DE10140747A1

DE10140747A1 - Steuer- und Regelverfahren für einen Dreipunkt-Stromrichter mit aktiven Klemmschaltern sowie Vorrichtung hierzu

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Publication number: DE10140747A1
Application number: DE10140747A
Authority: DE
Inventors: Steffen Bernet; Thomas Brueckner
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2002-03-21
Also published as: JP2004509591A; JP4943625B2; KR20020074150A; KR100814349B1

Abstract

Es wird ein Steuer- und Regelverfahren für einen an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossenen ein- oder mehrphasigen Dreipunkt-Stromrichter vorgeschlagen, mit zwei in Serie liegenden Hauptschaltern (T1, T2, T3, T4)/Inversdioden (D1, D2, D3, D4) zwischen jedem Gleichspannungsanschluß und jedem Lastanschluß, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden inneren Hauptschalter (T2, T3) den Lastanschluß bildet und wobei zwischen jeden gemeinsamen Verbindungspunkt eines inneren (T2, T3) mit einem äußeren Hauptschalter (T1, T4) und der Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ein aktiver Klemmschalter (T5, T6) mit Inversdiode (D5, D6) liegt, wodurch zwei mögliche Pfade zur Verbindung eines Lastanschlusses mit der Mittelanzapfung gebildet werden. Unabhängig von der Richtung des Laststromes wird mindestens einer der beiden aktiven Klemmschalter (T5, T6) zusammen mit mindestens einem inneren Hauptschalter (T2, T3) zur Verbindung eines Lastanschlusses mit der Mittelanzapfung eingeschaltet, um derart den Strom während eines Nullzustandes gezielt durch den oberen, den unteren oder durch beide Pfade der Mittelanzapfung zu führen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuer- und Regelverfahren für einen selbstgeführ ten, von einem Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeisten Dreipunkt-Stromrichter mit aktiven Klemmschaltern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vor richtung hierzu. Derartige Stromrichter können sowohl als selbstgeführte Gleichrichter als auch als selbstgeführte Wechselrichter eingesetzt werden. Sie werden vor allem in elektrischen Antrieben mittlerer und großer Leistungen angewendet.

Die Topologie des selbstgeführten, diodengeklemmten Dreipunkt-Stromrichters am Gleichspannungszwischenkreis (Dreipunkt-NPC-Stromrichter) ist allgemein bekannt. Für Einsatzgebiete wie Industrie- oder Traktionsantriebe großer Leistungen (Mit telspannungsantriebe) wird sie auch industriell angewandt. Dabei werden als Haupt schalter zum Beispiel Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT-)Module mit integrierter Inversdiode eingesetzt. Aus Gründen der Modularität, der Vereinfachung des mechani schen Aufbaus oder auch zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Sperrspannungs aufteilung bei der Reihenschaltung von Halbleiterbauelementen in derartigen Strom richtern werden anstelle der Nullpunkt-Klemm-Dioden (NPC-Dioden) häufig auch IGBT- Module als NPC-Schalter (nachfolgend aktive NPC-Schalter oder aktive Nullpunkt- Klemm-Schalter oder aktive Klemmschalter genannt) eingebaut. Diese IGBTs werden dabei entweder durch Kurzschluß der Gate-Emitter-Strecke in den "Aus"-Zustand ge setzt oder auch zur Regelung der Sperrspannungsverteilung im aktiven Bereich betrie ben, während die integrierte Inversdiode die Funktion der NPC-Diode übernimmt.

In Fig. 1 ist ein derartiger allgemein bekannter selbstgeführter, mit NPC-Schaltern be stückter Dreipunkt-Stromrichter am Gleichspannungszwischenkreis oder kurz Drei punkt-NPC-Stromrichter gezeigt. Zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluß und den drei Lastanschlüssen sind jeweils ein äußerer Hauptschalter T1U bzw. T1V bzw. T1W - nachfolgend allgemein mit T1 bezeichnet - und ein innerer Hauptschalter T2U bzw. T2V bzw. T2W - nachfolgend allgemein auch mit T2 bezeichnet - in Reihe angeordnet, wobei jedem äußeren Hauptschalter T1U bzw. T1V bzw. T1W eine Invers diode D1U bzw. D1V bzw. D1W - nachfolgend allgemein auch mit D1 bezeichnet - an tiparallel liegt und jedem innerem Hauptschalter T2U bzw. T2V bzw. T2W eine Invers diode D2U bzw. D2V bzw. D2W - nachfolgend allgemein auch mit D2 bezeichnet - an tiparallel liegt.

Zwischen dem negativen Gleichspannungsanschluß und den drei Lastanschlüssen sind jeweils ein äußerer Hauptschalter T4U bzw. T4V bzw. T4W - nachfolgend allgemein auch mit T4 bezeichnet - und ein innerer Hauptschalter T3U bzw. T3V bzw. T3W - nachfolgend allgemein auch mit T3 bezeichnet - in Reihe angeordnet, wobei jedem äu ßeren Hauptschalter T4U bzw. T4V bzw. T4W eine Inversdiode D4U bzw. D4V bzw. D4W - nachfolgend allgemein auch mit D4 bezeichnet - antiparallel liegt und jedem innerem Hauptschalter T3U bzw. T3V bzw. T3W eine Inversdiode D3U bzw. D3V bzw. D3W - nachfolgend allgemein auch mit D3 bezeichnet - antiparallel liegt. Die lastseiti gen Phasenströme (Lastströme) sind mit i_phU, i_phV, i_phW bezeichnet.

Der gemeinsame Verbindungspunkt von T1U, D1U, T2U und D2U ist über einem akti ven NPC-Schalter T5U mit antiparalleler Inversdiode D5U an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises angeschlossen. Desgleichen liegt der gemeinsame Verbindungspunkt von T1V, D1V, T2V und D2V über einem aktiven NPC-Schalter T5V mit antiparalleler Inversdiode D5V an der Mittelanzapfung des Gleichspannungs- Zwischenkreises. In gleicher Art und Weise ist der gemeinsame Verbindungspunkt von T1W, D1W, T2W und D2W über einem aktiven NPC-Schalter T5W mit antiparalleler Inversdiode D5W an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ange schlossen. Die aktiven NPC-Schalter T5U, T5V, T5W werden nachfolgend allgemein auch mit T5 bezeichnet. Die Inversdioden D5U, D5V, D5W werden nachfolgend auch mit D5 bezeichnet.

Die Mittelanzapfung ist über zwei Kondensatoren gleicher Kapazität mit den beiden Gleichspannungsanschlüssen verbunden. Die Spannung über den Kondensatoren be trägt jeweils V_dc/2 (halbe Zwischenkreisspannung).

Der gemeinsame Verbindungspunkt von T3U, D3U, T4U und D4U ist über einem akti ven NPC-Schalter T6U mit antiparalleler Inversdiode D6U an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises angeschlossen. Desgleichen liegt der gemeinsame Verbindungspunkt von T3V, D3V, T4V und D4V über einem aktiven NPC-Schalter T6V mit antiparalleler Inversdiode D6V an der Mittelanzapfung des Gleichspannungs- Zwischenkreises. In gleicher Art und Weise ist der gemeinsame Verbindungspunkt von T3W, D3W, T4W und D4W über einem aktiven NPC-Schalter T6W mit antiparalleler Inversdiode D6W an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ange schlossen. Die aktiven NPC-Schalter T6U, T6V, T6W werden nachfolgend allgemein auch mit T6 bezeichnet. Die Inversdioden D6U, D6V, D6W werden nachfolgend auch mit D6 bezeichnet.

Eine Untersuchung diodengeklemmter Dreipunkt-NPC-Stromrichter bei sinusförmiger Modulation zeigt, daß die thermische Auslegung dieser Stromrichter von vier kritischen Arbeitspunkten bestimmt wird, welche in nachstehender Tabelle 1 angegeben sind. In jedem dieser vier kritischen Arbeitspunkte ist der Phasenstrom (Laststrom) und damit die Ausgangsleistung des Stromrichters durch die maximal zulässigen Verluste der an diesem kritischen Arbeitspunkt am stärksten beanspruchten Leistungshalbleiter be grenzt. Alle anderen Halbleiter erreichen an den jeweiligen kritischen Arbeitspunkten nur eine niedrigere Sperrschichttemperatur. Da die maximalen Verluste und maximalen Sperrschichttemperaturen der einzelnen Halbleiter in den für sie kritischen Be triebspunkten vergleichbare Werte erreichen, ist ein Ersatz aller Bauelemente durch größere erforderlich, wenn die Ausgangsleistung des Stromrichters gesteigert werden soll.

Ein zusätzlicher kritischer Arbeitspunkt bei Einsatz der Stromrichter in elektrischen An triebssystemen, besonders solchen mit Synchronmaschinen, ist der Anlauf oder Still stand des Antriebes. Dieser Fall ist durch eine sehr niedrige Ausgangsfrequenz des Stromrichters bis zu null Hertz und einen niedrigen Modulationsgrad M gekennzeichnet. Der Phasenstrom (Laststrom) wird in diesem Fall durch die Verluste in den NPC- Dioden begrenzt, was dem Fall 2 in nachstehender Tabelle I entspricht. Bedingt durch die niedrige Ausgangsfrequenz kann eine Phase für eine Zeitdauer mit dem Spitzen wert des Laststromes belastet werden, welche hinreichend ist, um den thermisch sta tionären Zustand zu erreichen. Dadurch reduziert sich der erreichbare Laststrom ge genüber dem Betrieb bei hohen Ausgangsfrequenzen erheblich. Obwohl dieses Pro blem durch eine Verringerung der Schaltfrequenz bei Stillstand verkleinert werden kann, kann bei üblichen Mittelspannungsantrieben eine Reduzierung des Laststromes bei Stillstand gegenüber dem Bemessungsstrom nicht vermieden werden. Anwendun gen wie zum Beispiel Warm- und Kaltwalzwerke verlangen jedoch typischerweise 200% Lastmoment und damit doppelten Laststrom bei Stillstand des Antriebes. Die Erfüllung dieser Bedingung führt folglich in nachteiliger Weise zu einer deutlichen Überdimensio nierung des Dreipunkt-NPC-Stromrichters.

Tabelle I

Kritische Arbeitspunkte im Dreipunkt-Stromrichter

Bezugnehmend auf die obige Abhandlung ist die ungleichmäßige Verteilung der Verlu ste zwischen den einzelnen Halbleiterbauelementen ein wesentlicher Nachteil des diodengeklemmten Dreipunkt-NPC-Stromrichters sowie des wie ein diodengeklemmter Dreipunkt-NPC-Stromrichter betriebenen Dreipunkt-Stromrichters mit aktiven NPC- Schaltern. Daraus folgt auch die relativ geringe Ausnutzung der Halbleiterbauelemente, insbesondere der inneren Hauptschalter. Des weiteren muß festgestellt werden, daß die Möglichkeiten der häufig anstelle der NPC-Dioden eingebauten aktiven NPC- Schalter (mit Inversdioden) zur Beeinflussung der Verteilung der Verluste in den Halb leiterbauelementen bisher nicht aktiv genutzt worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und Regelverfahren für einen Dreipunkt-Stromrichter mit aktiven Klemmschaltern der eingangs genannten Art anzu geben, das die Verlustverteilung zwischen den Halbleiterbauelementen eines Phasen bausteines des Stromrichters allen Arbeitspunkten und auch bei Stillstand des Antrie bes vergleichmäßigt.

Des weiteren soll eine Vorrichtung hierzu angegeben werden.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Steuer- und Regelverfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 11 angege benen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Vergleichmäßigung der Verlustaufteilung zwischen den NPC-Schaltern und den inneren Schaltern in den Fällen 2 und 4 (motorischer oder generatorischer Betrieb mit sehr klei nem Modulationsgrad) nach Tabelle I

- unter Beibehaltung der Ausgangsleistung des Stromrichters durch Anwendung kleinerer Halbleiter als innere Hauptschalter und aktive NPC-Schalter der Auf wand an Halbleitern insgesamt wesentlich reduziert wird oder alternativ
- bei konstanter installierter Schalterleistung eine verringerte Leistungsreduktion bei Stillstand ermöglicht wird.

Weiterhin wird auch die Verringerung der Belastung der äußeren Hauptschalter bzw. Dioden in den kritischen Arbeitspunkten 1 und 3 (motorischer oder generatorischer Be trieb mit maximalem Modulationsgrad) nach vorstehender Tabelle I auf Kosten der in neren Hauptschalter und Dioden erreicht und damit - verbunden mit der eben genann ten Vergleichmäßigung der Verlustaufteilung zwischen den NPC-Schaltern und den inneren Schaltern in den Fällen 2 und 4 - wird eine Steigerung der Ausgangsleistung des Stromrichters (Erhöhung der Leistungsausbeute) oder eine Erhöhung der Schalt frequenz ohne erhöhten Aufwand an Halbleiterbauelementen erzielt.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Dreipunkt-NPC-Stromrichter mit aktiven NPC-Schaltern (Stand der Technik),

Fig. 2, 3 interessierende Stromverläufe bei Kommutierungen,

Fig. 4 Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer positiven Aus gangsspannung,

Fig. 5 Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer negativen Aus gangsspannung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Zusatzkomponente zur konventionellen Steue rung/Regelung eines Dreipunkt-NPC-Stromrichters.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Steuer- und Regelverfah rens soll zunächst auf die Unterschiede zwischen den möglichen Zuständen in einem konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter ohne aktive Klemmschalter oder ohne ak tive Nutzung vorhandener aktiver Klemmschalter und einem Stromrichter mit aktiver Nutzung dieser NPC-Schalter eingegangen werden.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Dreipunkt-Stromrichters mit Spannungszwischenkreis mit aktiven NPC-Schaltern (Stand der Technik), wie bereits eingangs erläutert. Zur Modu lation der Ausgangsspannung wird der wechselspannungsseitige Anschluß jeder Phase jeweils mit der positiven Zwischenkreisschiene (positiver Gleichspannungsanschluß), dem Nullpunkt (Mittelanzapfung) oder der negativen Zwischenkreisschiene (negativer Gleichspannungsanschluß) verbunden. Diese drei Zustände sind mit "+", "0" und "-" bezeichnet. Im konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter existiert für jeden dieser drei Zustände genau eine Kombination von Schalterstellungen, die in nachstehender Tabelle II zusammengefaßt sind. Im "0"-Zustand wird bei positiver Richtung des Last stromes der obere Pfad der Mittelanzapfung vom Strom durchflossen, bei negativer Richtung der untere. Es werden immer sowohl T2 als auch T3 eingeschaltet.

Tabelle II

Schaltzustände im konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter (ohne Benutzung der aktiven Klemmschalter, Stand der Technik)

Werden die aktiven NPC-Schalter jedoch aktiv genutzt, bieten sich mehrere alternative Schalterstellungen zur Realisierung des Zustandes "0" an. Der Laststrom kann durch das Einschalten von T5 und T2 in beiden Richtungen durch den oberen Pfad der Mit telanzapfung bzw. durch das Einschalten von T6 und T3 durch den unteren Pfad der Mittelanzapfung geführt werden. Diese Zustände werden nachfolgend mit "0o2" (für den oberen Pfad) beziehungsweise "0u2" (für den unteren Pfad) bezeichnet. Mit dem Ein schalten von T5 und T2 (T3 und T6 werden bzw. sind ausgeschaltet und können je weils die halbe Zwischenkreisspannung sperren) kann T4 nach einer Kommutierung von "-" nach "0o2" auch im eingeschalteten Zustand verbleiben. Analoges gilt für den Schalter T1 nach einer Kommutierung von "+" nach "0u2". Diese Zustände werden im folgenden als "0o1" (für den oberen Pfad) und "0u1" (für den unteren Pfad) bezeichnet. Weiterhin ist natürlich auch der herkömmliche Zustand "0" wie in vorstehender Tabelle II schaltbar und es besteht die Möglichkeit T2, T3, T5 und T6 gleichzeitig einzuschalten. In diesem Fall ist die Aufteilung des Stromes zwischen oberen und unterem Pfad der Mittelanzapfung durch parasitäre Elemente, die Streuung der Halbleitereigenschaften sowie die Temperaturabhängigkeit der Halbleitereigenschaften (z. B. der Durchlaß spannung) bestimmt. Beide letztgenannten Schaltzustände werden nicht weiter be trachtet.

Für den "+"- und den "-"-Zustand ergeben sich durch aktive Benutzung der aktiven NPC-Schalter keine Alternativen. Die damit insgesamt sechs zur Verfügung stehenden Schaltzustände sind in nachstehender Tabelle III zusammengefaßt.

Tabelle III

Schaltzustände im Dreipunkt-Stromrichter mit Benutzung der aktiven NPC-Schalter

Offensichtlich kann mit der gezielten Auswahl des oberen oder unteren NPC-Pfades die Verteilung der Leitverluste während des "0"-Zustandes beeinflußt werden. Die Leitver luste in den Zuständen "+" und "-" sind dagegen nicht beeinflußbar. Die Kommutierun gen zu oder von den neuen Zuständen bestimmen die Verteilung der Schaltverluste aller Halbleiter.

Alle Kommutierungen finden zwischen zwei Bauelementen statt. Auch wenn mehrere Schalter umgeschaltet werden, fallen maßgebliche Verluste immer nur in einem aktiven Schalter und einer Inversdiode an. Die anderen Schalter schalten im Prinzip ohne Ver luste, da sie vor bzw. nach der Kommutierung entweder keinen Strom führen oder kei ne Sperrspannung übernehmen.

Im folgenden werden die vier Typen von Kommutierungen des vorgeschlagenen Steu erverfahrens der herkömmlichen Kommutierung im Dreipunkt-NPC-Stromrichter ge genübergestellt und ihr Einfluß auf die Verteilung der Verluste erläutert. Exemplarisch wird dabei ein positiver Laststrom und die Modulation einer positiven Ausgangsspan nung betrachtet. Der Brückenzweig wird zwischen der positiven Gleichspannungs schiene (Zustand "+") und der Mittelanzapfung (Nullzustand bzw. "0") hin- und zurück geschaltet.

Nachfolgend wird zunächst die herkömmliche Kommutierung "+" ↔ "0" betrachtet. Oh ne aktive Einbeziehung der aktiven NPC-Schalter kommutiert der Laststrom zwischen T1 und D5. Äußerer Hauptschalter T1 und innerer Hauptschalter T3 werden alternie rend ein- und ausgeschaltet, während T2 und T4 im Ein- bzw. Auszustand verbleiben. Schaltverluste treten in T1 und D5 auf (siehe hierzu auch Fig. 2).

Nachfolgend wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kommutierung "+" ↔ "0o2" betrachtet, bei welcher die NPC-Schalter aktiv einbezogen werden. Der Laststrom wird gezielt auf den oberen Pfad der Mittelanzapfung kommutiert, und zwar unabhängig von der Stromrichtung. Dazu wird zuerst T6 geöffnet (ausgeschaltet), der im "+"-Zustand vorzugsweise eingeschaltet ist. Anschließend wird T1 aus- und unter Beachtung der erforderlichen Totzeit der Klemmschalter T5, d. h. nach erfolgter Kommutierung des Stromes eingeschaltet. Bei der Kommutierung zurück auf "+" erfolgen die inversen Schaltvorgänge in umgekehrter Reihenfolge. Schaltverluste treten wie bei der her kömmlichen Kommutierung jeweils in T1 und D5 auf (siehe Fig. 2).

Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0u2" betrachtet. Der Laststrom wird unab hängig von der Stromrichtung gezielt auf den unteren Pfad der Mittelanzapfung kom mutiert, indem zuerst T1 aus- und unter Beachtung der Totzeit der innere Hauptschalter T3 eingeschaltet und danach auch T2 geöffnet wird. Zunächst wird sich der Laststrom auf den oberen und den unteren Pfad der Mittelanzapfung verteilen. Der Strom im obe ren Pfad kommutiert mit dem Öffnen von T2 ebenfalls auf den bereits leitenden unteren Pfad. Bei der rückwärtigen Kommutierung wird zuerst T2 geschlossen und anschlie ßend T3 geöffnet. Mit dem Einschalten von T1 kommutiert der gesamte Laststrom vom unteren Pfad der Mittelanzapfung zurück auf den "+"-Pfad. Maßgebliche Schaltverluste treten in T1 und D3 auf (siehe Fig. 3).

Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0u1" betrachtet. Wie bei der vorstehend beschriebenen Kommutierung "+" ↔ "0u2" wird der Laststrom unabhängig von der Stromrichtung gezielt auf den unteren Pfad der Mittelanzapfung kommutiert. Die Kom mutierung wird aber durch das Ausschalten von T2 erreicht. T3 wird nach der Totzeit eingeschaltet, T1 bleibt eingeschaltet. Bei der Kommutierung zurück auf "+" erfolgen die inversen Schaltvorgänge in umgekehrter Reihenfolge. Schaltverluste entstehen je weils in T2 und D3 (siehe Fig. 3).

Mit dem Einsatz der Kommutierung "+" ↔ "0u2" lassen sich gegenüber der Kommutie rung "+" ↔ "0o2" und der konventionellen Kommutierung die Schaltverluste von der NPC-Diode D5 auf die innere Inversdiode D3 verlagern. Mit dem Einsatz der Kommu tierung "+" ↔ "0u1" lassen sich zusätzlich die Schaftverluste vom äußeren Schalter T1 auf den inneren Schalter T2 verlagern.

Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0o1" betrachtet. Diese Kommutierung ist gleichwertig mit der Kommutierung "+" ↔ "0o2" und wird nur in Richtung "0o1" → "+" eingesetzt, falls sich der Brückenzweig nach vorheriger Modulation einer negativen Ausgangsspannung im Zustand "0o1" befindet und nachfolgend der Zustand "+" ange ordnet wird. Dazu wird zunächst T4 geöffnet und danach weiter wie bei der Kommutie rung "0o2" → "+" verfahren. Schaltverluste entstehen in T1 und D5.

Die Kommutierungen zwischen dem Zustand "-" und den verschiedenen Nullzuständen sind den vorstehend beschriebenen Kommutierungen äquivalent. Bei negativem Last strom treten die Verluste gegenüber dem Fall des positiven Laststromes jeweils im an tiparallelen Halbleiter auf. In nachstehender Tabelle IV sind die verlustbehafteten Halbleiter für sämtliche Kommutierungen angegeben. Die den Halbleiterschaltern zu zuführenden Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer positiven Aus gangsspannung zeigt Fig. 4, während Fig. 5 die bei Modulation einer negativen Aus gangsspannung den Halbleiterschaltern zuzuführenden Schaltsignale zeigt.

Tabelle IV

Schaltverluste bei Kommutierungen im Dreipunkt-Stromrichter mit aktiver Benutzung der aktiven NPC-Schalter

Durch den gezielten Einsatz aller oben beschriebenen Kommutierungen, ist es möglich, die Verluste (und damit die Sperrschichttemperaturen) von je zwei Schaltergruppen einander anzunähern. Bei maximaler Belastung äußerer Halbleiterbauelemente bei großem Modulationsgrad (Fälle 1 und 3 nach vorstehender Tabelle I) werden durch geeignete Auswahl der Nullzustände die Sperrschichttemperaturen der äußeren und der inneren Halbleiter bzw. Hauptschalter einander angenähert. Die Sperrschichttempe ratur der NPC-Schalter liegt dabei auf einem niedrigeren Niveau. Bei maximaler Bela stung der NPC-Dioden oder der inneren Halbleiterschalter bei kleinem Modulationsgrad (Fälle 2 und 4 nach vorstehender Tabelle I) werden durch geeignete Auswahl der Null zustände die Sperrschichttemperaturen der NPC- und der inneren Halbleiter einander angenähert. Dabei liegt die Sperrschichttemperatur der äußeren Halbleiter bzw. Haupt schalter auf einem niedrigeren Niveau.

Die vorstehend erläuterte Funktion wird durch eine Regelung der Sperrschichttempe ratur der Halbleiterbauelemente bzw ein Steuerungs- und Regelungssystem erfüllt, welches die Verluste und daraus die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiterbauele mente kontinuierlich ermittelt, aus den Schaltkommandos der überlagerten Strom richterregelung (PWM, DTC) und der Information über die Sperrschichttemperaturen geeignete Schaltzustände ("0o2", "0o1", "0u1" oder "0u2") auswählt und daraus die er forderlichen Ansteuersignale für die Halbleiterschalter generiert. Das Steuerungssystem unter aktiver Einbeziehung der aktiven Klemmschalter ist lediglich eine Zusatzkompo nente zur konventionellen Steuerung des Dreipunkt-Stromrichters und ersetzt selbst verständlich nicht den Modulator einer Pulsbreitenmodulation (PWM) oder die Regler einer direkten Regelung.

Ein Blockschaltbild des vorgeschlagenen Systems ist in Fig. 6 dargestellt. Ein Modula tor 1 (PWM bzw. Pulse-Width-Modulation oder DTC bzw. Direct-Torque-Control) führt einem Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 Schaltzustandskommandos (Sollwerte) zu. Diesem Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 liegen die Sperrschichttemperatu ren aller Halbleiter und die Lastströme i_phU, i_phV, i_phW vor. Im Temperaturregler erfolgt dabei die Auswahl der Kommutierungsvorgänge und Nullzustände entsprechend einer optimalen Sperrschichttemperaturverteilung der Halbleiter. Der Ansteuerautomat reali siert dabei die Ausgabe der erforderlichen Ansteuersignale für alle Halbleiterschalter unter Beachtung der Schaltreihenfolge während der Kommutierungen.

Der Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 gibt ausgangsseitig Steuersignale für alle Halbleiterschalter (äußere Hauptschalter, innere Hauptschalter, NPC-Schalter) ab. Diese Steuersignale werden des weiteren einem Eingang einer On-line-Berechnung 3 der Schalt- und Leitverluste zugeleitet. Eingangsseitig werden der On-line-Berechnung 3 ferner die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter, die Zwischenkreisspannung V_dc/2, die Lastströme i_phU, i_phV, i_phW sowie die Signale eines Bauglieds 5 zugeleitet, in welchem Halbleiter-Verlustapproximationen gespeichert sind.

Das Ausgangssignal der On-line-Berechnung 3 gelangt zu einer On-line-Berechnung 4 der Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter, welche eingangsseitig die aktuelle Kühl mitteltemperatur der Halbleiter und Signale eines thermischen Stromrichtermodells 6 empfängt. Die On-line-Berechnung 4 gibt ausgangsseitig die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter ab.

In nachstehender Tabelle V ist exemplarisch ein Verfahren angegeben, welches sich für die Auswahl der Kommutierungsvorgänge eignet. Es ist sowohl für den Einsatz mit einer PWM als auch mit direkten Regelverfahren wie Direct-Torque-Control (DTC) oder Direkter Selbstregelung (DSR) geeignet. Es stellt sicher, das immer jener Halbleiter mit der momentan höchsten Sperrschichttemperatur bei der folgenden Kommutierung nicht mit Schaltverlusten belastet wird. Die Leitverluste der Halbleiter sind in diesem Aus wahlverfahren nicht berücksichtigt. Für den üblichen Fall, daß die Leitverluste allein nicht zur Erwärmung eines Halbleiters auf die maximale Sperrschichttemperatur führen, gewährleistet dieses Verfahren eine möglichst gleichmäßige Sperrschichttemperatur verteilung.

Tabelle V

Entscheidungstafel für Kommutierungen in den Nullzustand

Eine Verbesserung des oben genannten Verfahrens wird durch eine Einbeziehung der im kommenden Nullzustand zu erwartenden Leitverluste der Halbleiter im stationären Betrieb in die Berechnung erreicht. Bei Anwendung in einer PMW ist die Dauer des fol genden Nullzustandes bekannt, bei Anwendung eines direkten Regelverfahrens, wie beispielsweise DTC, kann deren Dauer aus dem Maschinenmodell vorausberechnet werden. Damit kann die Kommutierungsart in den Nullzustand so gewählt werden, daß nach der Kommutierung und dem anschließenden Nullzustand die höchste auftretende Sperrschichttemperatur eines Halbleiters minimal ist.

Das vorgeschlagene Steuerverfahren schafft größte Vorteile in Schaltungen, bei denen die Halbleiter an der Grenze ihrer thermischen Leistungsfähigkeit arbeiten, aber in der Lage sind, höhere Ströme ein- und auszuschalten, wie dies zum Beispiel bei IGBTs im allgemeinen der Fall ist. Dann wird mittels des Verfahrens eine Steigerung der Aus gangsleistung des Stromrichters ohne erhöhten Aufwand an Halbleiterbauelementen erzielt. Sind die aktiven NPC-Schalter bereits eingebaut, etwa als IGBT-Module, wer den aber nicht aktiv genutzt, bietet sich das Verfahren besonders an. Das Verfahren ist aber auch für Stromrichter sinnvoll, bei denen die aktiven NPC-Schalter zusätzlich ein gebaut werden müssen, da dieser Mehraufwand gegenüber der erreichbaren Steige rung der Ausgangsleistung des Stromrichters klein ist. Arbeiten die eingesetzten Halb leiter bereits an der Grenze ihres maximal zulässigen abschaltbaren Stromes, so daß eine Steigerung der Ausgangsleistung nicht in Frage kommt, ist bei Einsatz des vorge schlagenen Steuerverfahrens eine Erhöhung der Schaltfrequenz des Stromrichters oh ne erhöhten Aufwand an Halbleiterelementen möglich. Das zweite Ziel, die Verringe rung der erforderlichen Leistungsreduzierung bei geringen Grundfrequenzen, wird ebenfalls erreicht.

Aus der vorstehend behandelten Tabelle III ist ersichtlich, daß die NPC-Schalter immer dann eingeschaltet sind, wenn im konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter ohne aktive NPC-Schalter die entsprechenden NPC-Dioden die Spannung über den äußeren Schaltern auf V_dc/2 klemmen, d. h. im Zustand "+" ist T6 eingeschaltet und im Zustand "-" ist T5 eingeschaltet. Im Unterschied zum konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrich ter ohne aktiv genutzte NPC-Schalter ist damit die gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen T3 und T4 im Zustand "+" und zwischen T1 und T2 im Zustand "-" unabhän gig von der Verteilung der Leckströme der Halbleiter und ohne zusätzliche passive Symmetrierwiderstände gewährleistet. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist somit die Einsparung passiver Komponenten und der Symmetrierverluste.

Das vorgeschlagene Verfahren und die Steuervorrichtung kann in allen gängigen Drei punkt-NPC-Stromrichtern mit aktiven NPC-Schaltern realisiert werden, bei welchen alle aktiven Schalter durch abschaltbare Halbleiterbauelemente realisiert sind, z. B. durch IGBTs, IGCTs, MCTs, MTOs, MOSFETs oder Siliziumkarbid-(SiC-)Bauelemente im plementiert, wie Mittelspannungsstromrichter für Industrieanwendungen, Traktion oder HVDC-Light.

Claims

1. Steuer- und Regelverfahren für einen an einem Gleichspannungs- Zwischenkreis angeschlossenen ein- oder mehrphasigen Dreipunkt-Stromrichter, mit zwei in Serie liegenden Hauptschaltern (T1, T2, T3, T4)/Inversdioden (D1, D2, D3, D4) zwischen jedem Gleichspannungsanschluß und jedem Lastanschluß, wobei der ge meinsame Verbindungspunkt der beiden inneren Hauptschalter (T2, T3) den Lastan schluß bildet und wobei zwischen jedem gemeinsamen Verbindungspunkt eines inne ren (T2, T3) mit einem äußeren Hauptschalter (T1, T4) und der Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ein aktiver Klemmschalter (T5, T6) mit Inversdiode (D5, D6) liegt, wodurch zwei mögliche Pfade zur Verbindung eines Lastanschlusses mit der Mittelanzapfung gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von der Richtung des Laststromes mindestens einer der beiden aktiven Klemmschalter (T5, T6) zusammen mit mindestens einem inneren Hauptschalter (T2, T3) zur Verbindung eines Lastanschlusses mit der Mittelanzapfung eingeschaltet wird, um derart den Strom während eines Nullzustandes gezielt durch den oberen, den unteren oder durch beide Pfade der Mittelanzapfung zu führen.

2. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kommutierung von einem der äußeren - positiven oder negativen - Gleich spannungsanschlüsse auf den mittleren Gleichspannungsanschluß bzw. die Mittelan zapfung derart erfolgt, daß zunächst derjenige äußere Hauptschalter (T1, T4), der mit dem betreffenden äußeren Gleichspannungsanschluß direkt verbunden ist, ausge schaltet wird und daß anschließend nach einer Totzeit der aktive Klemmschalter (T5, T6) in derselben Brückenhälfte eingeschaltet wird.

3. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kommutierung von einem der äußeren - positiven oder negativen - Gleich spannungsanschlüsse auf den mittleren Gleichspannungsanschluß bzw. die Mittelän zapfung derart erfolgt, daß zunächst derjenige äußere Hauptschalter (T1, T4), der mit dem betreffenden äußeren Gleichspannungsanschluß direkt verbunden ist, ausge schaltet wird, daß anschließend nach einer Totzeit der innere Hauptschalter (T2, T3) in der anderen Brückenhälfte eingeschaltet wird und daß nach einer weiteren Totzeit der jenige innere Hauptschalter (T2, T3), welcher sich in derselben Brückenhälfte wie der ausgeschaltete äußere Hauptschalter (T1, T4) befindet, ausgeschaltet wird.

4. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kommutierung von einem der äußeren - positiven oder negativen - Gleich spannungsanschlüsse auf den mittleren Gleichspannungsanschluß bzw. die Mittelan zapfung derart erfolgt, daß zunächst derjenige innere Hauptschalter (T2, T3), der mit dem betreffenden äußeren Gleichspannungsanschluß über einen äußeren Haupt schalter (T1, T4) verbunden ist, ausgeschaltet wird und daß anschließend nach einer Totzeit der innere Hauptschalter (T2, T3) in der anderen Brückenhälfte eingeschaltet wird.

5. Steuer- und Regelverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung der aktiven Klemmschalter (T5, T6) in Abhängigkeit der momentanen thermischen Belastung der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) erfolgt.

6. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung der aktiven Klemmschalter (T5, T6) derart erfolgt, daß immer je ner Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) mit der momentan höchsten Sperrschichttempe ratur bei der folgenden Kommutierung nicht mit Schaltverlusten belastet wird.

7. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Schaltzustandskommandos einer überlagerten Stromrichterregelung, den Phasenströmen und den Sperrschichttemperaturen der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) die Steuersignale für die Halbleiterschalter (T1 bis T6) gebildet werden, welche die momentane thermische Belastung der Halbleiter berücksichtigen.

8. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschichttemperaturen derjenigen Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) mitein ander verglichen werden, welche in Abhängigkeit von der zu modulierenden Spannung und der Richtung des Laststromes bei der nächsten Kommutierung in einen Nullzu stand potentiell mit Schaltverlusten belastet werden könnten und daß der nächste Null zustand so ausgewählt wird, daß derjenige der verglichenen Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) mit der höchsten Sperrschichttemperatur bei der folgenden Kommutierung nicht mit Schaltverlusten belastet wird.

9. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine On-Line-Berechnung der Schalt- und Leitverluste in Abhängigkeit der Steuersignale, der Zwischenkreisspannung, der Phasenströme, der Sperrschicht temperaturen und von Verlustapproximationen der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) erfolgt.

10. Steuer- und Regelverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine On-Line-Berechnung der Sperrschichttemperaturen in Abhängigkeit der Schalt- und Leitverluste, der Kühlmitteltemperatur und eines thermischen Stromrich termodells erfolgt.

11. Steuer- und Regelvorrichtung für einen an einem Gleichspannungs- Zwischenkreis angeschlossenen ein- oder mehrphasigen Dreipunkt-Stromrichter, mit zwei in Serie liegenden Hauptschaltern (T1, T2, T3, T4)/Inversdioden (D1, D2, D3, D4) zwischen jedem Gleichspannungsanschluß und jedem Lastanschluß, wobei der ge meinsame Verbindungspunkt der beiden inneren Hauptschalter (T2, T3) den Lastan schluß bildet und wobei zwischen jedem gemeinsamen Verbindungspunkt eines inne ren (T2, T3) mit einem äußeren Hauptschalter (T1, T4) und der Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ein aktiver Klemmschalter (T5, T6) mit Inversdiode (D5, D6) liegt, wodurch sich zwei mögliche Pfade zur Verbindung eines Lastanschlus ses mit der Mittelanzapfung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturregler + Ansteuerautomat (2) vorgesehen ist, welcher aus den Schaltzustandskommandos eines Modulators (1), den Phasenströmen und den Sperrschichttemperaturen der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) Steuersignale für die Halbleiterschalter (T1 bis T6) bildet.

12. Steuer- und Regelvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß eine erste On-line-Berechnung (3) eingangsseitig die Steuersignale für die Halbleiterschalter (T1 bis T6), die Sperrschichttemperaturen der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6), die Phasenströme, die Zwischenkreisspannung und die Signale eines Bauglieds (5), in welchem Halbleiter-Verlustapproximationen gespeichert sind, emp fängt und ausgangsseitig berechnete Schalt- und Leitverluste abgibt.

13. Steuer- und Regelvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß eine zweite On-line-Berechnung (4) eingangsseitig die Signale der ersten On- line-Berechnung (4), die Kühlmitteltemperatur und Signale eines thermischen Strom richtermodells (6) empfängt und ausgangsseitig die Sperrschichttemperaturen der Halbleiter (T1 bis T6, D1 bis D6) abgibt.