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Modulationsverfahren mit Verlustleistungsoptimierung in Leistungshalbleiterbauelementen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000029999D
Original Publication Date: 2004-Aug-25
Included in the Prior Art Database: 2004-Aug-25
Document File: 5 page(s) / 100K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Beim Betrieb eines Wechselrichters entstehen in den Bauelementen der Leistungsendstufe Verluste, die zur Erwaermung der Bauelemente fuehren. Diese Verluste sind abhaengig von dem Strom, den ein Bauelement zu fuehren bzw. zu schalten hat, und von bauelementspezifischem Verhalten wie Durchlasskennlinie oder Schaltverhalten. Wie viel Strom welches Bauelement zu fuehren und zu schalten hat, wird wiederum von dem Modulationsverfahren bestimmt, mit dem die Leistungshalbleiter angesteuert werden, um am Wechselrichterausgang eine gewuenschte Spannung zu erzeugen. Nach bisherigem Stand der Technik wird eine Ausgangsspannung an einem Wechselrichter mittels Pulsweitenmodulation erzeugt (s. Abbildung 1). Dies bedeutet, dass jede Ausgangsphase des Wechselrichters wahlweise an den positiven oder negativen Anschluss des Gleichspannungszwischenkreises gelegt wird. Der Mittelwert [t+/(t+ + t-)]*Uzk ergibt somit die gewuenschte Ausgangsspannung. Dabei steht t+ fuer die Zeitdauer, in der die Ausgangsleitung an den positiven Zwischenkreisanschluss geschaltet ist und t- fuer die Zeitdauer, in der die Ausgangsleitung mit dem negativen Zwischenkreisanschluss verbunden ist.

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S

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Modulationsverfahren mit Verlustleistungsoptimierung in Leistungshalbleiterbauelementen

Idee: Dr. Hubert Schierling, DE-Erlangen; Benno Weis, DE-Erlangen

Beim Betrieb eines Wechselrichters entstehen in den Bauelementen der Leistungsendstufe Verluste, die zur Erwaermung der Bauelemente fuehren. Diese Verluste sind abhaengig von dem Strom, den ein Bauelement zu fuehren bzw. zu schalten hat, und von bauelementspezifischem Verhalten wie Durchlasskennlinie oder Schaltverhalten. Wie viel Strom welches Bauelement zu fuehren und zu schalten hat, wird wiederum von dem Modulationsverfahren bestimmt, mit dem die Leistungshalbleiter angesteuert werden, um am Wechselrichterausgang eine gewuenschte Spannung zu erzeugen.

Nach bisherigem Stand der Technik wird eine Ausgangsspannung an einem Wechselrichter mittels Pulsweitenmodulation erzeugt (s. Abbildung 1). Dies bedeutet, dass jede Ausgangsphase des Wechselrichters wahlweise an den positiven oder negativen Anschluss des Gleichspannungszwischenkreises gelegt wird. Der Mittelwert [t+/(t+ + t-)]*Uzk ergibt somit die gewuenschte Ausgangsspannung. Dabei steht t+ fuer die Zeitdauer, in der die Ausgangsleitung an den positiven Zwischenkreisanschluss geschaltet ist und t- fuer die Zeitdauer, in der die Ausgangsleitung mit dem negativen Zwischenkreisanschluss verbunden ist.

Der augenblickliche Schaltzustand des Wechselrichters kann durch eine dreistellige Ziffernkombination, auch Zeiger genannt, beschrieben werden. Jede Ziffer eines Zeigers steht fuer den Zustand einer Ausgangsphase und kann den Wert 0 oder 1 einnehmen. 0 bedeutet, dass die entsprechende Phase mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist, 1 bedeutet eine Verbindung mit dem positiven Zwischenkreispotential. Der Zeiger 110 bedeutet somit, dass die Phasen U und V mit dem positiven, die Phase W mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist. Insgesamt sind 8 verschiedene Zeiger realisierbar (s. Abbildung 2). Diese werden in die Gruppen "Nullzeiger" und "Aktive Zeiger" unterteilt. Als Nullzeiger werden die Kombinationen "000" und "111" bezeichnet, da sie an den Klemmen des angeschlossenen Motors die Leiter-Leiter- Spannung 0V einpraegen. Alle uebrigen Zustaende werden den aktiven Zeigern zugeordnet, da sie eine aktive Spannung am Motor einpraegen.

Eine gewuenschte Ausgangsspannung am Umrichter kann immer dadurch eingestellt werden, dass in einem bestimmten zeitlichen Verhaeltnis nacheinander zwei geschickt gewaehlte aktive Zeiger und ein Nullzeiger angelegt werden. Eine solche Abfolge wird als Modulationsperiode bezeichnet. Nach Stand der Technik wird in jeder Modulationsperiode folgende Zeigerfolge durchlaufen: Nullzeiger 1 - Aktiver Zeiger 1 - Aktiver Zeiger 2 - Nullzeiger 2. Die Gesamtdauer einer Modulationsperiode ist immer konstant, die Gueltigkeitsdauer der einzelnen Zeiger bestimmt die Ausgangsspannung, die als Mittelwert ueber eine Modulationsperiode zu verstehen ist....