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DE4018165C1 - High power insulated gate transistor circuitry - has additional capacitor and thyristor fired by rectifier overcurrent in series across DC voltage source - Google Patents

High power insulated gate transistor circuitry - has additional capacitor and thyristor fired by rectifier overcurrent in series across DC voltage source

Info

Publication number
DE4018165C1
DE4018165C1 DE19904018165 DE4018165A DE4018165C1 DE 4018165 C1 DE4018165 C1 DE 4018165C1 DE 19904018165 DE19904018165 DE 19904018165 DE 4018165 A DE4018165 A DE 4018165A DE 4018165 C1 DE4018165 C1 DE 4018165C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage source
series
insulated gate
capacitor
transistors
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
DE19904018165
Other languages
English (en)
Inventor
Michael Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Brandt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Licentia Patent Verwaltungs GmbH filed Critical Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority to DE19904018165 priority Critical patent/DE4018165C1/de
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Expired - Fee Related legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1216—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for AC-AC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Hochleistungs- Insulated-Gate-Transistoren in einem Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Beschaltungsanordnung ist durch die DE-Zeit­ schrift "etz" Band 110 (1989) Heft 10, Seiten 458 bis 477, insbesondere Seite 469 bekannt.
Neben den guten Schalteigenschaften und den damit zu erreichenden Puls­ frequenzen von mehr als 10 kHz haben Insulated-Gate- (Bipolar-) Transistoren (IGBT) den weiteren großen Vorteil, daß sie ohne zusätzliche Beschaltung für eine zusätzliche Begrenzung des Spannumgsanstiegs (du/dt-Beschaltung) betrieben werden können, wie sie bei anderen über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbaren Schaltelementen, wie z.B. GTO-Thyristoren notwendig ist.
Bei einem GTO-Thyristor ist es durch die US-PS 46 97 219 bekannt, die not­ wendige du/dt-Beschaltung (Snubber-Kreis) dem jeweiligen Laststrom im Betriebsfall anzupassen, um unnötige Verluste durch zu hohe Kapazitäten zu vermeiden. Dabei werden dem üblichen Snubber-Kreis aus der Reihenschaltung eines Kondensators und einer durch einen Widerstand überbrückten Diode parallel zum GTO-Thyristor über laststromabhängig geschaltete Thyristoren weitere Kondensatoren parallelgeschaltet.
Auch ist es durch die Patents Abstracts of Japan E-609 May 17, 1988, Vol. 12, No. 162 zu 62-2 72 862 (A) bekannt, im Fehlerfall dem Snubber-Kondensator eines GTO-Thyristors durch Einschalten eines weiteren Thyristors einen wei­ teren Snubber-Kondensator parallelzuschalten.
Insulated-Gate-Transistoren benötigen bei Nennbetrieb im Gegensatz zu GTO- Thyristoren lediglich einen gering dimensionierten Gleichspannungs-Snubber- Kreis, der die Überspannungen, die durch die Streuinduktivitäten in den Zu­ leitungen zu den IGBTs hervorgerufen werden, begrenzt. Dadurch können die Beschaltungsverluste auf ein Minimum reduziert werden.
Allerdings müssen auch ein Kurzschluß zwischen den Polen der den Wechsel­ richter speisenden Gleichspannungsquelle und die damit auftretenden Über­ spannungen, die durch den bis zur zehnfachen Stärke des Nennstromes auf­ tretenden Kurzschlußstrom hervorgerufen werden, aufgefangen werden, ohne daß die IGBTs zerstört werden. Deshalb ist es bisher erforderlich, die Klemmen­ beschaltung der Insulated-Gate-Transistoren für den Kurzschlußfall zu dimen­ sionieren. Damit steigen aber auch die Beschaltungsverluste im Nennbetrieb erheblich.
Die Streuinduktivitäten in den Zuleitungen zu den IGBTs können zwar durch den mechanischen Aufbau des Wechselrichters auf ein Mimimum reduziert werden, aber die Praxis zeigt, daß bei Leistungen des Wechselrichters, die größer als 100 kVA sind, konstruktive Grenzen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Hochleistungs-Insulated-Gate- Transistoren bei einer Kurzschlußabschaltung des Wechselrichters vor Über­ spannungen schützt, ohne daß Beschaltungsverluste während des Nennbetriebs zu Buche schlagen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.
Im normalen Betrieb ist also lediglich der klein zu dimenionierende Betriebs- Snubber-Kreis im Einsatz, während die Beschaltungsverluste, die durch die Kurzschlußklemmenbeschaltung auftreten, nur bei einem Überstrom vorhanden sind.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestell­ ten Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Die Zeichnungsfigur zeigt einen Umrichter mit einem aus Insulated-Gate- Transistoren aufgebauten Wechselrichter, der die Beschaltungsanordnung nach der Erfindung aufweist.
Gemäß der Zeichnungsfigur wird ein als Gleichspannungsquelle für den Wechsel­ richter des Umrichters dienender (Zwischenkreis-) Kondensator C aus einem dreiphasigen Netz RST über eine ungesteuerte Diodenbrücke mit Dioden V1 bis V6 über (Zwischenkreis-) Drosseln LZ gespeist.
Der dreiphasige Wechselrichter ist durch Insulated-Gate-Transistoren V7 bis V12 gebildet. Dabei sind je Wechselspannungsphase U, V, W jeweils zwei IGBTs, d. h. V7 umd V10 bzw. V8 und V11 bzw. V9 und V12 zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle C hintereinandergeschaltet, wobei der jeweilige Wechsel­ spannungsanschluß U, V, W am Verbindungspunkt der beiden Insulated-Gate- Transistoren jeder Phase vorgesehen ist.
Mit LS 1 bis LS 6 sind hier ersatzweise als diskrete Drosselspulen gezeigte Streuinduktivitäten in den Zuleitungen zu den einzelnen IGBTs bezeichnet. Um während des üblichen Betriebs die infolge der Streuinduktivitäten LS1 bis LS 6 auftretenden Überspannungen für die Insulated-Gate-Transistoren V7 bis V12 zu begrenzen, sind gering dimensionierte Gleichspannungs-Snubber- Kreise 1, 2, 3 den einzelnen Transistor-Zweigpaaren jeder Wechselrichter­ phase parallelgeschaltet. So besteht der Snubberkreis 1 aus der Reihenschal­ tung einer Diode V13 mit einem Kondensator C1, wobei der Verbindungspunkt zwischen der Diode V13 und dem Kondensator C1 über einen Widerstand R1 an den Pluspol des Kondensators C gelegt ist.
In entsprechender Weise ist der Snubberkreis 2 aus einer Diode V14, einem Kondensator C2 und einem Widerstand R2 auf gebaut, während der Snubber­ kreis 3 eine Diode V15, einen Kondensator C3 und einen Widerstand R3 auf­ weist.
Damit die Snubberkreise 1, 2, 3 lediglich für den Nennbetrieb ausgelegt werden müssen und damit die durch sie auftretenden Beschaltungsverluste auf ein Minimum reduziert bleiben, ist gemäß der Erfindung zum Schutz der IGBTs V7 bis V12 bei Überspannungen, die durch einen Kurzschlußstrom zwischen den Polen des Kondensators C auftreten, ein zusätzlicher Snubberkreis 4 vorgesehen.
Der Snubberkreis 4 wird durch die Reihenschaltung eines Thyristors VK und eines zusätzlichen Kondensators CK zwischen den Polen des Kondensators C gebildet, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator CK und dem Thyristor VK über einen Entladewiderstand RE an den Pluspol des Kondensa­ tors C gelegt ist. Der Thyristor VK (oder ein ihm gleichwertiges Schaltglied) wird von einem Trigger gezündet, wenn der Betriebsstrom I einen Kurzschluß­ stromgrenzwert IK überschreitet. Mit Z ist ein Zündimpulsübertrager zur Potentialtrennung bezeichnet.
Der nur im Kurzschlußfall Beschaltungsverluste hervorrufende zusätzliche Snubberkreis 4 arbeitet wie folgt:
Der zusätzliche Kondensator CK ist im Betriebsfall über den Entladewider­ stand RE auf die Spannung der Gleichspannungsquelle (Kondensator C) auf­ geladen. Bei einem Kurzschluß wird über einen Kurzschluß-Trigger der Thy­ ristor VK angesteuert und der Kondensator CK kann die in den Streuinduk­ tivitäten LS1 bis LS6 gespeicherte Energie zum Schutz der Insulated-Gate- Transistoren V7 bis V12 aufnehmen.
Nachdem der Kurzschluß in üblicher Weise abgeschaltet wird und die Spannung am zusätzlichen Kondensator CK durch Entladung über den Entladewiderstand RE wieder auf die Spannung des Kondensators C abgesunken ist, sperrt der Thy­ ristor VK erneut.
Nimmt man an, daß die Kurzschlußhäufigkeit unter 10Hz liegt, sind die durch den Kurzschluß-Snubber-Kreis 4 auftretenden Beschaltungsverluste vernach­ lässigbar klein.

Claims (2)

  1. Beschaltungsanordnung für Hochleistungs-Insulated-Gate-Transistoren in einem Wechselrichter, bei dem je Wechselspannungsphase
    • - der Wechselspannungsanschluß zwischen zwei hintereinander zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle geschalteten, abwechselnd betriebenen Insulated-Gate-Transistoren vorgesehen ist,
    • - den beiden Insulated-Gate-Transistoren eine Reihenschaltung eines Konden­ sators mit einer Diode parallelgeschaltet ist und
    • - der Verbindungspunkt zwischen Diode und Kondensator über einen Wider­ stand an den einen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Polen der Gleichspannungsquelle (C) die Reihenschal­ tung eines bei einem durch den Wechselrichter fließenden Überstrom gezündeten Thyristors (VK) und eines zusätzlichen Kondensators (CK) angeordnet ist und der Verbindungspunkt zwischen Thyristor (VK) und zusätzlichem Kondensator (CK) über einen Entladewiderstand (RE) an den einen Pol der Gleichspannungs­ quelle (C) angeschlossen ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19825801C2 (de) * 1998-06-10 2003-10-02 Baumueller Nuernberg Gmbh Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Hochlast-Widerstand
AT508993B1 (de) * 2009-10-27 2012-05-15 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Ein- und mehrphasige umrichter mit der möglichkeit zur erhöhung der spannung

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4697219A (en) * 1985-03-25 1987-09-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Snubber circuit for gate turnoff thyristor

Patent Citations (1)

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Title
DE-Z.: etz Bd.110 (1989) H.10 S.458-477 *
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