FI110898B

FI110898B - Vaihtosuuntaaja

Info

Publication number: FI110898B
Application number: FI982313A
Authority: FI
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: Abb Industry Oy
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2003-04-15
Also published as: ATE256932T1; EP0998018B1; FI982313A0; FI982313A; US6147887A; JP2000134953A; EP0998018A1; JP3581809B2; DE69913642D1; DE69913642T2

Description

110898

Vaihtosuuntaaja

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on vaihtosuuntaaja, joka käsittää tasajännite-välipiirin, joka muodostuu positiivisesta ja negatiivisesta jännitekiskosta ja 5 apujännitelähteen, joka on sovitettu tuottamaan tasajännitevälipiirin positiiviseen ja negatiiviseen jännitekiskoon referoituja apujännitteitä, vaihtosuuntaajan käsittäessä lisäksi vaihekohtaisesti ylemmän ja alemman tehopuolijohteen, jotka on kytketty sarjaan positiivisen ja negatiivisen jännitekiskon välille teho-puolijohteiden välisen pisteen muodostaessa vaihtosuuntaajan vaihelähdön, 10 ylemmän ja alemman hilaohjaimen, joiden ulostulot on kytketty vastaavien ylemmän ja alemman tehopuolijohteen ohjauselektrodille hilaohjainten käsittäessä positiivisen ja negatiivisen apujännitesisääntulon sekä nollapotentiaali-pisteen, joka on yhdistetty ohjattavan tehopuolijohteen ulostuloelektrodille, ensimmäisen diodin, jonka anodi on kytketty negatiiviseen jännitekiskoon refe-15 roituun positiiviseen apujännitteeseen ja katodi on kytketty ylemmän hilaohjaimen positiiviseen apujännitesisääntuloon, ja ensimmäisen kondensaattorin, joka on kytketty ylemmän hilaohjaimen positiivisen apujännitesisääntulon ja nollapotentiaalipisteen välille.

Vaihtosuuntaajien pääpiiri koostuu tyypillisesti tasajännitevälipiiristä 20 ja siihen yhdistetyistä puolijohdekytkimistä, joina käytetään tavallisimmin FET tai IGBT -kytkimiä. Välipiirin positiivisen ja negatiivisen jännitekiskon väliin sarjaankytketty puolijohdekytkinpari muodostaa vaihtosuuntaajan vaihelähdön.

; ·. Tällaisia pareja on vaihtosuuntaajassa siten, että kaikille ulostulovaiheille muodostuu oma lähtö. Puolijohdekytkimien avulla vaihtosuuntaajan ulostuloon ; / 25 yhdistettyyn kuormaan voidaan kytkeä toivotulla tavalla joko positiivisen tai negatiivisen jännitekiskon jännite. Kytkemällä jännitepulsseja ulostuloon saa-’ * daan kuormalle muodostettua kulloinkin tarvittava jännite, jonka amplitudi ja taajuus on muuteltavissa.

Vaihtosuuntaajien puolijohdekytkimiä ohjataan puolijohdekytkimien 30 ohjauselektrodille kytketyillä hilaohjaimilla. Komponentista riippuen oh-: jauselektrodin nimitys voi olla esimerkiksi hila tai kanta. Hilaohjaimet tuottavat ' ; tarvittavat virta- tai jännitepulssit kytkimen ohjauselektrodille, jolloin kytkin saa- * daan luotettavasti johtavaan tilaan. Hilaohjainten tarvitsemien apujännitteiden tuottaminen kustannustehokkaasti on ongelmallista, sillä etenkin positiiviseen 35 jännitekiskoon kytketyn tehopuolijohteen, jota kutsutaan tekstissä ylemmäksi • · puolijohdekomponentiksi, ulostuloelektrodin potentiaali vaihtelee voimakkaasti 2 110898 toisen tehopuolijohteen tilan muutosten myötä. Ulostuloelektrodia nimitetään esimerkiksi emitteriksi tai lähteeksi nimityksen vaihdellessa komponentin tyypistä riippuen. Ylemmän puolijohdekomponentin positiivinen sytytysjännite voidaan toteuttaa käyttämällä niin kutsuttua bootstrap-menetelmää, jossa po-5 sitiivinen sytytysjännite tuotetaan negatiiviseen jännitekiskoon referoidusta po-sitiivisestä jännitteestä, eli jännitteestä, jolla on tietty suuruus välipiirin negatiiviseen jännitekiskoon nähden. Bootstrap-menetelmässä ylempi hilaohjain saa positiivisen apujännitteen hilaohjaimeen yhdistetyn diodin kautta silloin, kun negatiiviseen jännitekiskoon yhdistetty tehopuolijohde johtaa. Tällä tavoin voi-10 daan saada aikaan hilaohjaimen tarvitseva positiivinen apujännite, jota käytetään kytkinkomponentin sytyttämiseen. Pienivirtaisilla tehopuolijohteiden yhteydessä on kytkinkomponentin sammuttaminen tyypillisesti toteutettu yhdistämällä hila komponentin emitteripotentiaaliin hilavastuksen kautta.

Mikäli tehopuolijohde on tarkoitettu suurille virroille, tulee hilaohjai-15 men pystyä myös tuottamaan puolijohteen emitteriin nähden negatiivinen sammutusjännite. Negatiivista sammutusjännitettä käytettäessä komponentti saadaan katkaisemaan läpikulkeva virta nopeammin. Hilan pitäminen negatiivisessa potentiaalissa emitteriin verrattuna estää lisäksi komponentin tahattoman syttymisen, joka voi muutoin aiheutua komponentin yli vaikuttavan jän-20 niiteen suurista muutosnopeuksista. Komponentin yli vaikuttavan jännitteen muutokset aiheutuvat muiden tehopuolijohteiden tilanmuutoksista. Jännitteen , vaihteluista aiheutuva syttyminen johtuu IGBT.n tapauksessa sisäisen hilava- • ; ·· rauksen nopeasta muuttumisesta Miller-kapasitanssin vaikutuksesta. Tällainen tahaton syttyminen kestää vain muutaman kymmenen nanosekunnin ajan, 25 jolloin komponentin läpi kulkee suuri virtapiikki, joka johtaa kasvaneeseen te- • · t hohäviöön tehokytkimessä. Ilmiön estämiseksi komponentin hila on pidettävä ; vähintään noin 5 voltin negatiivisessa potentiaalissa emitteriin nähden ollees- • · ' *1 ' saan sammutettuna.

Suurivirtaisten tehopuolijohteiden yhteydessä ylemmän hilaohjai-, · 30 men negatiivinen apujännite on tuotettu hilaohjaimelle käyttämällä erillisiä muuntajia tai muuntajan käämejä jokaista vaihtosuuntaajan ulostulovaihetta : kohti. Tällaisten muuntajien tulee lisäksi kestää suuri jännitteen muutosnope- • »· us, joka vaikuttaa niiden ensiön ja toision välillä.

Keksinnön lyhyt selostus : >.· 35 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada vaihtosuuntaaja, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa ulostulojännitteen muo- 3 110898 dostuksen yksinkertaisemmalla rakenteella ja pienemmillä tehohäviöillä. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella vaihtosuuntaajalla, jolle on tunnusomaista, että vaihtosuuntaaja käsittää lisäksi vaihekohtaisesti toisen diodin, jonka anodi on kytketty ylemmän hilaohjaimen negatiiviseen apujännitesi-5 sääntuloon ja katodi positiiviseen kiskoon referoituun negatiiviseen apujännit-teeseen, ja toisen kondensaattorin, joka on kytketty ylemmän hilaohjaimen negatiivisen apujännitesisääntulon ja nollapotentiaalipisteen välille.

Keksinnön mukainen vaihtosuuntaaja perustuu siihen ajatukseen, että välipiirin positiiviseen jännitekiskoon liitetyn tehopuolijohteen hilaohjai-10 melle tuotetaan negatiivinen apujännite bootstrap-menetelmällä käyttämällä positiiviseen virtakiskoon referoitua negatiivista jännitettä ja siihen liitettyä diodia. Keksinnön avulla voidaan ylemmän tehopuolijohteen sammuttaminen ja sammutetussa tilassa pitäminen hoitaa käyttämällä emitteriin verrattuna negatiivista hilajännitettä. Keksintö vähentää komponenttikustannuksia aikaisem-15 paan verrattuna, sillä keksintö tarvitsee ainoastaan yhden muuntajan, joka tuottaa välipiirin positiiviseen jännitekiskoon nähden negatiivisen tasajännit-teen, ja jokaista vaihtosuuntaajan ulostulovaihetta kohden yhden diodin.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 20 yhteydessä, viitaten oheiseen piirrokseen, jossa:

Kuvio 1 esittää periaatekuvaa keksinnön mukaisen vaihtosuuntaa-, ,: jän yhdestä ulostulovaiheesta.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus J Kuvion 1 esittämä keksinnön mukainen vaihtosuuntaaja käsittää :.v 25 jännitevälipiirin, joka muodostuu positiivisesta Udc+ ja negatiivisesta Udc- kis- v : kosta. Kiskojen jännite muodostetaan esimerkiksi tasasuuntaamalla syöttävän sähköverkon vaihtojännitettä. Kuvio 1 esittää ainoastaan yhtä vaihtosuuntaa- j jän mahdollisesta useasta lähtövaiheesta. Kaikki lähtövaiheet ovat keskenään • · samanlaiset ja tyypillisimmissä tapauksissa lähtövaiheita on kolme, jolloin '· , 30 vaihtosuuntaajalla saadaan muodostettua 3-vaiheista ulostulojännitettä, jonka '· taajuutta ja amplitudia voidaan muuttaa tarvittavalla tavalla. Ulostulojännite muodostetaan tehopuolijohteiden 2, 3, kuten IGBT, avulla, siten, että vaiheu-;···. lostuloon kytketään vuoroin negatiivisen ja positiivisen jännitekiskon jännite : käyttämällä keskenään sarjaan kytkettyjä kytkinkomponentteja 2, 3. Tässä

35 tekstissä puolijohdekomponentteina 2, 3 käytetään esimerkinomaisesti IGBT

4 110898 kytkimiä, jolloin kytkimien ohjauselektrodeista G käytetään nimitystä hila ja ulostuloelektrodeista E nimitystä emitted. Ulostulojännite Uout on vuoroin positiivisen ja negatiivisen jännitekiskon jännitteen suuruinen.

Keksinnön mukainen vaihtosuuntaaja käsittää myös apujänniteläh-5 teen 1, joka tuottaa vaihtosuuntaajan positiiviseen ja negatiiviseen jännitekis-koon referoituja apujännitteitä U1, U2, U3. Apujännitteet U1, U2 ovat referoitu negatiiviseen jännitekiskoon Udc- siten, että ensimmäinen apujännite U1 on negatiivinen sen suhteen. Toisin sanoen negatiivisen jännitekiskon potentiaali on ensimmäistä apujännitteen potentiaalia suurempi. Jännite ensimmäisen 10 apujännitteen ja negatiivisen jännitekiskon välillä on esimerkiksi -8,5 volttia. Myös toinen apujännite U2 on referoitu negatiivisen jännitekiskon Udc- suhteen apujännitteen ollessa positiivinen kiskoon nähden. Apujännitteen U2 ja jännitekiskon välisen potentiaalieron ollessa esimerkiksi +17,5 volttia. Kolmas apujännite U3 on sensijaan referoitu jännitevälipiirin positiiviseen jännitekis-15 koon Udc+. Apujännite U3 on negatiivinen kiskoon Udc+ verrattuna potentiaalieron ollessa esimerkiksi -8,5 volttia.

Apujännitteiden U1, U2, U3 tarkoituksena on tuottaa hilaohjaimille 4, 5 niiden tarvitsemat apujännitteet, joiden avulla on mahdollista ohjata puolijohdekomponentteja 2, 3 luotettavalla tavalla. Kuvion 1 esittämät hilaohjaimet 20 4, 5 on varustettu optoisoloinnilla, jolloin pienitasoinen ohjaussignaali muute taan hilaohjaimen sisällä valosignaaliksi, joka edelleen muutetaan suurempita-: soiseksi kytkimiä ohjaavaksi jänniteulostuloksi, jonka tuottamiseen apujänni- ·;··; teitä tarvitaan. Hilaohjain 5, joka on sovitettu ohjaamaan alempaa eli tehokyt- kintä 3, jonka emitted on yhdistetty jännitevälipiirin negatiiviseen virtakiskoon, 25 saa apujännitesyöttönsä suoraan negatiiviseen kiskoon referoiduista apujän-J ,] niiteistä U1, U2. Ohjattaessa puolijohdekytkintä 2, 3 johtavaan tilaan, tulee kytkimen hila saada positiiviseen potentiaaliin kytkimen emitteriin nähden. Tä- » | · '·’ män vuoksi kytkimien 2, 3 emitterien apuemitteriliitännät AE on kytketty hila- ohjaimien nollapotentiaaliin Corn. Apuemitterit on lähtevät samasta pisteestä * · *. ’ ·: 30 komponenttien varsinaisten emitterien kanssa. Tällöin hilaohjaimella 5 voidaan :ohjata puolijohdekytkintä 3 luotettavalla tavalla siten, että ohjattaessa kytkintä : 3 johtavaan tilaan, tuodaan hilaohjaimen ulostuloon 9 hilaohjaimen positiivinen r’tii apujännite. Koska ulostulo 9 on kytketty ohjattavan kytkimen hilalle, saadaan I · . kytkimen hilan G ja emitterin E väliseksi jännitteeksi positiivisen apujännitteen 35 U2 suuruinen jännite. Vastaavasti ohjattaessa kytkin 3 pois johtavasta tilasta, · tuodaan hilaohjaimen ulostuloon hilaohjaimen apujännite U1, jolloin kytkimen 5 110898 3 hilan jännite emitteriin E nähden on negatiivinen, ja saavutetaan kytkimen luotettava sammuminen. Alemman kytkinkomponentin 3 kohdalla toiminta on esitetyllä tavalla yksinkertaista, sillä kytkimen emitteri on jatkuvasti vakaasti negatiivisen jännitekiskon Udc- potentiaalissa.

5 Kuvion 1 mukaisesti ensimmäinen diodi D1 on kytketty hilaohjaimen 4 eli ylemmän hilaohjaimen positiivisen apujännitesisääntulon 6 apujännitteen U2 välille. Diodin D1 tehtävänä on tuottaa hilaohjaimelle 4 positiivinen apujän-nite silloin, kun alempi puolijohdekytkin 3 on johtavassa tilassa. Puolijohdekyt-kimen 3 johtaessa sekä vaihelähtö Uout että kytkimen 2 emitteri ovat negatii- 10 visen jännitekiskon potentiaalissa. Tällöin apujännite U2 on potentiaaliltaan suurempi kuin kytkimen 2 emitterin tai apuemitterin potentiaali, jolloin virta pääsee kulkemaan diodin D1 läpi ladaten positiivisen apujännitesisääntulon 6 ja hilaohjaimen nollapotentiaalin Corn väliin kytkettyä kondensaattoria C1 ja tuottaen ylemmälle hilaohjaimelle 4 positiivisen apujännitteen. Positiivistä 15 apujännitettä voidaan käyttää edellä kuvaillulla tavalla tuottamaan positiivinen jännite kytkimen hilan G ja emitterin E välille. Tällaista ennalta tunnettua apu-jännitteen tuottamista negatiiviseen jännitekiskoon referoidusta apujännit-teestä kutsutaan bootstrap-menetelmäksi.

Keksinnön mukaisesti kuvion 1 esittämällä tavalla apujännitteen U3 20 ja hilaohjaimen 4 negatiivisen apujännitesisääntulon väliin on kytketty diodi D2. Diodin tarkoituksena on tuottaa hilaohjaimelle 4 negatiivinen apujännite puolijohdekytkimen 2 ollessa johtavassa tilassa. Kytkimen 2 johtaessa vaihe-;lähdön Uout potentiaali on lähes positiivisen jännitekiskon Udc+ potentiaalissa, ,·. jolloin kytkimen 2 emitterin E ja apuemitterin AE potentiaali on suurempi kuin 25 apujännitteen U3 potentiaali. Potentiaalieron ansiosta diodi D2 voi siirtyä joh-‘ tavaan tilaan, jolloin kondensaattori C2, joka on kytketty hilaohjaimen 4 nolla- potentiaalin Corn ja negatiivisen apujännitesyötön 7 väliin, latautuu ja samalla I I · '·’ hilaohjain saa negatiivisen apujännitteensä. Negatiivista apujännitettä hilaoh- jain tarvitsee edellä kuvaillulla tavalla kytkimen 2 sammuttamiseen ja sammu- • · 30 neessa tilassa pitämiseen. Sammuttaminen tapahtuu luotettavalla tavalla joh-tamalla kytkimen hila G emitteriin E nähden negatiiviseen jännitteeseen.

: Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- ’ j nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaih-35 della patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

6 110898