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Vereinfachte Spannungssymmetrierung in der Reihenschaltung von Leistungshalbleitern mit Hilfe von Impulsanpassung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017183D
Original Publication Date: 2000-Jan-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-22
Document File: 3 page(s) / 20K

Publishing Venue

Siemens

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Georg Zaiser: AUTHOR [+2]

Abstract

In der Antriebstechnik finden in hohem Maße selbstgeführte Wechselrichter zum Umformen von elektrischer Energie Verwendung. Eine Möglichkeit zu einer Leistungssteigerung von IGBT-Stromrichtern stellt die Reihenschaltung von IGBTs dar. Durch die Reihenschaltung erhält man einen Mittelspannungs-Umrichter mit IGBTs mit einer Umrichterleistung von einigen MW und einer Zwischenkreisspannung von mehreren kV. In direkter Reihenschaltung wechseln sich die Steuerphase, die Freilaufphase mit der Stromaufbauphase ab, wobei bei Stromrichtern der Antriebstechnik die Rückspeisephase hinzu kommt. Zwischen diesen Zuständen tritt die Kommutierungsphase auf. Im Gegensatz zu einer Standart-Zweipunktschaltung des Umrichters sind bei der Reihenschaltung mehrerer IGBTs die möglichen Spannungspotentiale a priori nicht fest vorgegeben. Bei der Kommutierung des Stromes von der Freilaufphase auf die Steuerungsphase müssen die in Reihe geschalteten IGBTs neben dem Laststrom auch noch die Speicherladung der Freilaufdioden aufnehmen. Nachdem die Speicherladungen aus diesen Freilaufdioden abgebaut sind, können diese Spannung aufnehmen. Gleichzeitig reduziert sich die Spannung über den Schaltern nach Maßgabe der Last und der Ansteuerbedingungen. In dieser Übergangsphase ist es besonders wichtig, daß die IGBTs absolut synchron einschalten und die Dioden alle gleichmäßig abschalten, da anderenfalls entsprechende Überspannungen an den einzelnen Ventilen entstehen können.

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Industrie

Vereinfachte Spannungssymmetrierung in der Reihenschaltung von Lei-stungshalbleitern mit Hilfe von Impulsanpassung

Idee: Georg Zaiser, Erlangen; Manfred Bruckmann, Nürnberg

In der Antriebstechnik finden in hohem Maße selbstgeführte Wechselrichter zum Umformenvon elektrischer Energie Verwendung. Eine Möglichkeit zu einer Leistungssteigerung vonIGBT-Stromrichtern stellt die Reihenschaltung von IGBTs dar. Durch die Reihenschaltungerhält man einen Mittelspannungs-Umrichter mit IGBTs mit einer Umrichterleistung voneinigen MW und einer Zwischenkreisspannung von mehreren kV. In direkterReihenschaltung wechseln sich die Steuerphase, die Freilaufphase mit derStromaufbauphase ab, wobei bei Stromrichtern der Antriebstechnik die Rückspeisephasehinzu kommt. Zwischen diesen Zuständen tritt die Kommutierungsphase auf. Im Gegensatzzu einer Standart-Zweipunktschaltung des Umrichters sind bei der Reihenschaltungmehrerer IGBTs die möglichen Spannungspotentiale a priori nicht fest vorgegeben. Bei derKommutierung des Stromes von der Freilaufphase auf die Steuerungsphase müssen die inReihe geschalteten IGBTs neben dem Laststrom auch noch die Speicherladung derFreilaufdioden aufnehmen. Nachdem die Speicherladungen aus diesen Freilaufdiodenabgebaut sind, können diese Spannung aufnehmen. Gleichzeitig reduziert sich die Spannungüber den Schaltern nach Maßgabe der Last und der Ansteuerbedingungen. In dieserÜbergangsphase ist es besonders wichtig, daß die IGBTs absolut synchron einschalten unddie Dioden alle gleichmäßig abschalten, da anderenfalls entsprechende Überspannungen anden einzelnen Ventilen entstehen können.

Der Ansteuerung sowie der Parameterstreuung der IGBTs und der zugehörigen Freilauf-dioden kommen somit eine besondere Bedeutung zu. Um die unsymmetrische Spannungs-aufteilung in Reihe geschalteter IGBTs beeinflussen zu können, ist jede Ansteuereinheit derin Reihe geschalteten IGBTs mit einer aktiven Spannungsbegrenzung ausgestattet. Durchdiese Maßnahme wird die maximale Spannungshöhe der auftretenden Kollektorspannungwirksam begrenzt, wobei eine entstehende höhere Belastungen der einzelnen IGBTs durcheine Pulsverschiebung vermieden wird.

Als Bemessungsgrundlage der Pulsverschiebung dient die Zeit, während der die Überspan-nungsbegrenzung aktiv ist. Da die größten Abweichungen zwischen den Spannungen anunterschiedlichen IGBTs erst auftritt, nachdem der Abschaltvorgang abgeschlossen ist, unddie Spannungsunsymmetrie sehr langsam abklingt, muß keine extrem schnelle Logik für dieZeitmessung realisiert werden. Die Zeitmessung wird in einer zentralen Einheit durchge-führt, welche das Steuersignal z.B. jeweils über einen Lichtwellenleiter an die in Reihe ge-schateter IGBTs ausgibt. Eine Eingriffsspannung kann so gewählt werden, daß die Span-nungsunsymmetrie minimal bleibt. Einige µs nach dem Ende des Abschaltvorganges erfolgtdie Auswertung der an die Einheit übermittelten Daten. Aus einem Vergleich von den ge-

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