DE4042378A1 - Symmetrical switch discharge system for inverter branch pair - uses gate controlled semiconductor switches connected to DC voltage source - Google Patents

Symmetrical switch discharge system for inverter branch pair - uses gate controlled semiconductor switches connected to DC voltage source

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Abstract

Two free wheeling diodes (D1, D2) are respectively in anti-parallel with a semiconductor switch (T1, T2) and a series circuit consisting of a common switch off discharge capacitor (CS), a switch off discharge diode (DS1, DS2) and a storage capacitor (CO1, CO2). A connection of each capacitor makes contact with one of the poles of the DC source (Ud) via an ohmic resistance (RO1, RO2). The choke coils are built as linear choke coils (LK1, LK2), limiting the current rise with the switching on of one of the semiconductor switches. The other connection (not lying at the AC terminal) of the switch off discharge capacitor is connected at the junction of the two storage capacitors, not connected to the ohmic resistance. One of connections of the ohmic resistances is connected directly with one of the poles of the DC voltage source (Ud), and the other connection is applied at the junction of the switch off discharge diode and the storage capacitor within the respective series circuit. USE/ADVANTAGE - Symmetrical switching discharge system for inverter branch pair formed from gate controlled semiconductor switches. Known circuit improved, so that switching discharge is possible at low cost without disadvantages of unsymmetrical commercial system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der EP 03 35 169 A1 bekannt.The invention relates to a circuit arrangement according to the Ober concept of claim. Such a circuit arrangement is from the EP 03 35 169 A1 known.

Unter gategesteuerten (Leistungs-) Halbleiterschaltern sind hierbei GTO-Thy­ ristoren, aber auch alle sonstigen über ihren Steueranschluß ein- und abschalt­ bare Halbleiterschaltelemente zu verstehen.GTO-Thy are among gate-controlled (power) semiconductor switches Ristors, but also all other on and off via their control connection understandable semiconductor switching elements.

Bei der Schaltungsanordnung nach der zuvor erwähnten EP 03 35 169 A1 ist der aus den gategesteuerten Halbleiterschaltern und den ihnen antiparallel­ liegenden Freilaufdioden bestehende Wechselrichterleistungsteil über je eine als sättigbare Stufendrossel ausgebildete Drosselspule mit dem positiven bzw. negativen Pol der speisenden Gleichspannungsquelle verbunden. Zur Schaltent­ lastung der Halbleiterschalter dient ein Beschaltungsnetzwerk. In diesem be­ wirkt ein aus einem Abschaltentlastungskondensator, zwei Speicherkondensatoren und zwei Abschaltentlastungsdioden bestehender Teil eine gleichmäßige Abschalt­ entlastung und ein aus zwei weiteren linearen Stromanstiegsbegrenzungsdrosseln und vier Rückspeisedioden bestehender Teil eine gleichmäßige Einschaltent­ lastung des jeweiligen Halbleiterschalters. Mit Hilfe der Stufendrosseln wird der Leistungsteil und das Beschaltungsnetzwerk insbesondere während des Einschaltvorganges einer der Halbleiterschalter vorübergehend so von der Gleichspannungsquelle abgekoppelt, daß die zwischengespeicherten Beschaltungs­ energien teilweise in die Last eingespeist bzw. in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist werden.In the circuit arrangement according to the aforementioned EP 03 35 169 A1 that of the gate-controlled semiconductor switches and their anti-parallel existing freewheeling diodes existing inverter power section over one each Choke coil designed as a saturable step choke with the positive or negative pole of the feeding DC voltage source connected. For switching ent load of the semiconductor switch serves a wiring network. In this be acts from a shutdown relief capacitor, two storage capacitors and two shutdown relief diodes existing part a smooth shutdown relief and one of two further linear current limiting chokes and four feedback diodes consisting of an even part load of the respective semiconductor switch. With the help of step chokes the power section and the wiring network especially during Switching on one of the semiconductor switches temporarily so from the  DC voltage source decoupled that the cached circuitry energies partly fed into the load or into the DC voltage source be fed back.

Des Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln macht die Dimensionierung der Schaltelemente wegen der variablen Arbeitspunkte problematisch. Auch ist das Kurzschlußverhalten ungünstig, da insbesondere im Sättigungsfall der Stu­ fendrossel der Strom bei einem Zweigkurzschluß zusätzlich zu begrenzen ist. Die nur teilweise Energierückspeisung ist darüber hinaus wenig effektiv. Da­ gegen ist der Aufwand für diese bekannte Schaltentlastung wegen der vielen Bauelemente recht hoch.The use of the saturable step chokes makes the dimensioning of the Switching elements problematic because of the variable operating points. Is too the short-circuit behavior unfavorable, since the stu If the branch is short-circuited, the current must also be limited. The only partial energy recovery is also not very effective. There against is the effort for this known switching relief because of the many Components quite high.

Mit erheblich weniger Aufwand arbeiten Schaltentlastungsschaltungen mit un­ symmetrischem Aufbau. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE 32 44 623 A1 bekannt. Bei dieser ist nur einer der beiden Leistungshalb­ leiterschalter mit einem Abschaltentlastungskondensator beschaltet, und der Speicherkondensator liegt zu den beiden Halbleiterschaltern parallel. Der Ab­ schaltentlastungskondensator begrenzt beim Aufladen den Spannungsanstieg am ihm parallelliegenden Halbleiterschalter und beim Entladen am zweiten Halb­ leiterschalter. Diese Entladung ist jedoch problematisch, da der Abschaltstrom des zweiten Halbleiterschalter über die beiden Kondensatoren nach dem Minus­ potential der Gleichspannungsquelle fließt. Die Induktivität dieses Kreises muß sehr klein sein, damit die geringe, maximal zulässige erste Spannungsspitze beim Ansteigen der Spannung (d. h. die sogenannte Vorwärts-Nadelspannung) nicht überschritten wird. Das führt zu relativ komplizierten und damit teueren Verbindungen des Speicherkondensators in der Schaltung. Die Serieninduktivität des Speicherkondensators muß darüber hinaus ebenfalls gering sein. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmenden Werten von Strom und Spannung, so daß unter anderem der enge Einbau der Konstruktion einer Luftkühlung erschwert sowie Montage und Service behindert werden.Switch relief circuits work with un with much less effort symmetrical structure. Such a circuit arrangement is through the DE 32 44 623 A1 known. This is only one of the two power levels conductor switch connected with a cut-off relief capacitor, and the Storage capacitor is parallel to the two semiconductor switches. The Ab Switching relief capacitor limits the voltage rise on charging parallel semiconductor switch and when discharging on the second half conductor switch. However, this discharge is problematic because of the shutdown current of the second semiconductor switch via the two capacitors after the minus potential of the DC voltage source flows. The inductance of this circuit must be very small so that the low, maximum permissible first voltage peak as the tension increases (i.e. the so-called forward needle tension) is not exceeded. This leads to relatively complicated and therefore expensive Connections of the storage capacitor in the circuit. The series inductance the storage capacitor must also be low. This Problem increases with increasing values of current and voltage, so that among other things the tight installation of the construction of an air cooling difficult and assembly and service are hindered.

Insbesondere bei Wechselrichtern höherer Leistung (d. h. höherer Zwischenkreis­ spannung als Gleichspannungsquelle eines einen derartigen Wechselrichrer auf­ weisenden Umrichters) wird die Strombelastung des Abschaltentlastungskonden­ sators sehr hoch und es tritt zudem eine hohe erste Spannungsspitze am zweiten Halbleiterschalter auf. Especially for inverters with higher power (i.e. higher DC link voltage as a DC voltage source of such an inverter pointing converter), the current load of the sator very high and there is also a high first voltage peak second semiconductor switch.  

Um dieses zu verhindern, eignen sich symmetrische Schaltungsanordnungen, wie sie aus der eingangs genannten EP 03 35 169 A1 bekannt sind oder wie sie mit der DE-Patentanmeldung 39 15 310.2 vorgeschlagen sind, bei denen jedem der Halbleiterschalter ein Abschaltentlastungskreis aus Abschaltent­ lastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode parallelliegt. Damit wird aber auch - wie bereits erwähnt - der Bauteilaufwand sehr hoch.To prevent this, symmetrical circuit arrangements are suitable, as known from EP 03 35 169 A1 mentioned at the outset or as they are proposed with DE patent application 39 15 310.2, in which each of the semiconductor switches a shutdown relief circuit from shutdown load capacitor and cut-off relief diode in parallel. So that will but also - as already mentioned - the component expenditure is very high.

Es sind durch die EP 02 99 339 verlustarme Beschaltungen eines Dreipunkt­ wechselrichters bekannt, die zum Abbau der gespeicherten Beschaltungsenergie neben Abschaltentlastungsdioden und Abschaltentlastungskondensatoren auch zwei ohmsche Widerstände aufweisen, die zu je zweien der vier miteinander verbundenen Halbleiterschalter zugeordnet sind. Entlastungsschaltungen dieser Art sind vom Aufbau und von der grundsätzlichen Funktion wegen des unter­ schiedlichen Betriebsverhaltens eines Dreipunktwechselrichters nicht mit der der Erfindung zugrundeliegenden Art von Schaltentlastungsanordnungen bei aus zwei gategesteuerten Halbleiterschaltern aufgebauten Wechselrichterzweigpaaren vergleichbar.There are low-loss circuits of a three-point circuit through EP 02 99 339 inverter known to reduce the stored wiring energy in addition to shutdown relief diodes and shutdown relief capacitors have two ohmic resistances, each two of the four with each other connected semiconductor switches are assigned. Relief circuits this Kind are of the construction and of the basic function because of the under different operating behavior of a three-point inverter not with the the type of switching relief arrangements on which the invention is based two gate-controlled semiconductor switches constructed inverter branch pairs comparable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungs­ anordnung derart zu verbessern, daß die Schaltentlastung mit nur geringem Aufwand möglich ist, ohne daß die Nachteile einer unsymmetrischen Beschal­ tung in Kauf genommen werden müssen.The invention has for its object the circuit mentioned above arrangement to improve such that the switching relief with little Effort is possible without the disadvantages of an asymmetrical scarf must be accepted.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.This object is characterized according to the invention by the in claim features resolved.

Der nachteilige Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln wird somit vorteilhaft vermieden und die unbedeutende Energierückspeisung entfällt, ohne daß trotz des erheblich verringerten Schaltungsaufwands in der Praxis Probleme auftreten.The disadvantageous use of the saturable step chokes is therefore advantageous avoided and the insignificant energy recovery is omitted without of the significantly reduced circuit complexity problems occur in practice.

Ein Wechselrichter, insbesondere ein Pulswechselrichter, dessen Zweigpaare pro Phase entsprechend der Erfindung beschaltet sind, weist damit eine besonders sichere Betriebsweise seiner Halbleiterschalter auf.An inverter, in particular a pulse inverter, the pairs of branches are connected per phase according to the invention, thus has a particularly safe operation of its semiconductor switch.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestell­ ten Ausführungsbeispiels erläutert werden:
Die Zeichnungsfigur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Schaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den mir +, - bezeichneten Polen einer Gleichspannungsquelle Ud angeordneten Halbleiterschaltern T1 und T2. Diese Halbleiterschalter T1, T2 sind als GTO-Thyristoren dargestellt, wobei hier sämtliche nicht für das Verständnis der Erfindung notwendigen Beschaltungs­ elemente fortgelassen sind.The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing figure:
The drawing shows a circuit arrangement for switching relief of a pair of inverter branches consisting of two semiconductor switches T 1 and T 2 arranged between the poles of a DC voltage source U d labeled me +, -. These semiconductor switches T 1 , T 2 are shown as GTO thyristors, all of the wiring elements not necessary for understanding the invention being omitted here.

Mehrere (in der Regel: 3) dieser Wechselrichterzweigpaare liegen üblicher­ weise zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle Ud parallel und sind jeweils zur Bildung einer Wechselspannungsphase vorgesehen. Der Wechsel­ spannungsanschluß des Wechselrichters ist dabei jeweils an der direkten Ver­ bindung der beiden Halbleiterschalter T1, T2 vorgesehen.Several (as a rule: 3) of these pairs of inverter branches are usually parallel between the poles of the direct voltage source U d and are each provided to form an alternating voltage phase. The AC voltage connection of the inverter is in each case provided at the direct connection between the two semiconductor switches T 1 , T 2 .

Den beiden Halbleiterschaltern T1, T2 ist jeweils eine Freilaufdiode D1, D2 antiparallelgeschaltet.A free-wheeling diode D 1 , D 2 is connected antiparallel to the two semiconductor switches T 1 , T 2 .

Weiterhin ist jedem der Halbleiterschalter T1, T2 eine den Stromanstieg beim Einschalten des jeweiligen Halbleiterschalters T1 bzw. T2 begrenzende lineare Drosselspule LK1 bzw. LK2 in Reihe geschaltet. Hinsichtlich dieser Drosselspulen LK1, LK2 sei angemerkt, daß diese nicht an den in der Zeich­ nungsfigur gezeigten Stellen der Schaltungsanordnung liegen müssen. Sie können auch z. B. nur einzeln, d. h. nur LK1 oder nur LK2, eingesetzt werden oder (gemeinsam für die einzelnen Wechselrichterzweigpaare) in den Zuleitungen von der Gleichspannungsquelle Ud liegen. Für die Abschaltentlastung der Halbleiterschalter T1, T2 ist ein gemeinsamer Abschaltentlastungskondensator CS vorgesehen, der mit seinem einen Anschluß direkt an den Wechselspannungs­ anschluß geschaltet ist. Dieser Abschaltentlastungskondensator CS liegt in Reihe mit einer ersten Abschaltentlastungsdiode DS1 und einem ersten Spei­ cherkondensator C01 parallel zum ersten Halbleiterschalter T1. Der gemein­ same Abschaltentlastungskondensator CS liegt aber auch gleichzeitig in Reihe mit einem zweiten Speicherkondensator C02 und einer zweiten Abschaltent­ lastungsdiode DS2 parallel zu dem zweiten Halbleiterschalter T2.Furthermore, each of the semiconductor switches T 1 , T 2 is connected in series with a linear choke coil L K1 or L K2 which limits the current rise when the respective semiconductor switch T 1 or T 2 is switched on. With regard to these choke coils L K1 , L K2 , it should be noted that they do not have to lie at the points of the circuit arrangement shown in the drawing. You can also use e.g. B. only individually, ie only L K1 or only L K2 , or (together for the individual inverter branch pairs) lie in the supply lines from the DC voltage source U d . For the shutdown relief of the semiconductor switches T 1 , T 2 , a common shutdown relief capacitor C S is provided, which is connected with its one connection directly to the AC voltage connection. This cut-off relief capacitor C S is in series with a first cut-off relief diode D S1 and a first storage capacitor C 01 in parallel with the first semiconductor switch T 1 . The common shutdown discharge capacitor C S is also in series with a second storage capacitor C 02 and a second load diode D S2 in parallel with the second semiconductor switch T 2 .

Die beiden Speicherkondensatoren C01, C02 sind jeweils mit ihrem nicht mit dem Abschaltentlastungskondensator CS verbundenen Anschluß über ohmsche Widerstände R01, R02 an den positiven bzw. negativen Pol der Gleichspannungs­ quelle Ud angeschlossen. Die erste Abschaltentlastungsdiode DS1 ist kathoden­ seitig an die Verbindung des ersten ohmschen Widerstands R01 mit dem Spei­ cherkondensator C01 angeschlossen, während die Anode der zweiten Abschalt­ entlastungsdiode DS2 an die Verbindung zwischen dem zweiten ohmschen Wi­ derstand R02 und dem Speicherkondensator C01 gelegt ist.The two storage capacitors C 01 , C 02 are each connected to the positive or negative pole of the DC voltage source U d via their connection which is not connected to the cut-off relief capacitor C S via ohmic resistors R 01 , R 02 . The first shutdown discharge diode D S1 is connected on the cathode side to the connection of the first ohmic resistor R 01 to the storage capacitor C 01 , while the anode of the second shutdown discharge diode D S2 to the connection between the second ohmic resistor R 02 and the storage capacitor C 01 is laid.

Die Kondensatoren C01, C02, CS brauchen jeweils nur für die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle Ud bemessen zu werden. Trotz der Symmetrie der Beschaltung des Wechselrichterzweigpaares ist der Bauelementeaufwand somit gering gehalten.The capacitors C 01 , C 02 , C S only need to be dimensioned for half the voltage of the DC voltage source U d . In spite of the symmetry of the wiring of the pair of inverter branches, the component expenditure is thus kept low.

Claims (1)

Schaltungsanordnung zur Schaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus gategesteuerten Halbleiterschaltern,
  • - die jeweils über eine Drosselspule mit einem der Pole einer Gleichspannungs­ quelle verbunden sind,
  • - deren unmittelbare Verbindung den Wechselspannungsanschluß darstellt,
  • - denen jeweils eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist,
  • - denen jeweils eine Reihenschaltung aus einem gemeinsamen, mit seinem einen Anschluß direkt an die unmittelbare Verbindung der Halbleiter­ schalter geschalteten Abschaltentlastungskondensator, einer Abschaltent­ lastungsdiode und einem Speicherkondensator parallelgeschaltet ist, wobei ein Anschluß jedes Speicherkondensators über einen ohmschen Widerstand mit einem der Pole der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Drosselspulen als lineare, den Stromanstieg beim Einschalten eines der Halbleiterschalter (T1,, T2) begrenzende Drosselspulen (LK1, LK2) aus­ gebildet sind,
  • - daß der andere (d. h. nicht am Wechselspannungsanschluß liegende) Anschluß des Abschaltentlastungskondensators (CS) jeweils an den nicht mit dem ohm­ schen Widerstand (R01, R02) verbundenen Anschluß der beiden Speicherkon­ densatoren (C01, C02) angeschlossen ist und
  • - daß zwei ohmsche Widerstände (R01, R02) vorgesehen sind, deren einer Anschluß jeweils unmittelbar mir einem der Pole der Gleichspannungsquelle (Ud) verbunden ist und deren anderer Anschluß an die Verbindung von Abschaltentlastungsdiode (DS1, DS2) und Speicherkondensator (C01, C02) innerhalb der jeweiligen Reihenschaltung gelegt ist.
Circuit arrangement for switching relief of a pair of inverter branches from gate-controlled semiconductor switches,
  • - Which are each connected via a choke coil to one of the poles of a DC voltage source,
  • - whose direct connection represents the AC voltage connection,
  • - which each have a free-wheeling diode connected in anti-parallel,
  • - Each of which is connected in series from a common switch with its one connection directly to the direct connection of the semiconductor switch-off capacitor, a load diode and a storage capacitor, a connection of each storage capacitor being connected via an ohmic resistor to one of the poles of the DC voltage source stands, characterized,
  • - The choke coils are formed as linear choke coils (L K1 , L K2 ) which limit the current rise when one of the semiconductor switches (T 1 ,, T 2 ) is switched on,
  • - That the other (ie not at the AC voltage connection) connection of the switch-off capacitor (C S ) is connected to the non-ohmic resistor (R 01 , R 02 ) connected to the two storage capacitors (C 01 , C 02 ) and
  • - That two ohmic resistors (R 01 , R 02 ) are provided, one connection of which is directly connected to one of the poles of the DC voltage source (U d ) and the other connection to the connection of the switch-off relief diode (D S1 , D S2 ) and storage capacitor (C 01 , C 02 ) is placed within the respective series connection.
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