-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer mehrphasigen
Stromrichterschaltung, die gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis
verknüpft
ist und mehrere Halbleiterschalter aufweist, und einer aktiven Überspannungsvorrichtung.
-
Als
Halbleiterschalter bei einer derartigen Stromrichterschaltung, die
auch als U-Umrichter bezeichnet wird, werden beispielsweise bipolare
Leistungsstransistoren oder feldgesteuerte Leistungshalbleiter,
beispielsweise Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT)
verwendet. Bei Stromrichterschaltungen der industriellen Antriebstechnik
werden IGBT's bevorzugt.
-
Damit
die Schaltverluste von IGBT's
möglichst
gering werden, muss die Schaltgeschwindigkeit möglichst hoch gewählt werden.
Dabei besteht die Randbedingung, dass die Oberspannung, die durch die
schnellen Schalttransistoren im Kommutierungskreis entsteht, einen
bestimmten Wert nicht überschreiten
darf. Eine Eigenschaft vieler IGBT's ist, dass die Stromfallgeschwindigkeit
mit höheren
Abschaltstrom zunimmt. Dies hat zur Folge, dass beim Abschalten
eines Oberstromes eine entsprechend höhere induktive Oberspannung
auftritt, die bei den eingesetzten Leistungshalbleiterschaltern
noch nicht zur Zerstörung
führen
darf. Dies führt
oft dazu, dass, falls die Schaltgeschwindigkeit für diesen
Fall eingestellt wird, im normalen Betrieb höhere Verluste auftreten, als
es notwendig ist.
-
Um
den Fall Überstromabschalten
zu beherrschen wird in der Regel aus diesem Grund ein aktiver Überspannungsschutz
eingesetzt, der aus zwischen Kollektor und Gate geschalteten Ze nerdioden
besteht. Ein derartiger aktiver Überspannungsschutz
ist aus der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transistoren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft 4,
1984, Seiten 157 bis 159, bekannt. Wird die Spannung zwischen dem
Kollektor und Emitter des zu schützenden
Transistors größer als
die Schwellenspannung dieser Zenerdiode zuzüglich der Einsatzspannung des
Transistors, dann steuert dieser auf und begrenzt auf diese Weise
die Spannung im Leistungskreis.
-
Bei
einer sechspulsigen Stromrichterschaltung müssen sechs Halbleiterschalter
jeweils mit einer derartigen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
beschaltet werden. Wegen der vorhandenen Zwischenkreisspannung handelt
es sich bei den Dioden um Leistungsdioden. Eine Leistungszenerdiode wird
auch als Transildiode bezeichnet. Damit diese bekannte aktive Überspannungsschutzvorrichtung jedem
Halbleiterschalter zugeordnet werden kann, müssen diese einzeln vorhanden
sein. Da jedoch Stromrichterschaltungen immer mehr mit Leistungsmodulen,
beispielsweise Zweigmodule oder Brückenmodule, aufgebaut werden,
wird die Zuordnung der Dioden der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen
zu korrespondierenden Halbleiterschaltern der Stromrichterschaltung
schaltungsmäßig immer
schwieriger und aufwendiger. Da sobald die aktive Überspannungsschutzvorrichtung
eingreift ein kurzzeitiger Strom von einigen Ampere entsteht, wird jede
Zenerdiode aus mehreren Zenerdioden aufgebaut. Dies führt dazu,
dass nicht nur mehr Platz beansprucht wird, sondern sich auch die
Kosten für
eine derartige aktive Überspannungsschutzvorrichtung erhöht.
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte aktive Überspannungsschutzvorrichtung
derart weiterzubilden, dass diese Nachteile nicht mehr auftreten.
-
Diese
Aufgabe wird jeweils erfindungsgemäß mit den Merkmalen der nebengeordneten
Ansprüche
1 bis 4 gelöst.
-
Dadurch,
dass als Überspannungsschutzvorrichtung
ein Diodennetzwerk vorgesehen ist, das eine Zenerdiode und für jeden
Halbleiterschalter eine Entkopplungsdiode aufweist, und dass die
Zenerdiode kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises
der mehrpulsigen Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den
Anoden der Entkopplungsdioden verknüpft ist, deren Kathoden jeweils
mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter der mehrpulsigen
Stromrichterschaltung verbunden sind, erhält man eine sehr kompakte aktive Überspannungsschutzvorrichtung
für eine
Stromrichterschaltung, die nun nur noch sieben Bauelemente aufweist.
Im Gegensatz zur bekannten Überspannungsschutzvorrichtung
wird anstelle von sechs Zenerdioden nur noch eine Zenerdiode benötigt. Somit
haben sich die Kosten und der Platzbedarf dieser aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
wesentlich gesenkt. Diese erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung
ist besonders geeignet für
eine mehrpulsige Stromrichterschaltung, deren Halbleiterschalter
in einem Brückenmodul
zusammengefasst sind.
-
Bei
einer zweiten unabhängigen
Lösung
ist als Überspannungsschutzvorrichtung
ein Diodennetzwerk vorgesehen, dass eine Zenerdiode, vier hochsperrende
Dioden und drei niedersperrende Dioden aufweist, wobei die Zenerdiode
kathodenseitig mit dem positiven Potential des Spannungszwischenkreises
der Stromrichterschaltung und anodenseitig mit den Anoden der vier
hochsperrenden Dioden verknüpft
ist, von denen drei kathodenseitig jeweils mit einem Steueranschluss
der Halbleiterschalter einer positiven Brückenseite der mehrpulsigen Stromrichterschaltung
und eine kathodenseitig mit den Anoden der niedersperrenden Dioden
verbunden ist, deren Kathoden mit den Steueranschlüssen der
Halbleiterschalter einer negativen Brückenseite der mehrpulsigen
Stromrichterschaltung verknüpft sind.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Diodennetzwerkes reduziert sich die Anzahl hochsperrender Dioden
für das
Diodennetzwerk, wodurch nicht nur weiterer Platz eingespart wird,
sondern auch die Kosten weiter gesenkt werden.
-
Bei
einer dritten unabhängigen
Lösung
ist als Überspannungsschutzvorrichtung
ein Diodennetzwerk vorgesehen, das entsprechend der Phasenzahl der
Stromrichterschaltung Zenerdioden und entsprechend der Anzahl der
Halbleiter pro Phase der Stromrichterschaltung Entkopplungsdioden
aufweist, und wobei jede Zenerdiode kathodenseitig mit einem positiven
Potential der Phasen der Stromrichterschaltung und anodenseitig
mit den Anoden der Entkopplungsdioden einer korrespondierenden Phase verknüpft ist,
deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss korrespondierender
Halbleiterschalter verbunden sind.
-
Somit
erhält
man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung,
deren Diodennetzwerk korrespondierend zur Stromrichterschaltung,
bestehend aus Zweigmodulen mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern,
ausgestaltet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung des Diodennetzwerkes
wird gegenüber
der bekannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtung die
Anzahl der Zenerdioden halbiert, wodurch sich der Platzbedarf für die Überspannungsschutzvorrichtung
reduziert und sich die Kosten senken.
-
Bei
einer vierten unabhängigen
Lösung
ist als Überspannungsschutzvorrichtung
ein Diodennetzwerk vorgesehen, das zwei Zenerdioden, sechs Entkopplungsdioden
und drei niedersperrende Entkopplungsdioden aufweist, wobei eine
erste Zenerdiode kathodenseitig mit einem positiven Potential des Spannungszwischenkreises
und anodenseitig mit den Anoden dreier Entkopplungsdioden verknüpft ist, deren
Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter
einer positiven Brückenhälfte der
Stromrichterschaltung verbunden sind. Die zweite Zenerdiode ist
kathodenseitig mit den Kathoden dreier Entkopplungsdioden verbunden,
die anodenseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen der
Stromrichterschaltung verbunden sind, und anodenseitig mit den Anoden
dreier weiterer Entkopplungsdioden verbunden ist. Deren Kathoden
sind jeweils mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalter einer
negativen Brückenhälfte der
Stromrichterschaltung verknüpft.
-
Somit
erhält
man eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung,
deren Diodennetzwerk korrespondierend zu den beiden Brückenhälften einer mehrpulsigen
Stromrichterschaltung ausgestaltet ist. Dabei reduziert sich nicht
nur die Anzahl der Zenerdioden, sondern auch die Anzahl hochsperrender
Dioden, was sich in den Kosten erheblich niederschlägt. Durch
die Aufteilung des Diodennetzwerkes auf zwei Teilnetzwerke korrespondierend
zu den Brückenhälften der
mehrpulsigen Stromrichterschaltung können als Dioden, die kathodenseitig
mit den Steueranschlüssen
der Halbleiterschalter der unteren Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verknüpft sind,
niedersperrende Dioden verwendet werden. Diese beanspruchen weniger
Platz als hochsperrende Dioden und sind kostengünstiger.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Diodennetzwerke der vorgenannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen
sind jeweils zwischen den Ausgängen
des Diodennetzwerks und den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter
der mehrpulsigen Stromrichterschaltung jeweils eine Verstärkerstufe
geschaltet. Dadurch wird die Strombelastung jeder Zenerdiode sehr
verringert, wodurch sich deren Baugröße wesentlich reduziert.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten
Diodennetzwerke der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen
ist jeweils als Zenerdiode eine Reihenschaltung wenigstens zweier
Zenerdioden vorgesehen, deren Zenerspannung sich wesentlich unterscheiden.
Außerdem ist
der Zenerdiode mit der niedrigen Zenerspannung ein Kondensator elektrisch
parallel geschaltet, der mit einer Entladeeinrichtung versehen ist,
deren zweiter Anschluss mit einem Potential des Spannungszwischenkreises
der mehrpulsigen Stromrichterschaltung verbunden ist. Dadurch spricht
diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung
dynamisch früher
an, so dass dadurch der Anstieg der Überspannung früher begrenzt
wird. Die Entladeeinrichtung sorgt dafür, dass sich der Kondensator
nach jedem Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
wieder entladen kann.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten
Diodennetzwerke der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen
ist zwischen dem Diodennetzwerk und den Steuereingängen der
den Halbleiterschalter zugeordneten Ansteuereinrichtungen jeweils
eine Spannungsanhebeeinrichtung derart geschaltet, dass diese jeweils
einerseits mit einem Verbindungspunkt der Zenerdiode mit den Entkopplungsdioden
des Diodennetzwerkes und andererseits mit einem Steuereingang einer
Ansteuereinrichtung verknüpft
sind. Dadurch wird ein Weglaufen der Zenderdiodenspannung aufgrund
der Belastung beim Ansprechen verhindert. Dies wird dadurch erreicht,
dass mittels der Spannungsanhebeeinrichtung die Ansteuereinrichtung
wieder angesteuert wird. Somit kann sich der Strom, der über die Ansteuereinrichtung
und einem Steuerwiderstand des Halbleiterschalters abfließt, verringern.
Diese Spannungsanhebeeinrichtung wirkt besonders vorteilhaft bei
Halbleiterschaltern mit großen
Strömen, da
bei diesen Halbleiterschaltern meist mit kleinen Steuerwiderständen geschaltet
wird.
-
Durch
die Verringerung der Anzahl der hochsperrenden Dioden und auch der
hochsperrenden Entkopplungsdioden verringert sich der Platzbedarf des
Diodennetzwerkes der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
derart, dass diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung
in ein Brückenmodul bzw.
in jeweils ein Zweigmodul der mehrpulsigen Stromrichterschaltung
integrierbar ist.
-
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
schematisch veranschaulicht ist.
-
1 zeigt
eine bekannte Schaltungsanordnung mit einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung und
einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, in
der
-
2 ist
eine erste Ausführungsform
eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt, die
-
3 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
des Diodennetzwerks nach 2, die
-
4 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
wogegen in der
-
5 eine
dritte Ausführungsform
eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt ist, die
-
6 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
des Diodennetzwerks nach 2, die
-
7 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
eines Teils des Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und in der
-
8 ist
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
eines Diodennetzwerks der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt.
-
In
der 1 ist eine bekannte Schaltungsanordnung mit einer
mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 und einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 dargestellt.
An den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W dieser mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 ist
eine Last 6 angeschlossen. Gleichspannungsseitig ist diese
Stromrichterschaltung 2 mit einem Spannungszwischenkreis 8 verknüpft, an
dem eine Gleichspannung Ud abfällt. Die
mehrphasige Stromrichterschaltung 2 weist sechs Halbleiterschalter
T1, ..., T6 auf, die auf drei Brückenzweige
aufgeteilt sind. Die aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist
für jeden
Halbleiterschalter T1 bis T6 eine Zenerdiode Z1 bis Z6 und eine
Entkopplungsdiode D1 bis D6 auf. Jeweils eine Zenerdiode Z1 bis
Z6 und eine Entkopplungsdiode D1 bis D6 sind derart elektrisch in
Reihe ge schaltet, dass deren Anoden miteinander verbunden sind.
Kathodenseitig ist jede Entkopplungsdiode D1 bis D6 mit einem Steueranschluss
G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Die
Zenerdioden Z2, Z4 und Z6, die den Halbleiterschaltern T2, T4 und
T6 der unteren Brückenhälfte der
Stromrichterschaltung 2 zugeordnet sind, sind kathodenseitig
jeweils mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen U, V und W der mehrpulsigen
Stromrichterschaltung 2 elektrisch leitend verbunden. Die
Zenerdioden Z1, Z3 und Z5, die den Halbleiterschaltern T1, T3 und
T5 der oberen Brückenhälfte der
mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 zugeordnet sind, sind
kathodenseitig mit den Potentialen +Ud1,
+Ud2 und +Ud3 der
Kollektor-Anschlüsse
der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 verbunden. Diese Potentiale
+Ud1, +Ud2 und +Ud3 entsprechen dem Potential +Ud des
Spannungszwischenkreises 8. Wegen der Übersichtlichkeit sind die Dioden
Z1 bis Z6 und D1 bis D6 der Überspannungsschutzvorrichtungen
eines jeden Halbleiterschalters T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 in
einer Vorrichtung 4 zusammengefasst. In der Praxis ist
jeder Halbleiterschalter T1 bis T6 mit einer korrespondierenden Überspannungsschutzvorrichtung versehen.
-
Dieser
Darstellung ist zu entnehmen, dass diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 sehr viel
Platz benötigt.
Dies ist zumindest dann der Fall, wenn jede Zenerdiode Z1 bis Z6
aus mehreren in Reihe geschalteten Zenerdioden aufgebaut ist. Dies ist
dann nötig,
wenn beim Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ein
kurzzeitiger Strom von mehreren Ampere fließt, der zusammen mit der Spannung
die Leistungstragfähigkeit
einer Zenerdiode übersteigt.
Außerdem
sind diese Dioden Z1 bis Z6 und D1 bis D6 hochsperrend, da die Zwischenkreisspannung
400 V und größer ist.
Hochsperrende Zenerdioden sind auch als Transildioden bekannt. Aus
diesen Gründen
ist der Platzbedarf der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nicht
nur sehr hoch, sondern wegen der hoch sperrenden Ausgestaltung der
Dioden Z1 bis Z6 und D1 bis D6 auch deren Kosten.
-
In
der 2 ist eine Ausführungsform eines Diodennetzwerks 10 der
aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 2 näher dargestellt.
In den nachfolgenden 3 bis 8 ist wegen
der Übersichtlichkeit
auf die Darstellung der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 verzichtet
worden. Dieses Diodennetzwerk 10 weist nur noch eine Zenerdiode
Z1 auf, die anodenseitig mit Entkopplungsdioden D1 bis D6 elektrisch
leitend verbunden sind. Kathodenseitig ist diese Zenerdiode Z1 mit
dem positiven Potential +Ud des Spannungszwischenkreises 8 der
mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Kathodenseitig sind
die Entkopplungsdioden D1 bis D6 jeweils mit den Steueranschlüssen G1
bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verbunden.
Die Anzahl der Entkopplungsdioden D1 bis D6 richtet sich wie bei
der bekannten aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach
der Anzahl der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
werden fünf
hochsperrende Zenerdioden Z2 bis Z6 eingespart. Bestehen die Zenerdioden
Z1 bis Z6 wegen der Strombelastung aus einer Reihenschaltung mehrerer
Zenerdioden, so wird die fünffache
Anzahl der Zenerdioden Z2 bis Z6 eingespart. Daraus resultiert nicht
nur eine erhebliche Reduzierung des Platzbedarfs für die aktive Überspannungschutzvorrichtung 4,
sondern auch eine erhebliche Kosteneinsparung.
-
Tritt
beispielsweise am Halbleiterschalter T1 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 nach 1 eine Überspannung
auf, wirkt diese zwischen dem an +Ud1 angeschlossenen
Kollektoranschluss und dem mit dem wechselspannungsseitigen Anschluss
U verbundenen Emitteranschluss des Halbleiterschalters T1. Über die
Zenerdiode Z1 und die Entkopplungsdiode D1 des Diodennetzwerks 10 nach 2 fließt ein Strom,
der den Halbleiterschalter T1 wieder aufsteuert, wodurch die Überspannung be grenzt
wird. Da die Potentiale der wechselspannungsseitigen Anschlüsse V und
W der mehrphasigen Stromrichterschaltung 2 höher liegt
als das Potential des wechselspannungsseitigen Anschlusses U dieser
Stromrichterschaltung 2 werden die damit verbundenen Halbleiterschalter
T3 und T5 nicht aufgesteuert, da die Entkopplungsdioden D3 und D5 sperren.
Die Wirkungsweise für
die Halbleiterschalter T3 und T5 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 nach 1 ist
analog.
-
Zur
Funktionsbeschreibung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 für die Halbleiterschalter
T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der
Stromrichterschaltung 2 wird das negative Potential –Ud des Spannungszwischenkreises 8 als
Bezugspotential angenommen. Daraus folgt, dass beim Auftreten von Überspannungen
an den Halbleiterschaltern T2, T4, T6 deren Kollektorpotential über dem
Zwischenkreispotential liegt. Dadurch kann ein Strom über die
Freilaufdioden der Halbleiterschalter T1, T3 oder T5 fließen. Die
weitere Betrachtung schließt
diese Freilaufdioden der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 mit ein.
-
Eine
am Halbleiterschalter T2 wirkende Überspannung wird über den
Stromkreis – Freilaufdiode
vom Halbleiterschalter T1, Zenerdiode Z1, Entkopplungsdiode D2 und
Halbleiterschalter T2 – wirkungsvoll
begrenzt. Die Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 sperren und verhindern
dass die damit verbundenen Halbleiterschalter T1, T3 und T5 der Stromrichterschaltung 2 aufsteuern.
Die Wirkungsweise für
die Halbleiterschalter T2 und T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung
ist analog.
-
Die 3 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach 2.
Diese Ausführungsform
des Diodennetzwerks 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 dadurch,
dass anstelle der drei hochsperrenden Entkopplungsdioden D2, D4
und D6 nur eine hochsperrende Entkopplungsdiode D4 und drei niedersperrende
Dioden D21, D41 und D61 vorgesehen sind.
-
Dabei
ist die hochsperrende Entkopplungsdiode D4 anodenseitig mit den
Anoden der Zenerdiode Z1 und der drei hochsperrende Entkopplungsdioden D1,
D3 und D5 verknüpft.
Kathodenseitig ist diese hochsperrende Entkopplungsdiode D4 mit
den Anoden der niedersperrenden Dioden D21, D41 und D61 verbunden,
deren Kathoden jeweils mit einem Steueranschluss G2, G4 und G6 der
Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft sind. Durch
diese Maßnahmen ändert sich
nicht die Funktion des Diodennetzwerks 10. Der Vorteil
dieser Ausführungsform
des Diodennetzwerks 10 liegt darin, dass die Anzahl der
hochsperrenden Bauelemente sich verringert hat, wodurch der Platzbedarf
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 sich
weiter verringert und damit auch deren Kosten.
-
Diese
bisher beschriebenen Diodennetzwerke 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen 4 werden
vorteilhafter Weise bei einer mehrpulsigen Stromrichterschaltung
verwendet, deren Halbleiterschalter T1 bis T6 in einem Brückenmodul
vereinigt sind. Da die Stromrichterschaltung 2 nicht immer aus
einem Brückenmodul
ausgebaut sein kann, ist in der 4 eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 für eine mehrpulsige
Stromrichterschaltung 2 mit mehreren Zweigmodulen dargestellt.
-
Das
Diodennetzwerk 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist
nach 4 drei Zenerdioden Z1, Z2 und Z3 und sechs Entkopplungsdioden
D1 bis D6 auf. Jede Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 ist anodenseitig
mit den Anoden der Entkopplungsdioden D1, D2 bzw. D3, D4 bzw. D5,
D6 verknüpft,
die kathodenseitig mit den Halbleiterschaltern T1, T2 bzw. T3, T4
bzw. T5, T6 jeweils eines Zweigmoduls verbunden werden. Ein Zweigmodul entspricht
einer Phase der mehrphasigen Stromrichterschaltung. Kathodenseitig
ist jede Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 mit einem positiven Potential
+Ud1 bzw. +Ud2 bzw.
+Ud3 verknüpft, wobei diese Potentiale +Ud1, +Ud2 und +Ud3 dem positiven Potential +Ud des Spannungszwischenkreises 8 entspre chen.
Durch diese phasenmäßige Unterteilung
des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4,
können
diese Teildiodennetzwerke den Zweigmodulen der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 direkt
zugeordnet werden. Außerdem
besteht dadurch die Möglichkeit,
dass jedes Teildiodennetzwerk mit dem korrespondierenden Zweigmodul
eine Baueinheit bildet.
-
Es
gibt auch mehrere Stromrichterschaltungen 2, die weder
aus einem Brückenmodul
noch aus mehreren Zweigmodulen besteht, sondern aus mehreren Ventilmodulen
aufgebaut sind. Diese Bauform wird gewählt, wenn eine hohe Leistung
bzw. ein hoher Strom gefordert wird. Bei einer derartig aufgebauten
Stromrichterschaltung 2 wird steuerungsseitig diese Brückenschaltung
in einer oberen und einer unteren Brückenhälfte unterteilt. Wie eine zugehörige aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 dazu
aussehen kann, ist in der 5 näher dargestellt.
-
Gemäß 5 weist
die aktive Überspannungsschutzvorrichtung 4 zwei
Teildiodennetzwerke auf. Das Teildiodennetzwerk für die obere
Brückenhälfte der
mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 weist eine Zenerdiode
Z1 und drei Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 auf, die alle hochsperrend
sind. Die Zenerdiode Z1 ist anodenseitig mit den Anoden dieser drei
Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 und kathodenseitig mit dem positiven
Potential +Ud des Spannungszwischenkreises 8 verbunden.
Kathodenseitig sind die Entkopplungsdioden D1, D3 und D5 mit den
Steuereingängen
G1, G3 und G5 der Halbleiterschalter T1, T3 und T5 der oberen Brückenhälfte verbunden.
Das Teildiodennetzwerk für
die Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenhälfte der
mehrpulsigen Stromrichterschaltung weist ebenfalls eine hochsperrende
Zenerdiode Z2, drei hochsperrende Entkopplungsdioden DU,
DV und DW und drei
niedersperrende Dioden D21, D41 und D61 auf. Diese niedersperrenden
Dioden D21, D41 und D61 sind kathodenseitig mit den Steueranschlüssen G2, G4
und G6 der Halbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brücken hälfte und
anodenseitig mit der Anode der hochsperrenden Zenerdiode Z2 elektrisch
leitend verbunden ist. Kathodenseitig ist diese hochsperrende Zenerdiode
Z2 mit den Kathoden der hochsperrenden Entkopplungsdioden DU, DV und DW verbunden, deren Anoden mit den wechselspannungsseitigen
Anschlüssen
U, V und W der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft sind.
-
In
der 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach 2 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ist
zwischen den kathodenseitigen Anschlüssen der Entkopplungsdioden
D1 bis D6 und den Steueranschlüssen
G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 jeweils
eine Verstärkerstufe 12 geschaltet.
Ausgangsseitig sind diese Verstärkerstufen 12 mit
den Steueranschlüssen
G1 bis G6 der Halbleiterschalter T1 bis T6 verknüpft. Diese Verstärkerstufen 12 können auch
bei den aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen 4 nach
den 3 bis 5 verwendet werden. Durch die
Verwendung dieser Verstärkerstufen 12 wird
die Belastung der Zenerdiode Z1 und der Entkopplungsdiode D1 bis
D6 geringer. Da bei dieser Variante des Diodennetzwerks 10 der
Gatestrom nicht von den Dioden Z1 und D1 bis D6 geführt werden
muss, können
unter Umständen
leistungsmäßig geringer
dimensionierte Bauelemente verwendet werden, die preiswerter ausfallen.
Die benötigten
Gateströme
werden von den Verstärkerstufen 12 generiert.
-
In
der 7 ist eine Schaltungsvariante der Zenerdiode Z1
des Diodennetzwerkes 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach
den 2 bis 6 näher dargestellt. Danach kann
die Zenerdiode Z1, aber auch die Zenerdioden Z2 und Z3 der Diodennetzwerke 10 der
aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
nach 4, durch eine Reihenschaltung 14 einer
hochsperrenden Zenerdiode Z12 und einer niedersperrenden Zenerdiode
Z11 ersetzt werden. Elektrisch parallel zur nieder sperrenden Zenerdiode
Z11 ist ein Kondensator Cp geschaltet. Eine Entladeeinrichtung 16,
die einen Anschluss des Kondensators Cp mit
dem negativen Potential –Ud des Spannungszwischenkreises 8 verbindet,
enthält
eine Reihenschaltung aus einen Entladewiderstand RE und
einer Diode DE. Die Diode DE ist
derart geschaltet, dass die Anode der Diode DE und
ein Anschluss des Entladewiderstandes RE einen
Verbindungspunkt 18 bilden. Mittels dieser Entladeeinrichtung 16 wird
jedes mal nach einem Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 der
Kondensator Cp entladen. Durch diese Schaltung
für die
Zenerdiode Z1 bzw. Z2 bzw. Z3 tritt dynamisch ein früherer Eingriff
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 ein.
-
In
der 8 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 nach
den 2 bis 6 näher dargestellt. Diese vorteilhafte
Ausgestaltung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist
eine Spannungsanhebeeinrichtung 20 auf, die eine Reihenschaltung
eines Widerstandes RA und einer Diode DS aufweist. In der 8 ist ebenfalls
ein Halbleiterschalter T1 mit zugehöriger Treiberstufe 22 dargestellt.
Am Signaleingang 24 dieser Treiberstufe 22 ist ein
Basiswiderstand RT angeschlossen. Ausgangsseitig
ist diese Treiberstufe 22 mittels eines Gatewiderstandes
RG mit dem Steueranschluss G1 des Halbleiterschalters
T1 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 verknüpft. Die
Anode der Diode DS der Spannungsanhebeeinrichtung 20 ist
mit den Anoden der Zenerdiode Z1 und der Entkopplungsdioden D1 bis
D6 des Diodennetzwerks 10 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 verknüpft. Kathodenseitig
ist diese Diode DS mittels des Widerstandes
RA mit dem Signaleingang 24 der
Treiberstufe 22 elektrisch leitend verbunden. Die beiden
Widerstände
RT und RA bilden
einen Spannungsteiler für
eine Anhebespannung am Signaleingang 24 der Treiberstufe 22.
Mit Hilfe dieser Spannungsanhebeeinrichtung 20, die hier
stellvertretend für
alle Halbleiterschalter T1 bis T6 der mehrpulsigen Stromrichterschaltung 2 dargestellt
ist, wird ein weglaufen der Zener spannung der Zenerdiode Z1 bzw.
Z2 bzw. Z3 aufgrund der Belastung beim Ansprechen der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung 4 verhindert.
Außerdem
wird dadurch der Strom der über
die Treiberstufe 22 und dem Gatewiderstand RG abfließt, verringert.
Da bei Halbleiterschaltern T1 bis T6 mit größeren Strömen mit kleinen Gatewiderständen RG geschaltet wird, wirkt sich diese Spannungsanhebeeinrichtung
besonders vorteilhaft aus.