Schaltungsanordnung und Stromrichtermodul mit in Reihe geschalteten Schalterbaugruppen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die in Reihe geschaltete Schalterbaugruppen mit jeweils einem

Halbleiterschalter aufweist, und ein Stromrichtermodul mit einer derartigen Schaltungsanordnung.

Halbleiterschalter wie ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) werden durch einen Treiber angesteuert, der mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Insbesondere Stromrichtermodule weisen häufig eine Reihenschaltung von Schalterbaugruppen mit jeweils einem Halbleiterschalter auf. Die Erfindung betrifft insbesondere die Energieversorgung der Treiber der

Halbleiterschalter einer derartigen Reihenschaltung. Ein Treiber eines einzelnen Halbleiterschalters wird

beispielsweise häufig aus einem mit dem Halbleiterschalter verbundenen Kondensator mit Energie versorgt. Diese Art der Energieversorgung eines Treibers eines Halbleiterschalters ist jedoch bei einer Reihenschaltung von Schalterbaugruppen mit Schwierigkeiten verbunden, weil eine Energieauskopplung entweder aus einer Kondensatorschaltung für die gesamte

Reihenschaltung der Schalterbaugruppen und damit aus einer in der Regel sehr hohen Spannung oder aus nur einem Kondensator mehrerer in Reihe geschalteter Kondensatoren, deren

Spannungen Schwankungen der Spannungsaufteilung zwischen den Kondensatoren unterliegen, erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Schaltungsanordnung und ein Stromrichtermodul anzugeben, die in Reihe geschaltete Schalterbaugruppen mit jeweils einem Halbleiterschalter aufweisen und insbesondere hinsichtlich der Energieversorgung der Treiber der Halbleiterschalter verbessert sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine

Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Stromrichtermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst mehrere in Reihe geschaltete erste Schalterbaugruppen, die eine erste Schaltgruppenreihenschaltung bilden, eine mit der Anzahl erster Schalterbaugruppen übereinstimmende Anzahl in Reihe geschalteter zweiter Schalterbaugruppen, die eine zweite Schaltgruppenreihenschaltung bilden, eine mit der Anzahl erster Schalterbaugruppen übereinstimmende Anzahl von

Schaltnetzteilen und zwei jeweils wenigstens einen

Kondensator aufweisende Kondensatorbrücken. Jede

Schalterbaugruppe weist einen Halbleiterschalter, der einen Steueranschluss und zwei Lastanschlüsse aufweist, und einen Treiber zur Ansteuerung des Halbleiterschalters über dessen Steueranschluss auf. Eine erste Kondensatorbrücke ist mit einem ersten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung und einem ersten Ende der zweiten Schaltgruppenreihenschaltung elektrisch verbunden. Die zweite Kondensatorbrücke ist mit dem zweiten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung und dem zweiten Ende der zweiten Schaltgruppenreihenschaltung elektrisch verbunden. Jedes Schaltnetzteil ist einem

Schalterpaar von Halbleiterschaltern zugeordnet und versorgt die Treiber beider Halbleiterschalter des Schalterpaares mit Energie. Dabei wird jedes Schalterpaar von dem

Halbleiterschalter einer ersten Schalterbaugruppe und dem Halbleiterschalter derjenigen zweiten Schalterbaugruppe gebildet, deren Position in der zweiten

Schaltgruppenreihenschaltung bezogen auf das erste Ende der zweiten Schaltgruppenreihenschaltung zu der Position der ersten Schalterbaugruppe in der ersten

Schaltgruppenreihenschaltung bezogen auf das erstes Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung korrespondiert. Die Erfindung sieht also vor, die Treiber der

Halbleiterschalter der Schalterbaugruppen paarweise durch jeweils ein Schaltnetzteil mit Energie zu versorgen. Dabei sind die beiden Halbleiterschalter, deren Treiber von

demselben Schaltnetzteil mit Energie versorgt werden, an zueinander korrespondierenden Positionen in zwei

Schaltgruppenreihenschaltungen der Schalterbaugruppen

angeordnet, die miteinander durch zwei Kondensatorbrücken verbunden sind. Die Erfindung berücksichtigt, dass einander entsprechende Lastanschlüsse voneinander verschiedener

Halbleiterschalter bei einer Reihenschaltung der

Halbleiterschalter auf voneinander verschiedenen elektrischen Potentialen liegen. Bei einer gemeinsamen Energieversorgung der Treiber zweier Halbleiterschalter durch jeweils ein gemeinsames Schaltnetzteil muss diese Potentialdifferenz von dem Schaltnetzteil ausgeglichen werden. Es ist daher

vorteilhaft, die Potentialdifferenz zwischen den beiden

Halbleiterschaltern jedes von einem Schaltnetzteil versorgten Schalterpaares möglichst klein zu halten. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schalterbaugruppen in zwei durch zwei Kondensatorbrücken verbundenen

Schaltgruppenreihenschaltungen mit zueinander

korrespondierenden Positionen der Halbleiterschalter eines Schalterpaares in den beiden Schaltgruppenreihenschaltungen erreicht .

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die ersten Schalterbaugruppen räumlich übereinander oder nebeneinander in einem ersten Baugruppenstapel angeordnet sind und die zweiten Schalterbaugruppen zu den ersten Schalterbaugruppen korrespondierend, das heißt übereinander oder nebeneinander wie die ersten Schalterbaugruppen, in einem zweiten

Baugruppenstapel angeordnet sind. Vorzugsweise sind die

Schalterbaugruppen jedes Baugruppenstapels dabei in der Reihenfolge ihrer Schaltgruppenreihenschaltung übereinander oder nebeneinander angeordnet. Dadurch wird die räumliche Anordnung der Schalterbaugruppen vorteilhaft der elektrischen Verschaltung der Schalterbaugruppen angepasst. Dies ermöglicht insbesondere eine besonders einfache Realisierung der Verschaltung der Schalterbaugruppen der Baugruppenstapel.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedes Schaltnetzteil von einem Halbleiterschalter desjenigen Schalterpaares, dem das Schaltnetzteil zugeordnet ist, mit Energie aus einer elektrischen Spannung zwischen den

Lastanschlüssen des Halbleiterschalters versorgt wird.

Beispielsweise wird jedes Schaltnetzteil dabei von dem

Halbleiterschalter einer ersten Schalterbaugruppe mit Energie versorgt. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird eine Spannung, die an einem Halbleiterschalter eines

Schalterpaares anliegt, genutzt, um das Schaltnetzteil des jeweiligen Schalterpaares mit Energie zu versorgen. Dadurch entfallen die oben genannten Probleme, die bei einer

Energieversorgung der Treiber der Halbleiterschalter aus einer Kondensatorschaltung auftreten.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jede Schalterbaugruppe eine parallel zu dem Halbleiterschalter geschaltete Freilaufdiode aufweist. Dadurch werden die

Halbleiterschalter vor Überspannungen bei Änderungen ihrer Schaltzustande geschützt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Halbleiterschalter ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) , dessen Lastanschlüsse sein Emitter und sein Kollektor sind und dessen Steueranschluss sein Gate ist. Dabei sind die Halbleiterschalter je zweier in ihrer Reihenschaltung

aufeinander folgender Schalterbaugruppen beispielsweise durch eine elektrische Verbindung des Emitters eines der beiden Halbleiterschalter und des Kollektors des anderen der beiden Halbleiterschalter elektrisch miteinander verbunden.

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate vereinigen Vorteile von Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren und sind daher besonders geeignete Halbleiterschalter, insbesondere für Schaltungsanordnungen für Stromrichtermodule . Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass jede Kondensatorbrücke eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren aufweist, und/oder dass die Kondensatorbrücken identisch ausgebildet sind. Durch eine Reihenschaltung von

Kondensatoren kann eine hohe Spannung auf mehrere

Kondensatoren aufgeteilt werden und somit können vorteilhaft kleinere und kostengünstigere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit als bei Kondensatorbrücken mit nur jeweils einem Kondensator verwendet werden. Eine identische Ausbildung der Kondensatorbrücken realisiert eine

symmetrische Ausführung der Schaltungsanordnung und reduziert die Bauelementvielfalt gegenüber einer Ausbildung der

Kondensatorbrücken mit voneinander verschiedenen

Kondensatoren .

Ein erfindungsgemäßes Stromrichtermodul umfasst eine

erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und zwei

Modulanschlüsse. Ein erster Modulanschluss ist mit dem ersten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung elektrisch verbunden. Der zweite Modulanschluss ist mit dem zweiten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung elektrisch verbunden. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen einer

erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im

Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von

Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den

Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 einen Schaltplan eines Stromrichtermoduls,

FIG 2 eine räumliche Anordnung von Schalterbaugruppen eines Stromrichtermoduls. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit

denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen

Stromrichtermoduls 1. Das Stromrichtermodul 1 umfasst eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 3 und zwei

Modulanschlüsse 27, 28.

Die Schaltungsanordnung 3 umfasst vier in Reihe geschaltete erste Schalterbaugruppen 9, die eine erste

Schaltgruppenreihenschaltung 7 bilden, vier in Reihe

geschaltete zweite Schalterbaugruppen 10, die eine zweite Schaltgruppenreihenschaltung 8 bilden, vier

Schaltnetzteile 11 und zwei Kondensatorbrücken 5, 6. Jede Schalterbaugruppe 9, 10 weist eine Parallelschaltung eines Halbleiterschalters 13 und einer Freilaufdiode 15 sowie einen Treiber 17 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 13 auf.

Jeder Halbleiterschalter 13 ist als ein IGBT ausgebildet und weist zwei Lastanschlüsse 19, 20 und einen

Steueranschluss 21, über den der Halbleiterschalter 13 mit dem Treiber 17 angesteuert wird, auf. Ein erster

Lastanschluss 19 ist der Emitter des IGBT, der zweite

Lastanschluss 20 ist der Kollektor des IGBT, der

Steueranschluss 21 ist das Gate des IGBT.

Jede Kondensatorbrücke 5, 6 weist zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 25 auf. Eine erste Kondensatorbrücke 5 ist mit einem ersten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung 7 und einem ersten Ende der zweiten

Schaltgruppenreihenschaltung 8 elektrisch verbunden. Die zweite Kondensatorbrücke 6 ist mit dem zweiten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung 7 und dem zweiten Ende der zweiten Schaltgruppenreihenschaltung 8 elektrisch

verbunden .

Jedes Schaltnetzteil 11 ist einem Schalterpaar von

Halbleiterschaltern 13 zugeordnet und versorgt die Treiber 17 beider Halbleiterschalter 13 des Schalterpaares mit Energie. Jedes Schalterpaar wird von dem Halbleiterschalter 13 einer ersten Schalterbaugruppe 9 und dem Halbleiterschalter 13 derjenigen zweiten Schalterbaugruppe 10, deren Position in der zweiten Schaltgruppenreihenschaltung 8 bezogen auf deren erstes Ende zu der Position der ersten Schalterbaugruppe 9 in der ersten Schaltgruppenreihenschaltung 7 bezogen auf deren erstes Ende korrespondiert, gebildet.

Jedes Schaltnetzteil 11 wird von dem Halbleiterschalter 13 der ersten Schalterbaugruppe 9 desjenigen Schalterpaares, dem das Schaltnetzteil 11 zugeordnet ist, mit Energie aus einer elektrischen Spannung zwischen den Lastanschlüssen 19, 20 des Halbleiterschalters 13 versorgt. Das Schaltnetzteil 11 ist dazu ausgebildet, die zwischen den beiden Lastanschlüssen 19, 20 anliegende Spannung zu messen und Energie aus dieser

Spannung auszukoppeln, wenn der Halbleiterschalter 13

abgeschaltet (sperrend) ist und die Freilaufdiode 15 nicht leitet. Ferner berücksichtigt das Schaltnetzteil 11 eine Potentialdifferenz zwischen den einander entsprechenden

Lastanschlüssen 19, 20 (beispielsweise zwischen den

Emittern 19) der beiden Halbleiterschalter 13, deren Treiber 17 es mit Energie versorgt. Die zueinander korrespondierende Anordnung der beiden Halbleiterschalter 13 eines

Schalterpaares in den beiden

Schaltgruppenreihenschaltungen 7, 8 bewirkt vorteilhaft eine relativ geringe Potentialdifferenz zwischen den beiden

Halbleiterschaltern 13 des Schalterpaares. Die

Energieversorgung der Schaltnetzteile 11 jeweils durch die Spannung an einem Halbleiterschalter 13 einer ersten

Schalterbaugruppe 9 und die Energieversorgung der Treiber 17 der Halbleiterschalter 13 der zweiten Schalterbaugruppe 10 durch jeweils ein Schaltnetzteil 11 sind in Figur 1 jeweils durch einen Pfeil angedeutet.

Die Halbleiterschalter 13 je zweier in einer

Schaltgruppenreihenschaltung 7, 8 aufeinander folgender

Schalterbaugruppen 9, 10 sind durch eine elektrische Verbindung des Emitters 19 eines der beiden

Halbleiterschalter 13 und des Kollektors 20 des anderen der beiden Halbleiterschalter 13 elektrisch miteinander

verbunden .

Die Anode der Freilaufdiode 15 einer Schalterbaugruppe 9, 10 ist mit dem Emitter 19 des Halbleiterschalters 13 der

Schalterbaugruppe 9, 10 verbunden. Die Kathode der

Freilaufdiode 15 einer Schalterbaugruppe 9, 10 ist mit dem Kollektor 20 des Halbleiterschalters 13 der

Schalterbaugruppe 9, 10 verbunden.

Ein erster Modulanschluss 27 ist mit dem ersten Ende der ersten Schaltgruppenreihenschaltung 7 verbunden. Der zweite Modulanschluss 28 ist mit dem zweiten Ende der ersten

Schaltgruppenreihenschaltung 7 verbunden.

Figur 2 zeigt die räumliche Anordnung der

Schalterbaugruppen 9, 10. Die ersten Schalterbaugruppen 9 sind übereinander in einem ersten Baugruppenstapel 23

angeordnet. Die zweiten Schalterbaugruppen 10 sind

übereinander in einem zweiten Baugruppenstapel 24 angeordnet. Die beiden Baugruppenstapel 23, 24 sind nebeneinander

angeordnet. Die Schalterbaugruppen 9, 10 jedes

Baugruppenstapels 23, 24 sind in der Reihenfolge ihrer

Schaltgruppenreihenschaltung 7, 8 übereinander angeordnet.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele einer Schaltungsanordnung 3 und eines Stromrichtermoduls 1 können auf verschiedene Weisen abgewandelt werden.

Beispielsweise kann eine von Vier verschiedene Anzahl von ersten Schalterbaugruppen 9, zweiten Schalterbaugruppen 10 und Schaltnetzteilen 11 und/oder eine von Zwei verschiedene Anzahl von Kondensatoren 25 in den Kondensatorbrücken 5, 6 vorgesehen sein. Ferner kann vorgesehen sein, zusätzlich zu der Energieversorgung der Schaltnetzteile 11 aus an den

Halbleiterschaltern 13 der ersten Schalterbaugruppen 9 anliegenden Spannungen eine redundante Energieversorgung der Schaltnetzteile 11, beispielsweise aus einem Strom oder den Kondensatorbrücken 5, 6 zu ermöglichen, die bedarfsweise genutzt werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte

Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der

Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Stromrichtermodul

3 Schaltungsanordnung

5, 6 Kondensatorbrücke

7, 8 Schaltgruppenreihenschaltung

9, 10 Schalterbaugruppe

11 Schaltnetzteil

13 Halbleiterschalter

15 Freilaufdiode

17 Treiber

19, 20 Lastanschluss

21 Steueranschluss

23, 24 Baugruppenstapel

25 Kondensator

27 28 Modulanschluss