DE102004041206A1 - Voltage converter circuit uses SiC Schottky diodes as power diodes to provide attenuation of oscillations - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung mit wenigstens einem elektrisch parallel zu einem Spannungszwischenkreis geschalteten Brückenzweigmodul mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleitern, denen jeweils als Leistungsdiode eine SiC-Schottky-Diode elektrisch antiparallel geschaltet sind.The The invention relates to a power converter circuit having at least an electrically connected in parallel with a voltage intermediate circuit Bridge arm module with two turn-off power semiconductors connected electrically in series, each of which as a power diode, a SiC Schottky diode electrically are connected in anti-parallel.
Seit einiger Zeit werden bei Stromrichterschaltungen Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) als Stromrichterventile eingesetzt. Die besonderen herausragenden Eigenschaften von IGBT's sind kleine Schaltzeiten und folglich niedrige Schaltverluste, weite sichere Arbeitsbereiche, günstige Kurzschlusscharakteristik, sowie die nahezu leistungslose Ansteuerung durch seinen MOS-Eingang. Aus der stetigen Weiterentwicklung zum noch schnelleren Schalten, geringere Sättigungsspannung, höheren Kollektorströmen bis 1200A und Sperrspannungen bis 1700V werden IGBT's bis zu Leistungen im MW-Bereich eingesetzt. Die verfügbaren IGBT-Hochleistungsmodule finden ihren Einsatz auch in der Traktion im Nahverkehr. Hier lässt sich mit den IGBT's vor allem der Wunsch nach hoher Regeldynamik und Minimierung der Geräusche mit möglichen Schaltfrequenzen bis 20kHz beim harten Schalten im Wechsel mit einer Freilaufdiode realisieren.since For some time, inverter circuits use insulated gate bipolar transistors (IGBTs). used as power converter valves. The special outstanding Properties of IGBT's are small switching times and consequently low switching losses, wide safe work areas, favorable short-circuit characteristics, as well as the virtually powerless control through its MOS input. Out the steady advancement to even faster shifting, lower Saturation voltage, higher collector currents Up to 1200A and reverse voltages up to 1700V will be IGBT's up to power used in the MW range. The available IGBT high performance modules also find their use in traction in local traffic. Here you can join especially the IGBT's the desire for high control dynamics and minimizing the noise with possible Switching frequencies up to 20kHz for hard switching alternating with one Realize freewheeling diode.
Diese Freilaufdioden sind jeweils einem abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter, insbesondere einem IGBT, elektrisch antiparallel geschaltet. Bei herkömmlichen Stromrichterschaltungen sind als Freilaufdioden so genannte pin-Dioden vorgesehen, da die auftretenden Spannungen bei diesen Stromrichterschaltungen größer 100V sind. Diese Dioden weisen eine Durchlassspannung von etwa 2V auf. Bei höher sperrenden Bau elementen liegt die Durchlassspannung höher, typischerweise bei 4V.These Freewheeling diodes are each a turn-off power semiconductor switch, in particular an IGBT, electrically connected in anti-parallel. In conventional Converter circuits are free-wheeling diodes called pin diodes provided because the voltages occurring in these converter circuits greater than 100V are. These diodes have a forward voltage of about 2V. at higher blocking Construction elements, the forward voltage is higher, typically at 4V.
Der Übergang von Durchlass- in dem Sperrbereich erfolgt bei einer pin-Diode nicht momentan, da zunächst die im pn-Übergang gespeicherte Ladung abgebaut werden muss. Die dazu benötigte Zeit ist die Speicherzeit, die umso größer ist, je größer der Durchlassstrom vor dem Übergang war. Bei Leistungsdioden liegt diese Speicherzeit im μsec-Bereich. Bei der Kommutierung des Freilaufstromes durch eine Freilaufdiode auf einen Leistungshalbleiter geschieht dies bei hoher Spannung am Leistungshalbleiter. Durch die gespeicherte Ladung in der Leistungsdiode wird der Leistungshalbleiter, auf den der Freilaufstrom kommutiert, während des Ablaufs der Speicherzeit zunächst mit einem Rückstrom der Leistungsdiode belastet. Dadurch erhöhen sich die Schaltverluste der Leistungshalbleiter. Diese Schaltverluste haben bei hohen Pulsfrequenzen der Stromrichterschaltung wesentlichen Einfluss auf die leistungsmäßige Ausnutzbarkeit der Stromrichterschaltung. Durch diese vorhandene Schaltzeit der Leistungsdioden kann die mögliche Schaltzeit von IGBT nicht immer ausgenutzt werden.The transition Pass-through in the stopband is not done on a pin diode right now, there first the in pn transition stored charge must be reduced. The time required is the storage time, which is the greater the larger the forward current before the transition was. For power diodes, this storage time is in the μsec range. When commutating the freewheeling current through a freewheeling diode On a power semiconductor this happens at high voltage on the power semiconductor. Due to the stored charge in the power diode becomes the power semiconductor to which the freewheel current commutates, while the expiry of the storage time first with a return current the power diode loaded. This increases the switching losses the power semiconductor. These switching losses have high pulse frequencies the converter circuit has a significant influence on the performance exploitation the converter circuit. Due to this existing switching time of Power diodes can be the possible Switching time of IGBT can not always be exploited.
Aus
der
Der Nachteil dieser SiC-Schottky-Diode als Leistungsdiode in einer Stromrichterschaltung ist die sprunghafte Stromänderung. Diese Stromänderung bringt einen parasitären Schwing kreis zur Anregung. Dieser parasitäre Schwingkreis besteht aus parasitären Kapazitäten und parasitären Induktivitäten der Leistungshalbleiter eines Brückenzweigmoduls. Die Schwingfrequenz dieses parasitären Schwingkreises wird durch parasitäre Effekte der Leistungshalbleiter und dem Aufbau des Brückenzweigmoduls erzeugt. Das dieser parasitäre Schwingkreis, der nun mal bei Stromrichterschaltungen immer vorhanden ist, nun angeregt wird, dafür ist die sprunghafte Stromänderung der Schottky-Diode aus Siliziumkarbid beim Abschalten dieser SiC-Schottky-Diode verantwortlich. Eine Folge dieser Anregung ist die Anhebung der Schaltverluste und Schwierigkeiten bei der Einhaltung von EMV-Normen.Of the Disadvantage of this SiC Schottky diode as a power diode in a converter circuit is the sudden change in current. This current change brings a parasitic Oscillating circle for excitation. This parasitic resonant circuit consists of parasitic capacities and parasitic inductors the power semiconductor of a bridge branch module. The oscillation frequency of this parasitic resonant circuit is through parasitic Effects of power semiconductors and the construction of the bridge branch module generated. This parasitic Oscillating circuit, which is always present in the case of converter circuits is now being stimulated for it is the sudden change in current the Schottky diode made of silicon carbide when switching off this SiC Schottky diode responsible. One consequence of this excitation is the increase in switching losses and difficulties in complying with EMC standards.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die Stromrichterschaltung mit SiC-Schottky-Dioden als Leistungsdioden derart weiterzubilden, dass diese angeregten Schwingungen im Strom gedämpft werden.Of the Invention is now based on the object, the power converter circuit with SiC Schottky diodes as power diodes in such a way that these excited vibrations are damped in the stream.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention this Task solved with the characterizing features of claim 1.
Dadurch, dass die Stromrichterschaltung mit einem Filter versehen ist, das auf die Frequenz einer angeregten Stromschwingung abgestimmt ist, wird ein Großteil der Schwingung eines angeregten parasitären Schwingkreises bedämpft.Thereby, the converter circuit is provided with a filter which tuned to the frequency of an excited current swing, will be a big part damped the vibration of an excited parasitic resonant circuit.
Als Filter ist ein RC-Glied vorgesehen, der auf die Frequenz des parasitären Schwingkreises abgestimmt ist. Ein Großteil der Schwingung wird im Widerstand dieses RC-Gliedes in Wärme umgesetzt und somit bedämpft. Der Kondensator dieses RC-Gliedes dient dazu, dass dieses Filter nur während des Schaltens aktiv ist.As a filter, an RC element is provided, which is tuned to the frequency of the parasitic resonant circuit. Much of the vibration is in the Resistance of this RC element converted into heat and thus damped. The capacitor of this RC element ensures that this filter is active only during switching.
Zur Bedämpfung der Schwingung des angeregten parasitären Schwingkreises kann auch ein Saugkreis vorgesehen sein. Die Resonanzfrequenz entspricht etwa der Frequenz der Schwingung des angeregten parasitären Schwingkreises.to attenuation The oscillation of the excited parasitic resonant circuit can also be provided a suction circuit. The resonance frequency corresponds approximately the frequency of the oscillation of the excited parasitic resonant circuit.
Ferner kann auch ein aktives Filter vorgesehen sein, das den schwingenden Stromverlauf ermittelt, über eine Spektralanalyse die auftretende Schwingungsfrequenz ermittelt und die Filterfrequenz auf diese Schwingungsfrequenz abstimmt. Diese Filtermethode ist dann vorzusehen, wenn die Frequenz der Schwingungsfrequenz vom Modul zu Modul schwankt, bzw. vom Aufbau des Moduls abhängig ist.Further can also be provided an active filter that the oscillating Current flow determined, over a spectral analysis determines the occurring vibration frequency and tunes the filter frequency to this oscillation frequency. These Filter method is to be provided when the frequency of the oscillation frequency varies from module to module, or depends on the structure of the module.
Um ein gutes Resultat der Dämpfung zu erreichen, ist das Filter derart in der Stromrichterschaltung anzuordnen, dass das Dämpfungsglied so nah wie möglich am Leistungshalbleiter angebracht ist. Diese Forderung wird am besten erfüllt, wenn die Filtermaßnahmen im Brückenzweigmodul der Stromrichterschaltung integriert sind.Around a good result of damping to reach, the filter is so in the power converter circuit to arrange that the attenuator as close as possible attached to the power semiconductor. This requirement is best Fulfills, if the filter measures in the bridge branch module the power converter circuit are integrated.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung schematisch veranschaulicht sind.to further explanation The invention is referred to the drawing, in which several embodiments the power converter circuit according to the invention are illustrated schematically.
Die
Außerdem weist diese Stromrichterschaltung parasitäre Kapazitäten und parasitäre Induktivitäten auf, die jeweils durch eine parasitäre Kapazität Cp1 und durch eine parasitäre Induktivität Lp1 in dieser Stromrichterschaltung veranschaulicht sind. Diese parasitären Elemente Cp1 und Lp1 bilden einen parasitären Schwingkreis mit einer zugehörigen Schwingkreisfrequenz. Beim Abschalten einer SiC-Schottky-Diode D1 bzw. D2 wird dieser parasitäre Schwingkreis angeregt, wodurch es zu Stromschwingungen im Strom durch den abschaltbaren Leistungshalbleiter S2 bzw. S1 kommt, auf dem der Strom durch die SiC-Schottky-Diode D1 bzw. D2 kommutiert.In addition, points this converter circuit has parasitic capacitances and parasitic inductances, each by a parasitic Capacity Cp1 and by a parasitic inductance Lp1 are illustrated in this power converter circuit. These parasitic Elements Cp1 and Lp1 form a parasitic resonant circuit with a associated resonant circuit frequency. When switching off a SiC Schottky diode D1 or D2 this is parasitic Resonant circuit excited, causing current oscillations in the current comes through the turn-off power semiconductor S2 or S1, on the current through the SiC Schottky diode D1 or D2 commutated.
Dieser
schwingende Stromverlauf ist in dem Diagramm gemäß
Bei
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung
ist gemäß
Es
kann jedoch sein, dass die Frequenz des parasitären Schwingkreises abhängig vom
Aufbau des Brückenzweigmoduls
Um
ein gutes Resultat der Dämpfung
zu erreichen, muss das jeweilige Dämpfungsglied R4 so nah wie
möglich
an den abschaltbaren Leistungsableitern S1 und S2 des Brückenzweigmoduls
Dieses
Brückenzweigmodul
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer
bekannten Stromrichterschaltung mit wenigstens einem Brückenzweigmodul
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ID=36011224
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2004
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