zur Versorgung einer Steuerschaltung, bezeichnet mit 2, einer Leistungsschalterkomponente, bezeichnet mit 3, die im vorliegenden Fall durch eine Komponente, d. h. ein isoliertes Gitter gebildet wird, und eine Komponente, bezeichnet als IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor"), wobei die Steuerschaltung in diesem Fall zwei mögliche Verbraucherzustände aufweist, einen mit großem Verbrauch, in den Momenten der Steuerung, um die Komponenten leitend zu machen, und einen anderen geringen Verbrauchs, zwischen diesen Momenten.
Die Versorgungseinrichtung 1, die in der Fig. 1 dargestellt ist, versorgt die Steuerschaltung 2, ausgehend von der Spannung der Klemmen der Komponente 3 im blockierten Zustand. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel umfaßt die Vorrichtung:
- einen Energiereservekondensator, bezeichnet mit C2,
- Spannungsregulierungseinrichtungen, die die Versorgungsspannung der Steuerschaltung 2, ausgehend von der Spannung an den Klemmen des Kondensators zur Energiespeicherung C2 zur Verfügung stellen,
- Einrichtungen zur Ladung des Energiereservekondensators C2 während der leitenden Phasen der Komponente und
- zusätzliche Einrichtungen zur Versorgung der Steuerschaltung beim Anfahren.
Diese Einrichtungen zum Laden des Energiereservekondensators während der leitenden Phasen der Komponente umfassen in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel:
- einen oszillierenden Schaltkreis, der mit den Klemmen der Komponente 3 verbunden ist und eine Induktanz L sowie einen Kondensator C1 umfaßt,
- ein Verzweigungselement, das im dargestellten Fall aus einer Diode D1 besteht und es ermöglicht, den Energiereservekondensator C2 mit den Klemmen der Induktanz L des Oszillationsschaltkreises zu verbinden, sobald beim Leitendwerden der Komponente 3 die in dem Kondensator C1 gespeicherte Energie des Oszillationsschaltkreises (während der Blockierphasen der Komponente 3) auf die Induktanz L des Oszillationsschaltkreises übertragen wurde.
Die zusätzlichen Einrichtungen zur Versorgung der Steuerschaltung 2 zum Anfahren umfassen, im in Fig. 1 dargestellten Beispiel, einen Ladungsschaltkreis des Energiereservekondensators C2 während des Blockierzustandes der Komponente 3, wobei der Ladeschaltkreis selbst aus einem Schaltkreis gebildet wird, der mit den Klemmen der Komponente 3 verbunden ist, und neben dem Kondensator C2 einen Widerstand R2 und eine Diode D2 umfaßt.
Die Einrichtungen zur Regelung der Spannung umfassen, in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, eine Zenerdiode DZ1 und eine Widerstand R3.
Die Steuerschaltung 2, die im vorliegenden Fall zwei mögliche Verbraucherzustände hat, wird mit Hilfe zweier Schaltungen versorgt:
- einem ersten Schaltkreis, der aus dem Widerstand R2 und der Diode D2 gebildet wird, die mit Spannungsregelungseinrichtungen R3, DZ1 verbunden sind; dieser Schaltkreis wird während der Blockadezustände der Komponente 3 von einem Strom mit geringem Verbrauch durchlaufen, und ermöglicht die Aufrechterhaltung des Systemes im Stand-by (Wartezustand auf den Befehl zum Leitendwerden).
- einem zweiten Schaltkreis, der aus einem Kondensator C2 gebildet ist, welcher mit Einrichtungen zur Regelung R3-DZ1 verbunden ist; dieser Schaltkreis liefert:
· den Strom großen Verbrauchs im Moment des Leitendwerdens der Komponente 3,
· den Strom geringen Verbrauchs während der leitenden Phasen der Komponente 3.
Die Tatsache, daß die Versorgungsvorrichtung darüber hinaus Einrichtungen zum Laden des Energiereservekondensators C2 während der leitenden Phasen der Komponente 3 hat, ermöglicht es, für den Widerstand R2 einen großen Widerstandswert zu wählen und daher die Verluste aufgrund einer eventuellen falschen Anpassung zwischen dem Wert des Stromes mit geringem Verbrauch und dem Wert des in diesem Widerstand zirkulierenden Stromes zu minimieren.
Die Tatsache, daß die Versorgungsvorrichtung darüber hinaus Einrichtungen zum Laden des Energiereservekondensators C2 während der leitenden Phasen der Komponente 3 umfaßt, ermöglicht darüber hinaus eine Autoanpassung des Systems, das bei jeder Kommutation die Energie überträgt, die es benötigt, und eine Funktion ermöglicht, bei der die Blockierzustände der Komponente relativ kurz sind (abgesehen natürlich von denjenigen Blockierzuständen, die dem Anfahren vorhergehen, die länger sind und die daher eine Ladung des Kondensators C2 ermöglichen, mit Hilfe seiner Ladungsschaltkreises während der Blockierzustände, ausreichend zur Sicherstellung der Umstellung der Komponente in den leitenden Zustand).
Die Funktion der Einrichtungen zum Laden des Energiereservekondensators C2 während der leitenden Zustände der Komponente werden nun mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
Während die Komponente 3 sich schließt, entlädt sich der Kondensator C1 (der sich über den oszillierenden Schaltkreis während der Perioden, in denen die Komponente blockiert ist, lädt) über die Induktanz L gemäß einer oszillierenden Steuerung. Der Strom I in der Induktanz L ist dabei ein Teil einer Sinuswelle einer halben Periode T/2 = π · L · C1. Die Spannung VC1 an den Klemmen des Kondensators C1, bezeichnet mit VC1, hat die Tendenz, sich umzukehren. Aber bei t = t1, erreicht VC1 - VC2 (wobei VC2 die Spannung an den Klemmen des Kondensators C2 bezeichnet und VA die Versorgungsspannung, die an den Klemmen der Zenerdiode DZ1 erzielt wird, mit VC2 ähnlich VA) und die Diode D1 leitend wird. Die Induktanz L demagnetisiert sich über die Schleife L-D1-C2. Diese Demagnetisierung erfolgt unter einer in erster Näherung konstanten Spannung, und der Strom in der Induktanz L nimmt linear bis auf Null ab.
Bei t = t1 + t2 ist der Strom in der Induktanz L Null, und die gesamte ursprünglich in dem Kondensator C1 gespeicherte Energie (mit ¹/&sub2; · C1 · E², wobei E die Spannung bezeichnet, die an den Klemmen der Komponente im blockierten Zustand auftritt) wurde auf den Kondensator C2 übertragen. Die durch die Versorgungsvorrichtung zur Verfügung gestellte entsprechende Leistung ist daher:
P = 1/2 · C1 · E2 · f
(wobei f die Kommuationsfrequenz der Komponente bezeichnet).
Jede Kommutation der Komponente löst so eine neue Ladung des Energiereservekondensators C2 aus, wobei dieser bei jedem Leitendwerden die notwendige Energie zur Steuerung zur Verfügung stellt.
In einer Vielzahl von Anwendungen variiert die Blockierspannung E der Komponente innerhalb einer großen Bandbreite (beispielsweise im Falle der elektrischen Traktion). Die Kapazität des Kondensators C1 muß daher so berechnet sein, daß er die notwendige Energie zur Verfügung stellen kann, um die Komponente leitend werden zu lassen, im Falle, in dem die Spannung E minimal ist (entsprechend Emin).
Die Leistung, die durch die Steuerschaltung zur Verfügung gestellt werden muß, entspricht:
Pg = VA² · Ce · f
Wobei Ce die Eingangskapazität der Komponente bezeichnet, so daß der Kondensator C1 der folgenden Gleichung entsprechen muß:
C1 = 2 · Ce(VA/Emin)².
Im Gegensatz dazu muß der Energieüberschuß für eine Spannung E größer als Emin, der im Quadrat der Spannung wächst, in der Versorgungsschaltung dissipiert werden, was insbesondere für den Regulator DZ1 nachteilhaft ist.
Man kann die Verluste in dem Regulator DZ1 durch Verwendung der Sättigung der Induktanz L begrenzen und darüber hinaus durch das Vorsehen in dem oszillierenden Schaltkreis eines Widerstandes R1, dessen Wert gleich oder ähnlich dem kritischen Widerstand R1 = 2 · Lsat/C1 des oszillierenden Schaltkreises gewählt ist, gebildet aus den Elementen von Lsat (Wert des gesättigten Zustandes von L) und C1, um eine Dämpfüngsregelung der Schaltung vorzusehen, wenn die Induktanz L gesättigt ist.
Daher wird für E = Emin die Induktanz L so dimensioniert, daß die Übertragung der Energie des Kondensators C1 auf die Induktanz L vor der Sättigung des Letzteren erfolgt; der Widerstand R1 ist dabei sehr weit entfernt von dem Wert des kritischen Widerstandes der Schaltung, und die Steuerung ist oszillierend. Dahingegen fällt der Wert der Induktanz L für E > Emin, und die Steuerung der Schaltung wird gedämpft, wobei der Energieüberschuß in dem Widerstand R1 dissipiert wird.

Claims

1. Vorrichtung für die Stromversorgung der Steuerschaltung (2) einer Leistungsschalterkomponente (3), ausgehend von der Spannung der Klemmen dieser Komponente im blockierten Zustand, wobei die Vorrichtung einen Reserveenergiekondensator (C2) umfaßt und darüber hinaus Einrichtungen (L, C1, D1) zur Ladung des Reserveenergiekondensators während der leitenden Phasen der Komponente, wobei die Versorgungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zur Ladung der Komponente während der leitenden Phasen der Komponente umfassen:

- einen Schwingkreis (L, C1) der mit den Klemmen der Komponente verbunden ist,

- ein Verzweigungselement (D1), das die Verbindung des Reserveenergiekondensators (C2) mit den Klemmen der Induktivität (L) des Schwingkreises ermöglicht, sobald, wenn die Komponente leitend ist, die in dem Kondensator (C1) des Schwingkreises gespeicherte Energie, während der blockierten Phasen der Komponente, auf die Induktivität (L) übertragen wurde.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus Zusatzeinrichtungen (R2, D2, C2) umfaßt, zur Versorgung der Steuerschaltung beim Hochfahren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtungen zur Versorgung der Steuerschaltung beim Hochfahren Einrichtungen zum Laden des Reserveenergiekondensators (C2) während der blockierten Phasen der Komponente umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis zwei mögliche Verbraucherzustände aufweist, einen mit starkem Verbrauch, in den Momenten, in denen die Komponente leitend wird, und einen mit schwachem Verbrauch, nach diesen Momenten; die Vorrichtung umfaßt darüber hinaus einen ersten Versorgungsschaltkreis (R2, D2, R3, DZ1), der mit den Klemmen der Komponente verbunden ist und einen Strom geringen Verbrauches während der blockierten Phasen der Komponente abgibt, und einen zweiten Versorgungsschaltkreis (C2, R3, DZ1), der mit den Klemmen des Reserveenergiekondensators verbunden ist und einen Strom großen Verbrauches in den Momenten abgibt, in denen die Komponente leitend wird, oder geringen Verbrauches während der leitenden Phasen der Komponente.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Versorgungsschaltkreis die Einrichtungen zum Laden des Reserveenergiekondensators während der blockierten Phasen der Komponente einschließt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus Einrichtungen (R3, DZ1) zur Spannungsregelung umfaßt, die die Versorgungsspannung der Steuerschaltung zur Verfügung stellen, ausgehend von der Spannung der Klemmen des Reserveenergiekondensators.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, da der Wert der Spannung, der an den Klemmen der Komponente im blockierten Zustand anliegt, über einen gewissen Bereich schwanken kann, die Induktivität (L) des Schwingkreises derart dimensioniert ist, daß der Energietransfer des Kondensators (C1) des Schwingkreises auf die Induktivität (L) vor der Sättigung der letzteren erfolgt, für den Minimalwert dieser Spannung, und nach der Sättigung des letzteren für einen höheren als den Minimalwert dieser Spannung, und dadurch, daß der Schwingkreis darüber hinaus einen Widerstand (R1) umfaßt, mit einem Wert gleich oder ähnlich dem kritischen Widerstand des Schwingkreises für einen Wert im gesättigten Zustand der Induktivität (L).