DE3743437C1 - Low-loss, three-point invertor which is relieved of switching loads - Google Patents
Low-loss, three-point invertor which is relieved of switching loadsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Dreipunktwechselrichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a three-point inverter according to the Preamble of claim 1.
Der Leistungsteil eines "Dreipunktwechselrichters" ist z. B. aus der Veröffentlichung "A new neutral-point-clamped PWM inverter", in "IEEE Transactions On industry Applications", Vol. IA-17, No. 5, September/October 1981, S. 518-521, insbesondere gemäß der in der dortigen Fig. 1 dargestellten Schaltung bekannt.The power section of a "three-point inverter" is, for. B. from the publication "A new neutral-point-clamped PWM inverter", in "IEEE Transactions On industry Applications", Vol. IA-17, No. 5, September / October 1981, pp. 518-521, in particular according to the known in the circuit shown there.
Aus der DE-OS 32 44 623 sind des weiteren insbesondere gemäß den dortigen Fig. 5 bzw. 6 Beschaltungen bekannt für die den Leistungsteil in einer Phase eines Brückenwechselrichters bildenden beiden Antiparallelschaltungen aus je einem Halbleiterschaltelement und der dazugehörigen Freilaufdiode. Diese dienen bevorzugt zur Ausschaltentlastung der Halbleiterschaltelemente, indem während des Abschaltvorganges die Anstiegsgeschwindigkeit der wiederkehrenden positiven Vorwärtsspannung begrenzt und somit das Auftreten unzulässig hoher Verlustenergien im jeweiligen Halbleiterschaltelement vermieden wird. In einer Ausführungsform dieser bekannten Beschaltung wird einer der beiden Antiparallelschaltungen in einer Phase des Brückenwechselrichters eine Reihenschaltung aus einer ersten Abschaltentlastungsdiode und einem Abschaltentlastungskondensator parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt dieser beiden Beschaltungselemente steht über eine zweite Abschaltentlastungsdiode mit dem Verbindungspunkt zwischen den Elementen einer zweiten Reihenschaltung in elektrischem Kontakt. Diese besteht aus einem Gleichstromverbraucher und einem Speicherkondensator, und ist der speisenden Gleichspannungsquelle parallel geschaltet. From the DE-OS 32 44 623 are also in particular according to those there Fig. 5 and 6 circuits known for the power section in a phase of a bridge inverter Anti-parallel circuits each consisting of a semiconductor switching element and the associated freewheeling diode. These are used primarily for Switch-off relief of the semiconductor switching elements by during of the shutdown process the rate of increase of the recurring positive forward voltage limits and thus that Occurrence of impermissibly high loss energies in the respective semiconductor switching element is avoided. In one embodiment of this known circuit is one of the two anti-parallel circuits in a phase of the bridge inverter, a series connection from a first switch-off relief diode and one Shutdown relief capacitor connected in parallel. The connection point of these two wiring elements is above one second shutdown relief diode with the connection point between the elements of a second series connection in electrical Contact. This consists of a direct current consumer and a storage capacitor, and is the feeding DC voltage source connected in parallel.
Zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Laststromes beim Einschalten eines der Halbleiterschaltelemente dient bevorzugt eine zusätzliche Einschaltentlastungsdrossel. Diese ist dem zur Verbindung mit dem jeweiligen Potential der Gleichspannungsquelle vorgesehenen Anschlußpunkt derjenigen Antiparallelschaltung vorgeschaltet, welche mit der oben beschriebenen Beschaltung versehen ist. Abhängig vom konkreten Schaltungsaufbau kann diese Einschaltentlastungsdrossel durch die unvermeidlichen, parasitären Streuinduktivitäten der Zuleitungen gebildet werden. Diese Einschaltentlastungsdrossel dient gleichzeitig als sogenannte "Umschwingdrossel", um bei Einschaltung eines der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters insbesondere den Abschaltentlastungskondensator in einen solchen Ladezustand zu bringen, daß dieser bei einer anschließenden Abschaltung eines der Halbleiterschaltelemente entlastend wirken kann.To limit the rate of rise of the load current at Switching on one of the semiconductor switching elements is preferably used an additional switch-on relief choke. This is for Connection to the respective potential of the DC voltage source provided connection point of that anti-parallel connection upstream, which with the circuit described above is provided. Depending on the specific circuit structure this cut-in relief choke through the inevitable parasitic leakage inductances of the supply lines are formed will. This switch-on relief choke also serves as so-called "Umschwingdrossel" to turn on when a of the semiconductor switching elements of the inverter in particular the shutdown relief capacitor in such a state of charge bring that this with a subsequent shutdown of a the semiconductor switching elements can have a relieving effect.
Bei einem solchen Abschaltvorgang wird der von der Einschaltentlastungsdrossel getriebene Laststrom über die erste Abschaltentlastungsdiode zunächst auf den Abschaltentlastungskondensator umgelenkt. Auf diese Weise wird zum einen der Strom durch das abzuschaltende Halbleiterschaltelement nahezu schlagartig unterbrochen und zum anderen die Anstiegsgeschwindigkeit der wiederkehrenden positiven Sperrspannungen in Vorwärtsrichtung aufgrund der endlichen Umladegeschwindigkeit des Abschaltentlastungskondensators begrenzt. Nachdem sich der Abschaltentlastungskondensator auf den Wert der speisenden Gleichspannung aufgeladen hat, führt der Strom der Einschaltentlastungsdrossel bis zum vollständigen Abklingen desselben zu einer weiteren Aufladung der nun wirksamen Parallelschaltung aus dem Abschaltentlastungskondensator und dem Speicherkondensator. Hierdurch werden die beiden Kondensatoren allerdings nur geringfügig überladen, so daß die Überspannungsbeanspruchung des abzuschaltenden Halbleiterschaltelementes gering bleibt. Diese Eigenschaft der Beschaltung kann weiter dadurch begünstigt werden, daß der Speicherkondensator im Vergleich zum Abschaltentlastungskondensator eine erheblich größere Kapazität aufweist. Der Speicherkondensator hat somit die Aufgabe, die Energie der zur Einschaltentlastung dienenden Einschaltentlastungsdrossel und des zur Abschaltentlastung dienenden Abschaltentlastungskondensators zeitweise zwischenzuspeichern. Damit der Speicherkondensator dies für jeden Schaltzyklus in der gleichen Weise ausführen kann, wird er über den in Reihe geschalteten Gleichstromverbraucher periodisch entladen. Als Gleichstromverbraucher kann ein ohmscher Widerstand verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform ist es jedoch vorteilhaft, die bei der Schaltentlastung der Halbleiterschaltelemente der jeweiligen Wechselrichterphase anfallende Verlustenergie nicht zu vernichten, sondern mittels einer Rückspeiseschaltung in die speisende Gleichspannungsquelle rückzuführen.In the case of such a switch-off process, that of the switch-on relief choke driven load current via the first switch-off relief diode first on the cut-off relief capacitor redirected. In this way, the current through the Semiconductor switching element to be switched off interrupted almost suddenly and secondly the rate of increase of the recurring positive reverse bias voltages due to the finite rate of charge reversal of the turn-off relief capacitor limited. After the shutdown relief capacitor has charged to the value of the DC supply voltage, the current of the switch-on relief choke leads to full Decay to a further charge of the now effective parallel connection from the cut-off relief capacitor and the storage capacitor. This will make the two However, capacitors are only slightly overloaded, so that the overvoltage stress of the semiconductor switching element to be switched off remains low. This property of wiring can be further favored in that the storage capacitor compared to the cut-off relief capacitor a considerable has greater capacity. The storage capacitor has thus the task, the energy of the switch-on relief Switch-on relief choke and the for switch-off relief temporarily serve serving shutdown relief capacitor. So that the storage capacitor does this for everyone Switching cycle in the same way it will run over periodically discharge the DC consumer connected in series. An ohmic resistor can be used as a DC consumer be used. In another embodiment, however, it is advantageous in the switching relief of the semiconductor switching elements the energy lost in the respective inverter phase not to be destroyed, but by means of a feedback circuit to be fed back into the feeding DC voltage source.
Da bei der Abschaltung des einen Halbleiterschaltelements einer Phase die Reihenschaltung aus der ersten Abschaltentlastungsdiode und dem Abschaltentlastungskondensator, bei der Abschaltung des anderen Halbleiterschaltelementes der Phase aber die Reihenschaltung aus dem Abschaltentlastungskondensator, der zweiten Abschaltentlastungsdiode und dem Speicherkondensator den "Entlastungsweg" für den abzukommutierenden Laststrom bildet, hat diese Schaltung eine leichte "Unsymmetrie". Diese äußert sich in einer geringfügig größeren parasitären Streuinduktivität bei dem Entlastungsweg für das andere Halbleiterschaltelement, und damit in einer geringfügig größeren Spannungsbeanspruchung während der Abschaltung dieses Halbleiterschaltelementes.Since one of the semiconductor switching elements is switched off Phase the series connection from the first shutdown relief diode and the shutdown relief capacitor, upon shutdown of the other semiconductor switching element of the phase Series connection from the cut-off relief capacitor, the second shutdown relief diode and the storage capacitor Forms "relief path" for the commutated load current, this circuit has a slight "asymmetry". This expresses result in a slightly larger parasitic leakage inductance in the relief path for the other semiconductor switching element, and thus in a slightly greater stress during the shutdown of this semiconductor switching element.
Anhand der nachfolgend kurz angeführten Figuren werden ein bekannter Stand der Technik und die Erfindung des weiteren näher erläutet. Dabei zeigtBased on the figures briefly listed below, a well-known State of the art and the invention further explained. It shows
Fig. 1 eine Phase eines Dreipunktwechselrichters mit einer Beschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 1 is a phase of a three-level inverter having a circuit according to the present invention,
Fig. 2 die Schaltung gemäß der Fig. 1 mit zusätzlichen Beschaltungen für die "inneren" Halbleiterschaltelemente der Dreipunktwechselrichterphase, Fig. 2, the circuit of Fig. 1 with additional wirings for the "inner" semiconductor switching elements of the three-level inverter phase,
Fig. 3 die Schaltung gemäß der Fig. 2 mit zusätzlichen Energierückspeisevorrichtungen für die erfindungsgemäße Beschaltung und mit einer modifizierten Zusatzbeschaltung für die "inneren" Halbleiterschaltelemente, Fig. 3 shows the circuit according to FIG. 2, with additional energy recovery devices for the inventive circuit, and with a modified additional wiring for the "inner" semiconductor switching elements
Fig. 4 die Schaltung gemäß der Fig. 3 mit einer weiteren Energierückspeisevorrichtung für die Zusatzbeschaltung der "inneren" Halbleiterschaltelemente, und FIG. 4 shows the circuit according to FIG. 3 with a further energy recovery device for the additional wiring of the "inner" semiconductor switching elements, and
Fig. 5 einen dreiphasigen Dreipunktwechselrichter mit der erfindungsgemäßen Beschaltung gemäß Fig. 1. Fig. 5 shows a three-phase three-level inverter with the inventive circuit of FIG. 1.
Anhand der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung wird des weiteren der bekannte Leistungsteil eines Dreipunktwechselrichters am Beispiel einer Phase näher erläutert. Diese enthält eine Reihenanordnung von vier Antiparallelschaltungen aus je einem Halbleiterschaltelement und einer Freilaufdiode. Als Halbleiterschaltelemente können bevorzugt Leistungs-MOS-Feldeffekt-Transistoren, bipolare Leistungstransistoren oder abschaltbare Thyristoren ("GTO-Thyristoren") eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Leistungs-Feldeffekt-Transistoren kann die jeweilige antiparallele Freilaufdiode aufgrund der häufig bereits bauelementeintern vorhandenen "Inversdiode" entfallen. In der in der Fig. 1 dargestellten Phase sind beispielhaft den vier GTO-Thyristoren T 1, T 2, T 3, T 4 jeweils die Freilaufdioden D 1, D 2, D 3, D 4 antiparallel geschaltet. Die hieraus gebildete erste bzw. dritte Antiparallelschaltung aus T 1, D 1 bzw. T 3, D 3, und die zweite bzw. vierte Antiparallelschaltung aus T 2, D 2 bzw. T 4, D 4 stellen dabei je einen Teil der dargestellten Wechselrichterphase dar. Diese Reihenanordnung aus den vier Antiparallelschaltungen wird über vier Anschlußpunkte von einer Gleichspannungsquelle U D gespeist. Zum einen sind die Enden der Reihenanordnung über je eine Einschaltentlastungsdrossel L 1 bzw. L 2 an dem positiven bzw. negativen Potential der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die beiden anderen Anschlußpunkte entsprechen den Verbindungspunkten der ersten mit der zweiten bzw. der dritten mit der vierten Antiparallelschaltung. Diese sind über je eine erste bzw. zweite Entkoppeldiode D 5 bzw. D 6 an den Verbindungspunkt M ("virtueller Mittelpunkt") von zwei Spannungsteilerkondensatoren C 1 und C 2 angeschlossen, welche wiederum von der Gleichspannungsquelle U D gespeist werden. Der Verbindungspunkt zwischen der zweiten und der dritten Antiparallelschaltung dient schließlich als Ausgang A der Wechselrichterphase. Es ist nicht in jedem Fall notwendig, die Einschaltentlastungsdrosseln L 1 und L 2 als konkrete Bauelemente vorzusehen. Abhängig vom konkreten Schaltungsaufbau können vielmehr auch die häufig vorhandenen parasitären Leitungsinduktivitäten zur Stromanstiegsbegrenzung in den Zuführungen der Wechselrichterphase ausreichend sein.Based on the circuit shown in FIG. 1, the known power section of a three-point inverter is further explained using the example of a phase. This contains a series arrangement of four anti-parallel circuits, each consisting of a semiconductor switching element and a free-wheeling diode. Power MOS field-effect transistors, bipolar power transistors or turn-off thyristors (“GTO thyristors”) can preferably be used as semiconductor switching elements. When using power field effect transistors, the respective antiparallel freewheeling diode can be omitted due to the “inverse diode” which is often already present inside the component. In the phase shown in FIG. 1, the four GTO thyristors T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , for example, each have the freewheeling diodes D 1 , D 2 , D 3 , D 4 connected antiparallel. The first or third antiparallel circuit formed from T 1 , D 1 or T 3 , D 3 , and the second or fourth antiparallel circuit formed from T 2 , D 2 or T 4 , D 4 each form part of the inverter phase shown This series arrangement of the four anti-parallel circuits is fed via four connection points from a DC voltage source U D. On the one hand, the ends of the series arrangement are each connected to the positive or negative potential of the DC voltage source via a switch-on relief choke L 1 or L 2 . The two other connection points correspond to the connection points of the first with the second and the third with the fourth anti-parallel connection. These are each connected via a first or second decoupling diode D 5 or D 6 to the connection point M ("virtual center point") of two voltage divider capacitors C 1 and C 2 , which in turn are fed by the DC voltage source U D. The connection point between the second and the third anti-parallel connection finally serves as output A of the inverter phase. It is not always necessary to provide the switch-on relief chokes L 1 and L 2 as specific components. Depending on the specific circuit structure, the frequently present parasitic line inductances can also be sufficient to limit the current rise in the feeds of the inverter phase.
Bei einer derartigen Schaltung ist es notwendig, Schaltentlastungen für die Leistungshalbleiter vorzusehen. Hierzu können die GTO-Thyristoren T 1, T 2, T 3, T 4 und die Entkoppeldioden D 5, D 6 jeweils beispielsweise mit einem RCD-Entlastungsnetzwerk versehen werden. Eine derartige Beschaltung hat aber den Nachteil, daß zur Erzielung der notwendigen Schaltentlastung eine Vielzahl von Bauelementen notwendig ist.With such a circuit, it is necessary to provide switching relief for the power semiconductors. For this purpose, the GTO thyristors T 1 , T 2 , T 3 , T 4 and the decoupling diodes D 5 , D 6 can each be provided, for example, with an RCD relief network. However, such a circuit has the disadvantage that a large number of components are necessary to achieve the necessary switching relief.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Beschaltung zur Ein- und Ausschaltentlastung der Halbleiterschaltelemente in den Phasen eines Dreipunktwechselrichters anzugeben, bei der eine möglichst geringe Anzahl von Bauelementen benötigt wird.The invention is therefore based on the object a circuit for relieving the semiconductor switching elements on and off in the phases of a three-point inverter specify the smallest possible number of components is needed.
Die Aufgabe wird bei einem Dreipunktwechselrichter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The task is with a three-point inverter of the type mentioned with the characteristic Features of claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are in the further claims specified.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß die aus der DE-OS 32 44 623 für die Halbleiterschaltelemente in den Phasen eines Wechselrichters in Brückenschaltung bekannte Beschaltung prinzipiell auch für die Halbleiterschaltelemente in den Phasen eines sogenannten "Dreipunktwechselrichters" verwendet werden kann. Zur Applikation dieser bekannten Beschaltung auf einen Dreipunktwechselrichter sind keinerlei Anpassungen im Leistungsteil desselben notwendig. Des weiteren hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß die bekannte Beschaltung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung schaltungstechnisch intern vollkommen unverändert verwendet werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß bei Bedarf zusätzlich andere, ebenfalls schaltentlastend wirkende Beschaltungen, insbesondere "RCD"-Beschaltungen, hinzugeschaltet werden können, ohne daß die erfindungsgemäße Beschaltung in der Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird.It is a particular advantage of the invention that from the DE-OS 32 44 623 for the semiconductor switching elements in the phases of an inverter in a bridge circuit known circuit in principle also for the semiconductor switching elements in the phases a so-called "three-point inverter" can be used can. To apply this known circuit to a Three-point inverters are no adjustments in the power section of the same necessary. Furthermore, it has proven to be particularly advantageous that the known wiring in a first embodiment of the invention in terms of circuitry internally can be used completely unchanged. It is another Advantage of the invention that other, if necessary, also circuit-relieving circuits, in particular "RCD" circuits, can be added without the Functionality of the circuit according to the invention is impaired becomes.
Anhand der bereits kurz angeführten Fig. 1 bis 5 wird die Erfindung näher erläutert.Based on the already briefly mentioned FIGS. 1 to 5, the invention is explained in detail.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der eine bzw. andere Teil des in der Fig. 1 dargestellten und aus den Elementen T 1 D 1, T 3, D 3 bzw. T 2, D 2, T 4, D 4 bestehenden Leistungsteil einer Phase eines Dreipunktwechselrichters mit je einer Beschaltung versehen, welche aus den Elementen D 11, CS 1, D 12, CSP 1, R 1 bzw. D 21, CS 2, D 22, CSP 2, R 2 besteht. Dabei ist der ersten Antiparallelschaltung aus dem Halbleiterschaltelement T 1 und der Freilaufdiode D 1 eine Reihenschaltung aus einer ersten Beschaltungsdiode D 11 und einem ersten Ausschaltentlastungskondensator CS 1 parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt dieser beiden Elemente steht über eine dritte Beschaltungsdiode D 12 mit dem Verbindungspunkt einer weiteren Reihenschaltung zweier Elemente in elektrischem Kontakt. Diese Reihenschaltung besteht aus einem ersten Speicherkondensator CSP 1 und bevorzugt einem ersten Entladewiderstand R 1 als Gleichstromverbraucher, und ist dem ersten Spannungsteilerkondensator C 1 für die Eingangsgleichspannung U D parallel geschaltet. In der gleichen Weise ist der vierten Antiparallelschaltung aus dem Halbleiterschaltelement T 4 und der Freilaufdiode D 4 eine Reihenschaltung aus einer zweiten Beschaltungsdiode D 21 und einem zweiten Ausschaltentlastungskondensator CS 2 parallel geschaltet. Auch der Verbindungspunkt dieser beiden Elemente steht über eine vierte Beschaltungsdiode D 22 in elektrischem Kontakt mit dem Verbindungspunkt der beiden Elemente einer weiteren Reihenschaltung. Diese besteht aus einem zweiten Speicherkondensator CSP 2 und bevorzugt einen zweiten Entladewiderstand R 2 als Gleichstromverbraucher, und ist dem zweiten Spannungsteilerkondensator C 2 für die Eingangsgleichspannung U D parallel geschaltet.According to the present invention, one or the other part of the power part shown in FIG. 1 and consisting of the elements T 1 D 1 , T 3 , D 3 or T 2 , D 2 , T 4 , D 4 is a phase of a Three-point inverter each provided with a circuit, which consists of the elements D 11 , CS 1 , D 12 , CSP 1 , R 1 and D 21 , CS 2 , D 22 , CSP 2 , R 2 . In this case, the first anti-parallel circuit consisting of the semiconductor switching element T 1 and the free-wheeling diode D 1 is connected in parallel with a series circuit comprising a first wiring diode D 11 and a first switch-off relief capacitor CS 1 . The connection point of these two elements is in electrical contact via a third wiring diode D 12 with the connection point of a further series connection of two elements. This series circuit consists of a first storage capacitor CSP 1 and preferably a first discharge resistor R 1 as a DC consumer, and is connected in parallel with the first voltage divider capacitor C 1 for the input DC voltage U D. In the same way, the fourth anti-parallel circuit consisting of the semiconductor switching element T 4 and the freewheeling diode D 4 is connected in parallel with a series circuit comprising a second wiring diode D 21 and a second switch-off relief capacitor CS 2 . The connection point of these two elements is also in electrical contact with the connection point of the two elements of a further series connection via a fourth wiring diode D 22 . This consists of a second storage capacitor CSP 2 and preferably a second discharge resistor R 2 as a DC consumer, and is connected in parallel with the second voltage divider capacitor C 2 for the input DC voltage U D.
Zur Erzeugung einer positiven Spannung am Ausgang A der in der Fig. 1 dargestellten Phase des Dreipunktwechselrichters werden bei leitendem Halbleiterschaltelement T 2 und gesperrtem Halbleiterschaltelement T 4 bevorzugt die Halbleiterschaltelemente T 1 und T 3 abwechselnd hintereinander ein- und ausgeschaltet. Wird in einem solchen Fall beispielsweise das stromführende Halbleiterschaltelement T 1 abgeschaltet, so dient zu dessen Ausschaltentlastung die Reihenschaltung aus der ersten Beschaltungsdiode D 11 und dem ersten Ausschaltentlastungskondensator CS 1 als "Entlastungsweg". Für den nach Aufladung des Kondensators CS 1 auf den Wert der halben Eingangsgleichspannung U D über die Einschaltentlastungsdrossel L 1 noch fließenden Strom ist bis zum vollständigen Abklingen desselben die Parallelschaltung aus dem ersten Ausschaltentlastungskondensator CS 1 und der Reihenschaltung aus der dritten Beschaltungsdiode D 12 und dem ersten Speicherkondensator CSP 1 wirksam. Ein bevorzugt als ein erster Entladewiderstand R 1 ausgeführter Gleichstromverbraucher dient zur Rückführung der nur geringfügig über den Wert von U D aufgeladenen Kondensatoren CS 1 und CSP 1 auf den Wert der Eingangsgleichspannung U D . Bei einer Einschaltung von T 1 wird nach Übergang des Laststromes von der Entkoppeldiode D 5 auf das Halbleiterschaltelement T 1 der Ausschaltentlastungskondensator CS 1 über die Elemente D 12, CSP 1, C 1, L 1 und T 1 entladen. Nach Entladung von CS 1 klingt der in der Einschaltentlastungsdrossel L 1 über den Wert des Laststromes hinaus gespeicherte Strom über die Elemente D 11, D 12, CSP 1, C 1 ab und führt zu einer Aufladung des Speicherkondensators CSP 1. Der hierdurch wiederum geringfügig über den Wert der Eingangsspannung U D aufgeladene Speicherkondensator CSP 1 entlädt sich schließlich über den ersten Entladewiderstand R 1 bis auf den Wert von U D . Nun hat die Beschaltung ihren "Ausgangszustand" wieder erreicht und kann erneut ausschaltentlastend wirken.To generate a positive voltage at the output A of the phase of the three-point inverter shown in FIG. 1, the semiconductor switching elements T 1 and T 3 are preferably switched on and off alternately in succession when the semiconductor switching element T 2 is conductive and the semiconductor switching element T 4 is blocked. If, for example, the current-carrying semiconductor switching element T 1 is switched off in such a case, the series connection of the first wiring diode D 11 and the first switch-off discharge capacitor CS 1 serves as its "discharge path" to relieve the load from switching off. For the after charging of the capacitor CS 1 to the value of half the DC input voltage U D via the switching-L 1 still flowing current is up to the complete decay of the same, the parallel circuit comprising the first switching-off CS 1 and the series circuit of the third snubber diode D 12 and the first Storage capacitor CSP 1 effective. A DC consumer, which is preferably designed as a first discharge resistor R 1 , serves to return the capacitors CS 1 and CSP 1, which are only slightly charged via the value of U D, to the value of the input DC voltage U D. In an involvement of T 1 of the load current of the decoupling diode D 5 is the switching-off CS 1 via the D elements 12, CSP 1, C 1, L 1 and T 1 is discharged to the semiconductor switching element T 1 after transition. After discharge of CS 1 , the current stored in the cut-in relief inductor L 1 beyond the value of the load current decays via the elements D 11 , D 12 , CSP 1 , C 1 and leads to a charging of the storage capacitor CSP 1 . The storage capacitor CSP 1, which in turn is thereby slightly charged via the value of the input voltage U D , finally discharges via the first discharge resistor R 1 to the value of U D. Now the circuitry has reached its "initial state" again and can again relieve the switch-off.
Dieser "obere" Beschaltungsteil aus den Elementen D 11, CS 1, D 12, CSP 1, R 1 wirkt ebenfalls entlastend bei Ausschaltung des stromführenden Halbleiterschaltelementes T 3. In diesem Fall dient zur Schaltentlastung der Reihenschaltung aus dem Halbleiterschaltelement T 3 und der zweiten Entkoppeldiode D 6 die parallel geschaltete Reihenschaltung aus der Freilaufdiode D 2, dem ersten Ausschaltentlastungskondensator CS 1, der dritten Beschaltungsdiode D 12 und dem ersten Speicherkondensator CSP 1. Man erkennt, daß der bei Abschaltung des Halbleiterschaltelementes T 3 wirksame "Entlastungsweg" durch die Schaltung "länger" ist als bei einer Abschaltung des Halbleiterschaltelementes T 1, bei dem die unmittelbar parallel geschaltete Reihenanordnung aus der ersten Beschaltungsdiode D 11 und dem ersten Speicherkondensator CS 1 die Entlastung bewirkt. So hat der bei der Ausschaltung des Halbleiterschaltelementes T 3 wirksame Entlastungsweg eine geringfügig größere parasitäre Streuinduktivität, und es ist aus diesem Grund mit einer geringfügig größeren Spannungsbeanspruchung des abzuschaltenden Halbleiterschaltelementes T 3 zu rechnen. Des weiteren wird die Streuung dieses "längeren" Entlastungsweges geringfügig weiter dadurch erhöht, daß nun die vier Bauelemente D 2, CS 1, D 12 und CSP 1 an der Entlastung des Halbleiterschaltelementes T 3 beteiligt sind, während dies bei der Entlastung des Halbleiterschaltelementes T 1 lediglich die Bauelemente D 11 und CS 1 sind. Insbesondere durch die bei Dioden zu Beginn der Stromführung auftretende "Entschaltüberspannung" ("Spike"-Spannung) kann in diesem Fall die "Qualität" der Entlastung des Halbleiterschaltelementes T 3 beeinträchtigt werden. Diese schaltungsbedingte "Unsymmetrie" in der zu erreichenden Entlastungswirkung für die beiden zur Erzeugung einer positiven Ausgangsspannung benötigten Halbleiterschaltelemente T 1 und T 3 kann in der Praxis insbesondere durch einen besonders sorgfältigen schaltungstechnischen Aufbau und durch die Verwendung eines Speicherkondensators mit einer im Vergleich zum Ausschaltentlastungskondensator wesentlich größeren Kapazität ausreichend "harmonisiert" werden.This "upper" circuit part made up of the elements D 11 , CS 1 , D 12 , CSP 1 , R 1 also has a relief effect when the current-carrying semiconductor switching element T 3 is switched off . In this case, the series circuit consisting of the freewheeling diode D 2 , the first switch-off relief capacitor CS 1 , the third circuit diode D 12 and the first storage capacitor CSP 1 is used to relieve the switching of the series circuit comprising the semiconductor switching element T 3 and the second decoupling diode D 6 . It can be seen that the "relief path" through the circuit which is effective when the semiconductor switching element T 3 is switched off is "longer" than when the semiconductor switching element T 1 is switched off , in which the series arrangement comprising the first wiring diode D 11 and the first storage capacitor CS 1 is connected directly in parallel the relief. Thus, the relief path effective when the semiconductor switching element T 3 is switched off has a slightly larger parasitic leakage inductance, and for this reason a slightly greater voltage stress on the semiconductor switching element T 3 to be switched off is to be expected. Furthermore, the spread of this "longer" relief path is increased slightly further by the fact that the four components D 2 , CS 1 , D 12 and CSP 1 are now involved in relieving the load on the semiconductor switching element T 3 , while relieving the load on the semiconductor switching element T 1 only the components D 11 and CS 1 . In particular, the "decoupling overvoltage"("spike" voltage) which occurs in the case of diodes at the beginning of the current flow can in this case impair the "quality" of the relief of the semiconductor switching element T 3 . This circuit-related "asymmetry" in the relief effect to be achieved for the two semiconductor switching elements T 1 and T 3 required to generate a positive output voltage can in practice be achieved, in particular, by a particularly careful circuit design and by the use of a storage capacitor with a much larger one compared to the switch-off relief capacitor Capacity to be sufficiently "harmonized".
Zur Erzeugung einer negativen Spannung am Ausgang A der in der Fig. 1 dargestellten Phase werden bei leitendem Halbleiterschaltelement T 1 und gesperrtem Halbleiterschaltelement T 3 die beiden Halbleiterschaltelemente T 2 und T 4 abwechselnd pulsartig ein- und ausgeschaltet. In diesem Fall wirkt der aus den Elementen D 21, CS 2, D 22, CSP 2 und R 2 bestehende untere Teil der Beschaltung vergleichbar mit den eben beschriebenen Vorgängen im oberen Teil der Beschaltung schaltentlastend für die Halbleiteschaltelemente T 2 und T 4.To generate a negative voltage at the output A of the phase shown in FIG. 1, with the semiconductor switching element T 1 and the semiconductor switching element T 3 being blocked, the two semiconductor switching elements T 2 and T 4 are alternately pulsed on and off. In this case, the lower part of the circuit consisting of the elements D 21 , CS 2 , D 22 , CSP 2 and R 2 has a switching-relieving effect on the semiconductor switching elements T 2 and T 4, comparable to the processes just described in the upper part of the circuit.
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Beschaltung, daß sich keiner der zur Entlastung einer der Halbleiterschaltelemente T 1 bis T 4 notwendigen "Entlastungswege" über einen der Spannungsteilerkondensatoren C 1 bzw. 2 schließt. Die zu erwartenden parasitären Streuungen der einzelnen Entlastungswege sind somit relativ gering, so daß in der Regel nicht mit einer unzulässig hohen Spannungsbeanspruchung beim Ausschaltvorgang eines der Halbleiterschaltelemente zu rechnen ist. Aus diesem Grund ist es mit der erfindungsgemäßen Beschaltung gemäß der Fig. 1 auch möglich, in der Betriebsart "Impulslöschung" zur Stillsetzung des Dreipunktwechselrichters z. B. im Fall eines lastseitigen Fehlers die jeweils gezündeten Halbleiterschaltelemente ohne Rücksicht auf den aktuellen Wert des Laststromes abzuschalten. Würde sich dagegen einer der Entlastungswege über den Zwischenkreis schließen, so ist unter Umständen ein laststromunabhängiges Abschalten des betreffenden Halbleiterschaltelemenes nicht möglich. Vielmehr muß in diesem Fall unter Umständen erst das natürliche Abklingen des Laststromes abgewartet werden, bis ein zerstörungsfreies Abschalten der jeweiligen Halbleiterschaltelemente möglich ist. It is a particular advantage of the circuitry according to the invention that none of the to relieve one of the semiconductor switching elements T 1 toT 4th necessary "relief paths" via one of the voltage divider capacitors C. 1 respectively. 2nd closes. The expected ones Parasitic scattering of the individual relief paths are thus relatively low, so usually not an inadmissible high voltage stress when switching off one of the Semiconductor switching elements is to be expected. Because of this, it is with the circuitry according to the inventionFig. 1 also possible in operating mode "pulse cancellation" to stop the Three-point inverter z. B. in the case of a load-side fault the fired semiconductor switching elements regardless switch off to the current value of the load current. Would on the other hand, close one of the relief paths via the DC link, this may be a switch-off that is independent of the load current of the relevant semiconductor switching element is not possible. Much more In this case, the natural decay may have to occur of the load current are waited until a non-destructive Switching off the respective semiconductor switching elements possible is.
In der Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Phase des erfindungsgemäß beschalteten Dreipunktwechselrichters dargestellt. Jede der beiden "inneren" Antiparallelschaltungen aus dem Halbleiterschaltelement T 2 und der Freilaufdiode D 2 bzw. dem Halbleiterschaltelement T 3 und der Freilaufdiode D 3 ist in diesem Fall mit einem zusätzlichen, bekannten "RCD"- Beschaltungsnetzwerk versehen. Dabei ist der erste Zusatzbeschaltungskondensator C 10, die erste Zusatzbeschaltungsdiode D 10 und der erste Zusatzbeschaltungswiderstand R 10 der zweiten Antiparallelschaltung, bzw. der zweite Zusatzbeschaltungskondensator C 20, die zweite Zusatzbeschaltungsdiode D 20 und der zweite Zusatzbeschaltungswiderstand R 20 der dritten Antiparallelschaltung zugeordnet. Die Kapazitäten der Zusatzbeschaltungskondensatoren C 10 und C 20 werden im Vergleich zu den Elementen CS 1, CS 2, CSP 1 und CSP 2 bevorzugt erheblich kleiner gewählt, da diese insbesondere nur die "Spike"-Spannungen der Freilaufdioden D 2 bzw. D 3 zu bekämpfen haben. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders dann von Vorteil, wenn aus Gründen des praktischen Schaltungsaufbaues bzw. aufgrund der spezifischen Kenndaten der verwendeten Halbleiterschaltelemente T 1 bis T 4 der "Entlastungsweg" für die "inneren" Halbleiterschaltelemente T 2 und T 4 eine unzulässig hohe parasitären Streuinduktivität aufweisen sollte. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß die erfindungsgemäße Beschaltung gemäß der Fig. 1 ohne Beeinträchtigung der Funktionsweise mit anderen bekannten Beschaltungen, z. B. "RCD"- Ausschaltentlastungen gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2, kombinierbar ist.In FIG. 2, a further advantageous embodiment of a phase of the inventive wired three-level inverter is shown. In this case, each of the two “inner” anti-parallel circuits comprising the semiconductor switching element T 2 and the freewheeling diode D 2 or the semiconductor switching element T 3 and the freewheeling diode D 3 is provided with an additional, known “RCD” wiring network. The first additional wiring capacitor C 10 , the first additional wiring diode D 10 and the first additional wiring resistor R 10 are assigned to the second anti-parallel connection, or the second additional wiring capacitor C 20 , the second additional wiring diode D 20 and the second additional wiring resistor R 20 are assigned to the third anti-parallel connection. The capacitances of the additional wiring capacitors C 10 and C 20 are preferably chosen to be considerably smaller in comparison to the elements CS 1 , CS 2 , CSP 1 and CSP 2 , since these in particular only increase the "spike" voltages of the freewheeling diodes D 2 and D 3 have to fight. This embodiment of the invention is particularly advantageous if, for reasons of practical circuit design or due to the specific characteristics of the semiconductor switching elements T 1 to T 4 used, the "relief path" for the "inner" semiconductor switching elements T 2 and T 4 is an inadmissibly high parasitic leakage inductance should have. It is a particular advantage of the invention that the circuitry according to the invention shown in FIG. 1 without affecting the operation with other known circuits, for. B. "RCD" - switch-off relief according to the embodiment of FIG. 2, can be combined.
In der Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei ist zum einen anstelle der beiden separaten, den Zusatzbeschaltungen für die zweite bzw. dritte Antiparallelschaltung zugeordneten Ersatzwiderstände R 10und R 20 ein gemeinsamer Ersatzwiderstand R 12 verwendet, und an den Verbindungspunkten zwischen den Elementen C 10 und D 10 bzw. C 20 und D 20 angeschlossen. Zum anderen sind anstelle der in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bzw. Fig. 2 bevorzugt als Gleichstromverbraucher verwendeten Entladewiderstände R 1 bzw. R 2 Energierückspeiseschaltungen vorgesehen. Diese ermöglichen eine Rückspeisung der bei der Abschaltung der einzelnen Halbleiterschaltelemente anfallenden und in den Speicherkondensatoren CSP 1 bzw. CSP 2 zwischengespeicherten Abschaltverlustenergien. Jede dieser Energierückspeiseschaltungen besteht aus je einem Schaltelement S 1 bzw. S 2, einer Speicherinduktivität L 3 bzw. L 4 und einer Ankoppeldiode D 13 bzw. D 23. Dabei ist in der Beschaltung anstelle des jeweiligen Entladewiderstandes die Reihenschaltung aus einem der Schaltelemente und der dazugehörigen Speicherinduktivität eingesetzt. Der Verbindungspunkt zwischen den Elementen S 1 und L 3 bzw. S 2 und L 4 ist jeweils über eine der beiden Ankoppeldioden D 13 bzw. D 23 mit dem Verbindungspunkt M der beiden Spannungsteilerkondensatoren C 1 und C 2 verbunden.In FIG. 3, a further advantageous embodiment of the invention is shown. In this case, instead of the two separate equivalent resistors R 10 and R 20 assigned to the additional circuits for the second or third anti-parallel connection, a common equivalent resistor R 12 is used, and at the connection points between the elements C 10 and D 10 or C 20 and D. 20 connected. On the other hand, instead of the preferred in the embodiments of FIGS. 1 and Fig. 2 used as a DC load discharge resistors R 1 and R 2 energy recovery circuits are provided. These enable the switch-off loss energies that occur when the individual semiconductor switching elements are switched off and are temporarily stored in the storage capacitors CSP 1 or CSP 2 . Each of these energy recovery circuits consists of a switching element S 1 or S 2 , a memory inductor L 3 or L 4 and a coupling diode D 13 or D 23 . The series connection consisting of one of the switching elements and the associated memory inductance is used in the circuit instead of the respective discharge resistor. The connection point between the elements S 1 and L 3 or S 2 and L 4 is each connected to the connection point M of the two voltage divider capacitors C 1 and C 2 via one of the two coupling diodes D 13 and D 23 .
Zur Rückspeisung z. B. der im Speicherkondensator CSP 1 enthaltenen Überladeenergie wird der erste Schalter S 1 mit einer hohen Frequenz getaktet. Dabei wird im geschlossenen Zustand des Schalters S 1 ein Teil der Kondensatorenergie in die Speicherinduktivität L 3 übertragen. Da beim darauffolgenden Öffnen des Schalters S 1 der Stromfluß durch die Induktivität L 3 nicht schlagartig unterbrochen werden kann, wird auf diese Weise Energie über L 3 in die Gleichspannungsquelle U D rückgespeist. Die Ankoppeldiode D 13 verindert dabei ein erneutes "Rückschwingen" der Energie aus der Gleichspannungsquelle, was bei der einem Schwingkreis sehr ähnlichen und aus den Elementen L 3, C 1, D 13 gebildeten Masche bei Nichtvorhandensein der Ankoppeldiode D 13 der Fall wäre. Eine solche Energierückspeiseschaltung wird auch als "Chopper-Schaltung" bezeichnet.For feedback z. B. the overcharge energy contained in the storage capacitor CSP 1 , the first switch S 1 is clocked at a high frequency. When the switch S 1 is closed, part of the capacitor energy is transferred to the storage inductance L 3 . Since the current flow through the inductor L 3 cannot be interrupted suddenly when the switch S 1 is subsequently opened, energy is fed back into the DC voltage source U D in this way via L 3 . The coupling diode D 13 prevents the energy from the DC voltage source from "swinging back" again, which would be the case with the mesh which is very similar to a resonant circuit and is formed from the elements L 3 , C 1 , D 13 in the absence of the coupling diode D 13 . Such an energy recovery circuit is also referred to as a "chopper circuit".
Die Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschaltung. Dabei ist anstelle des gemeinsamen Zusatzbeschaltungswiderstandes R 12 gemäß der Schaltung von Fig. 3 eine weitere Energierückspeisevorrichtung für die Verlustenergien vorgesehen, welche in den den Antiparallelschaltungen T 2, D 2 bzw. T 3, D 3 zugeordneten Zusatzbeschaltungen aus den Elementen C 10, D 10 bzw. C 20, D 20 zwischengespeichert werden. Diese Rückspeisevorrichtung besteht insbesondere aus einem Trenntransformator TR, dessen Primärwicklung W 1 über einen Dämpfungswiderstand R 13 mit den Verbindungspunkten der Elemente C 10, D 10, bzw. C 20, D 20 in elektrischem Kontakt steht. Die Sekundärwicklung W 2 des Trenntransformators TR ist über eine weitere Ankoppeldiode D 14 mit dem positiven bzw. negativen Potential der Eingangsgleichspannung U D verbunden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Sekundärwicklung W 2 eine größere Windungszahl als die Primärwicklung W 1 hat. Das Windungszahlverhältnis W 2 : W 1 kann z. B. 4 : 1 betragen. Diese Ausführungsform stellt besonders vorteilhaft eine hochwirksame und gleichzeitig nahezu vollständig verlustfreie Schaltentlastung für einen Dreipunktwechselrichter dar. FIG. 4 shows a further advantageous embodiment of the circuit according to the invention. Instead of the common additional circuit resistance R 12 according to the circuit of FIG. 3, a further energy recovery device for the lost energies is provided, which in the additional circuits associated with the anti-parallel circuits T 2 , D 2 and T 3 , D 3 consists of the elements C 10 , D 10 or C 20 , D 20 are temporarily stored. This regenerative device consists in particular of an isolating transformer TR , the primary winding W 1 of which is in electrical contact via a damping resistor R 13 with the connection points of the elements C 10 , D 10 or C 20 , D 20 . The secondary winding W 2 of the isolating transformer TR is connected via a further coupling diode D 14 to the positive or negative potential of the input DC voltage U D. It is particularly advantageous if the secondary winding W 2 has a larger number of turns than the primary winding W 1 . The number of turns ratio W 2 : W 1 can e.g. B. 4: 1. This embodiment particularly advantageously represents a highly effective and at the same time almost completely loss-free switching relief for a three-point inverter.
In der Fig. 5 ist schließlich die Erfindung am Beispiel eines dreiphasigen Dreipunktwechselrichters mit den Ausgängen A 1 bis A 3 gezeigt. Wie darin bereits dargestellt, ist es ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die Reihenschaltung aus dem ersten Speicherkondensator CSP 1 und dem ersten Entladewiderstand R 1 bzw. die Reihenschaltung aus dem zweiten Speicherkondensator CSP 2 und den zweiten Entladewiderstand R 2 jeweils nur einmal benötigt wird. Die oberen bzw. unteren Hälften aller Wechselrichterphasen sind an den Verbindungspunkt dieser Elemente über die jeweiligen Beschaltungsdioden D 121, D 111; D 122, D 112 . . . bzw. D 221, D 211; D 222, D 212 . . . gemeinsam angeschlossen.In FIG. 5, the invention is finally shown a three-phase three-level inverter connected to the outputs A 1 to A 3 example. As already shown therein, it is a further advantage of the invention that the series circuit comprising the first storage capacitor CSP 1 and the first discharge resistor R 1 or the series circuit comprising the second storage capacitor CSP 2 and the second discharge resistor R 2 is only required once. The upper and lower halves of all inverter phases are connected to the connection point of these elements via the respective wiring diodes D 121 , D 111 ; D 122 , D 112 . . . or D 221 , D 211 ; D 222 , D 212 . . . connected together.
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