CH680248A5 - - Google Patents

Description

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CH 680 248 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Dreipunkt-Wechselrichterschaltpol, welcher aus vier in Serie geschalteten an einer Zwi-schenkreisspannung liegenden Thyristoren, besteht, wobei zwischen dem zweiten und dritten Thyristor die Last angeschlossen ist und zu jedem Thyristor eine Freilaufdiode antiparailel geschaltet ist und weiters dem zweiten und dritten Thyristor ein Diodenpaar antiparallel geschaltet ist, wobei die Verbindung der beiden Dioden am Zwischenkreis-mittelpunkt liegt.

Ein Dreipunkt-Wechselrichterschaltpol mit steuerbaren Halbleitern, welcher in stromkommutierten Wechselrichtern oder in DC/DC-Wandlern eingesetzt wird, hat drei stabile Schaltzustände bei denen jeweils zwei Halbleiter leitend sind. Beim ersten Schaltzustand wird die positive Zwischenkreisspan-nung über den ersten und zweiten Thyristor bzw. die antiparallelen Freilaufdioden an den Ausgang bzw. die Last gelegt. Beim zweiten Schaltzustand wird der Zwischenkreismittelpunkt über den zweiten und dritten und das Diodenpaar an die Last gelegt. Beim dritten Schaltzustand gelangt die negative Zwi-schenkreisspannung über den dritten und vierten Thyristor bzw. die denen antiparallel geschalteten Freilaufdioden an die Last. Während des Überganges von einem stabilen Schaltzustand in den anderen ist entweder nur der zweite oder der dritte Thyristor leitend.

Thyristoren für grosse Leistungen, vor allem GTO-Thyristoren müssen gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt) sowie zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) geschützt werden. Dazu gibt es eine grosse Anzahl von bekannten Möglichkeiten. Eine diesbezügliche Schaltung zum Schutz der steuerbaren Halbleiter eines stromkommutierten Wechselrichters ist der Fig. 8 in der AT-PS 300 959 zu entnehmen. Diese zeigt zwei an einer Gleichspannung anliegende Thyristoren mit einer zwischengeschalteten Drossel, deren Mittenanzapfung den Ausgang des Wechselrichters darstellt. Den Thyristoren ist je eine Freilaufdiode antiparallei geschaltet.

Weiters liegt jedem Thyristor über je eine zusätzliche Diode ein Kondensator parallel. Die beiden Kondensatoren sind über einen Widerstand miteinander verbunden. Nachteilig bei dieser Schaltung ist die relativ hohe periodische Umschwingleistung, die im Widerstand, auch Dämpfungswiderstand genannt, verheizt wird. Bei hohen Frequenzen nimmt diese Leistung proportional zu, gleichzeitig ist die zu lange Abmagnetisierungszeit der Drossel mit Rücksicht auf die minimale Einschaltzeit bzw. die minimale Lücke störend.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine neuartige Schaltung zu schaffen, die die Thyristoren bei einem Dreipunkt-Wechselrichterschaltpol gegen zu raschen Stromanstieg und zu raschen Spannungsanstieg schützt.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten und dritten und vierten Thyristor je eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel eingeschleift ist und dass jeweils der an die Strom-

anstiegsbegrenzungsdrossel angeschlossene Pol jeder Freilaufdiode an den entgegengesetzten Pol je einer Entlastungsdiode angeschlossen ist und der andere Pol dieser Dioden mit je einem An-schluss eines Entlastungskondensators verbunden ist und dass der über die Entlastungsdiode an den zweiten oder dritten Thyristor angeschlossene Entlastungskondensator mit dem zweiten Anschluss am Zwischenkreismittelpunkt liegt und der über die Entlastungsdiode an den ersten oder vierten Thyristor angeschlossene Entlastungskondensator mit dem zweiten Anschluss am entsprechenden Zwischen-kreispotential liegt und dass über die zugehörigen Entlastungsdioden jeder Stromanstiegsbegren-zungsdrossel ein Widerstand parallel oder die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers potentialmässig antiparallel geschaltet ist und der Ausgang jedes DC/DC-Wandlers an der Zwischenkreisspannung liegt. Mit der Schaltungsanordnung mit dem Widerstand zwischen den beiden Entlastungsdioden wird eine Stromanstiegsbegrenzung (di/dt) und eine Spannungsanstiegsbegrenzung (du/dt) für die Halbleiterschalter, insbesondere GTO-Thyristoren in geforderter Weise erreicht. Ausserdem wird die Stromsteilheit der Abkommutierung der Freilaufdioden begrenzt. Die Schaltung ist ausserdem leerlauffest und zuverlässig. Ihre Struktur und ihre Funktion ist weitgehend symmetrisch. Die Funktion ist leicht überprüfbar. Jedem Halbleiterschalter ist spezifisch eine du/dt Begrenzung in Form einer Entlastungsdiode und eines Entlastungskondensators zugeordnet.

Paarweise erfolgt die Verkopplung über den Widerstand, der niederohmig ist. Die Schaltung mit dem Widerstand ist eine Sparvariante mit hoher Verlustleistung und wird vorzugsweise bei niederen Schaltleistungen und unkritischen Anwendungen eingesetzt.

Wird an Stelle des Widerstandes ein DC/DC-Wandler verwendet, ergeben sich zusätzlich Vorteile, und zwar:

- die minimale Pulsdauer und Pulslücke sind definiert angebbar

- wird die Schaltung in Umrichterschaltungen eingesetzt erlaubt die entkoppelte Entlastung der Halbpole weitgehende Freiheit der Impulsmustervorgabe

- die Schaltung mit dem DC/DC-Wandler ist eine aktive, verlustfreie, jedoch aufwendige Variante

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung liegt je ein ausgangsseitiger Anschluss der DC/DC-Wandler am Zwischenkreismittelpunkt, und der zweite ausgangsseitige Anschluss eines DC/DC-Wand-lers liegt am positiven Zwischenkreispotential und des zweiten am negativen Zwischenkreispotential. Dadurch ist jeder DC/DC-Wandler ausgangsseitig nur mit der halben Zwischenkreisspannung belastet.

Von Vorteil ist ferner, dass jeder DC/DC-Wandler aus einem Transformator mit zwei Primär- und einer Sekundärwicklung besteht, wobei je zwei gleichsinnige Anschlüsse der Primärwicklungen über je eine mit der Entlastungsdiode gleichsinnig gepolte Rückspeisediode an je eine Eingangsklemme des DC/DC-Wandlers geschaltet sind und dass die eine Primärwicklung am positiven Zwischenkreispotential und über eine Rückspeisediode und eine Entla5

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stungsdiode am zweiten Thyristor bzw. am negativen Zwischenkreispotential und über eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode am dritten Thyristor angeschlossen ist und dass die andere Primärwicklung am Zwischenkreismittelpunkt und über je eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode am ersten bzw. vierten Thyristor angeschlossen ist und dass die Sekundärwicklung des Dreiwicklungstransformators an die Wechselspannungsseite eines Vollweggleichrichters angeschlossen ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers darstellen, und dass am Eingang des DC/DC-Wandlers ein Koppelkondensator und ein Widerstand parallel geschaltet sind. Mit dieser Schaltung wird ein passiver, verlustarmer DC/DC-Wandler realisiert, der nur eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt. Die anfallende nicht rückspeisefähige Verlustleistung wird in einem hochohmigen Widerstand verheizt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist jeder Transformator eine zweite Sekundärwicklung auf, an die ebenfalls ein Vollweggleichrichter angeschlossen ist, wobei jeweils ein Gieichspannungsan-schluss dieser Vollweggleichrichter mit dem Zwischenkreismittelpunkt verbunden ist und der andere Gleichspannungsanschluss jedes dieser Vollweggleichrichter am entgegengesetzten Zwischenkreispotential als der entsprechende Anschluss des jeweils parallel angeordneten Gleichrichters angeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, die anfallende Rückspeiseleistung jedes DC/DC-Wandlers jedem Teilzwischenkreis so zuzuordnen, dass die Spannungsaufteilung des Zwischenkreises ideal erhalten bleibt.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Fig. 1 stellt die erfindungsge-mässe Schaltung dar und Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung in Fig. 1.

Bei Fig. 1 liegt an der Zwischenkreisspannung Uzrk eine Serienschaltung bestehend aus dem Thyristor T1, der Drossel Dr1, den beiden Thyristoren T2, T3 der Drossel Dr2 und dem Thyristor T4. Zwischen den Thyristoren T2 und T3 ist die Last L angeschlossen. Jedem Thyristor T1, T2, T3, T4 ist eine Freilaufdiode D1, D2, D3, D4 antiparailel geschaltet. An die beiden Thyristoren T2, T3, die mit der Last L verbunden sind, ist weiters antiparallel ein Diodenpaar D5, D6 gelegt, wobei die Verbindung der beiden Dioden D5, D6 an den Zwischenkreismittelpunkt Mp angeschlossen ist. Die Katode des Thyristors T1 und jene des Thyristors T3 ist je mit der Katode einer Entiastungsdiode D7, D8 verbunden. Ebenso ist die Anode von Thyristor T2 und Thyristor T4 an je eine Anode von zwei weiteren Entlastungsdioden D9, D10 gelegt. Zwischen positiver Zwischenkreisspannung und der Anode der Diode D7 ist ein Kondensator C1 vorgesehen. Ein weiterer Kondensator C2 liegt zwischen Katode der Diode D9 und dem Zwischenkreismittelpunkt Mp. Beide Kondensatoren C1 und C2 sind über den Kodensator C5 gekoppelt. Zwischen Anode der Diode D8 und dem Zwischenkreismittelpunkt Mp ist ebenfalls ein Kondensator C3 geschaltet. Ein weiterer Kondensator C4 liegt zwischen der Katode der Diode D10 und dem negativen Zwischenkreispotential L-. Die beiden Kondensatoren C3, C4 sind über den Kondensator C6 gekoppelt. Den beiden Koppelkondensatoren C5, C6 ist je ein Widerstand R1, R2 parallel geschaltet. Jeder der vier Entlastungsdioden D7, D8, D9, D10 ist eine weitere Diode D11, D12, D13, D14 in Serie geschaltet. Das freie Ende der Diode D11 ist an eine Primärwicklung N1.2 des Transformators Tri und jenes der Diode D12an eine zweite Primärwicklung N1.1 des Transformators Tri angeschlossen. Die Wicklung N1.1, an der die Diode D11 hängt, ist mit dem Zwischenkreismittelpunkt Mp und jene, an der die Diode D12 hängt, mit der positiven Zwischenkreisspannung verbunden. Der zweite Anschluss der Diode D13 und ebenso der Diode D14 ist mit je einer Primärwicklung N1.1, N1.2 eines zweiten Transformators Tr2 verbunden. Die mit der Diode D13 verbundene Wicklung N1.1 ist an die negative Zwischenkreisspannung angeschlossen und jene, die mit der Diode D14 verbunden ist, liegt am Zwischenkreismittelpunkt Mp. Die Sekundärwicklung N2 des Transformators Tri ist an einen Gleichrichter Gr1 angeschlossen, der ausgangssei-tig zwischen der positiven Zwischenkreisspannung und dem Zwischenkreismittelpunkt Mp liegt. Ebenso ist auch die Sekundärseite des Transformators Tr2 mit einem Gleichrichter Gr2 verbunden, dessen Ausgang zwischen der negativen Zwischenkreisspannung und dem Zwischenkreismittelpunkt Mp liegt.

Die Punkte bei den beiden Primärwicklungen N1.1, N1.2 der Transformatoren Tri, Tr2 bedeuten den Wicklungssinn. Die strichliert umrandeten Schaltungsteile stellen den erfindungsgemässen DC/DC-Wandler W1, W2 dar.

An Hand der Zeitdiagramme in den Fig. 2 und 3 erfolgt die Funktionsbeschreibung der Schaltung, insbesondere des Entlastungsteiles.

Allgemeine Bemerkungen:

a) Die angegebenen Schaltungen sind in ihrer Funktion weitgehend symmetrisch, daher die Entsprechung T1 T4, T2 ^ T3 usw. und invertierte Ausgangsspannung bei negativem Laststrom.

b) Folgende Annahmen liegen zu Grunde:

Dn = Dr2: gleiche Induktivität L

C1 = C2 = C3 = C4: gleiche Kapazität C/2 C5 = C6: Cs E1 = E2: E Udì = Ud2: U

Ausgangszustand eines vollen Schaltzyklus-durchlaufs.

1) Annahme I > 0 d.h. Ausgangsstrom I fliesst aus dem Wechselrichterschaltpol

2) T2 und T3 ein (stabile Phase): Der Strom 1 fliesst über D5 und T2, d.h., der Ausgang ist an den Zwischenkreismittelpunkt Mp gebunden

3) Die Punkte 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 in Fig. 1 liegen auf O-Potential; Punkt 3 auf -E; Punkt 9 auf +E. Schwellwertunterschiede werden dabei vernachlässigt.

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a) T2 leitet T3 aus (Übergangsphase); T3 schaltet stromlos ab. Keine Zustandsänderungen in der Schaltung.

b) T2 leitet T1 ein (stabile Phase): Während der Stromübernahme I durch T1 liegt an der oberen 5 Drossel Dr1 die positive Zwischenkreisspannung

+U. Der Stromanstieg di/dt = U/L wird auf den zulässigen Wert begrenzt.

Nach der Stromübernahme erfolgt die Umladung des oberen Entlastungsnetzwerkes Dr1, D7, D9, 10 C1, C2, W1 (Serienresonanzkreis). Es stellt sich in der oberen Drossel Dr1 ein zusätzlicher Um-

schwingstrom lu = U-l^* ein. Der Vorgang en-

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det, wenn der Punkt 3 die positive Zwischenkreisspannung +U erreicht.

Der Umschwingstrom lu fliesst anschliessend gegen die Gegenspannung E des DC/DC-Wandlers W1 bzw. des Rückspeisetrafos Tri und wird Verlust- 20 frei mit di/dt = E/L abgebaut.

Der Ausgang ist nun an die positive Zwischenkreisspannung +U gebunden; der Strom 1 fliesst überT1,T2.

c) T2 leitet T1 aus (Übergangsphase) 25

T1 schaltet spannungslos ab. Der Strom I fliesst vorerst über das obere Entlastungsnetzwerk Dr1, D7, D9, C1, C2, W1. Die Punkte 1, 2, 3, 4, 5 bewegen sich mit konstantem du/dt = -l/C gegen 0. An T1 steigt die Spannung mit dem zulässigen du/dt 30 an.

Der Vorgang endet, wenn Punkt 2 (und später Pkt. 4) die Spannung 0 erreicht haben. Der Strom I geht auf die Diode D5 über. An T1 liegt die Spannung +U. 35

Der in der oberen Begrenzungsdrossel Dr1 eingeprägte Laststrom fliesst gegen die Gegenspannung E (DC/DC-Wandler oder Rückspeisetrafo) und wird mit di/dt = E/L verlustfrei abgebaut.

Der Ausgang ist nun an den Zwischenkreismittel- 40 punkt Mp gebunden, der Strom fliesst über D5 und T2.

d) T2 leitet T3 ein (stabile Phase).

T3 schaltet ein, am Stromfluss durch D5 und T2 ändert sich aber nichts. Keine Änderung auch im 45 Entlastungsnetzwerk.

e) T3 leitet T2 aus (Übergangsphase).

T2 schaltet spannungslos ab. Der Strom I fliesst vorerst über das untere Entlastungsnetzwerk Dr2, D8, D10, C3, C4, W2. Die Punkte 5, 6, 7, 8, 50 und 9 bewegen sich mit konstantem du/dt = -l/C Richtung -U. An T2 steigt die Spannung mit zulässigem du/dt.

Der Vorgang endet, wenn die Punkte 7, 9 die negative Zwischenkreisspannung -U erreichen. Der 55 Strom I fliesst nun vollständig über D3, D4, vorerst aber über die untere Gegenspannung E (DC/DC-Wandler W2 oder Rückspeisetrafo Tr2) und wird mit di/dt = E/L abgebaut. Der Drosselstrom vorerst mit Wert 0 nimmt mit di/dt = E/L zu, bis der Strom voll- 60 ständig über Dr2 fliesst.

Die Ausgangsspannung liegt somit an der negativen Zwischenkreisspannung -U. Der Strom fliesst über D3, D4.

f) T3 leitet T4 ein (stabile Phase) 65

Stromfluss über D3, D4 - keine Zustandsänderungen in der Schaltung.

g) T3 leitet T4 aus (Übergangsphase)

Stromfluss über D3, D4 - keine Zustandsände-

rung in der Schaltung.

h) T3 leitet T2 ein (stabile Phase):

Während der Stromkommutierung von D3, D4 nach T2 über D5 liegt an der unteren Drossel Dr2 die Spannung U. Der Strom durch T2 nimmt mit di/dt = U/L zu, der Diodenstrom über D3, D4 entsprechend ab.

Nach der Stromübernahme durch T2, D5 erfolgt die Umladung des unteren Entlastungsnetzwerkes Dr2, D8, D10, C3, C4, W2 (Resonanzkreis). Es stellt sich auch in der unteren Drossel Dr2 ein Umschwingstrom lu = U* W ein. Der Vorgang endet, wenn der Punkt 8 das Potential des Zwischen-kreismittelpunktes Mp erreicht.

Der Umschwingstrom lu fliesst anschliessend gegen die Gegenspannung E und wird mit di/dt = E/L abgebaut.

Der Ausgang ist nun an den Zwischenkreismittelpunkt Mp gebunden, der Strom I fliesst über D5 und T2.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Schaltungsanordnung für einen Dreipunkt-Wechselrichterschaltpol, welcher aus vier in Serie geschalteten an einer Zwischenkreisspannung liegenden Thyristoren besteht, wobei zwischen dem zweiten und dritten Thyristor die Last angeschlossen ist und zu jedem Thyristor eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist und weiters dem zweiten und dritten Thyristor ein Diodenpaar antiparallel geschaltet ist, wobei die Verbindung der beiden Dioden am Zwischenkreismittelpunkt liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten und dritten und vierten Thyristor (T1, T2, T3, T4) je eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel (Dr1, Dr2) eingeschleift ist und dass jeweils der an die Stromanstiegsbegrenzungsdrossel (Dr1, Dr2) angeschlossene Pol jeder Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4) an den entgegengesetzten Pol je einer Entlastungsdiode (D7, D8, D9, D10) angeschlossen ist und der andere Pol dieser Dioden mit je einem Anschluss eines Entlastungskondensators (C1, C2, C3, C4) verbunden ist und dass der über die Entlastungsdiode (D8, D9) an den zweiten oder dritten Thyristor (T2, T3) angeschlossene Entlastungskondensator (C2, C3) mit dem zweiten Anschluss am Zwischenkreismittelpunkt (MP) liegt und der über die Entlastungsdiode (D7, D10) an den ersten oder vierten Thyristor (T1, T4) angeschlossene Entlastungskondensator (C1, C4) mit dem zweiten Anschluss am entsprechenden Zwischenkreispotential (L+, L-) liegt und dass über die zugehörigen Entlastungsdioden (D7, D8, D9, D10) jeder Stroman-stiegsbegrenzungsdrossel (Dr1, Dr2) ein Widerstand parallel oder die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers (W1, W2) potentialmässig antiparallel geschaltet ist und der Ausgang jedes DC/DC-Wand-

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   lers (W1, W2) an der Zwischenkreisspannung (Uzrk) liegt.

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je ein ausgangsseiti-ger Anschluss der DC/DC-Wandler (W1, W2) am Zwischenkreismittelpunkt (Mp) liegt und der zweite ausgangsseitige Anschluss eines DC/DC-Wand-iers (W1, W2) am positiven Zwischenkreispotential (L+) und des zweiten am negativen Zwischenkreispotential (L-) liegt.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder DC/DC-Wandler (W1, W2) aus einem Transformator (Tri, Tr2) mit zwei Primär (N 1.1, N 1.2) und einer Sekundärwicklung (N2) besteht, wobei je zwei gleichsinnige Anschlüsse der Primärwicklungen (N 1.1, N 1.2) über je eine mit der Entlastungsdiode (D7, D8, D9, D10) gleichsinnig gepolte Rückspeisediode (D11, D12, D13, D14) an je eine Eingangsklemme (3, 4; 8, 9) des DC/DC-Wandlers (W1, W2) geschaltet sind und dass die eine Primärwicklung (N 1.1) am positiven Zwischenkreispotential (L+) und über eine Rückspeisediode (D12) und eine Entlastungsdiode (D9) am zweiten Thyristor (T2) bzw. am negativen Zwischenkreispotential (L-) und über eine Rückspeisediode (D13) und eine Entlastungsdiode (D8) am dritten Thyristor (T3) angeschlossen ist und dass die andere Primärwicklung (N 1.2) am Zwischenkreismittelpunkt (MP) und über je eine Rückspeisediode (D11, D14) und eine Entlastungsdiode (D7, D10) am ersten bzw. vierten Thyristor (T1, T4) angeschlossen ist und dass die Sekundärwicklung (N2) des Dreiwicklungstransformators (Tri, Tr2) an die Wechselspannungsseite eines Vollweggleichrichters (Gr1, Gr2) angeschlossen ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers (W1, W2) darstellen und dass am Eingang des DC/DC-Wandlers (W1, W2) ein Koppelkondensator (C5, C6) und ein Widerstand (R1, R2) parallel geschaltet sind.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Transformator (Tri, Tr2) eine zweite Sekundärwicklung aufweist, an die ebenfalls ein Vollweggleichrichter angeschlossen ist, wobei jeweils ein Gleichspannungsan-schluss dieser Vollweggleichrichter mit dem Zwischenkreismittelpunkt (Mp) verbunden ist und der andere Gleichspannungsanschluss jedes dieser Vollweggleichrichter am entgegengesetzten Zwischenkreispotential (L+, L-) als der entsprechende Anschluss des jeweils parallel angeordneten Gleichrichters (Gr1, Gr2) angeschlossen ist.

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