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Title:
CIRCUIT ARRANGEMENT AND POWER CONVERTER MODULE HAVING SEMICONDUCTOR SWITCHES CONNECTED IN SERIES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/192675
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit arrangement (3) comprising an even number of semiconductor switches (5, 6), which are connected in series and comprise in each case two load terminals (7, 8) and a control terminal (9) and are associated with one another in pairs. The circuit arrangement (3) also comprises, for each semiconductor switch (5, 6), a driver (11) for actuating the semiconductor switch (5, 6) via the control terminal (9) thereof and, for every two semiconductor switches (5, 6) that form a switch pair (15), comprises a switching power supply (17) which is supplied with energy from an electrical voltage between the two load terminals (7, 8) of a first semiconductor switch (5) of the switch pair (15) and supplies both the driver (11) of the first semiconductor switch (5) and the driver (11) of the second semiconductor switch (6) of the switch pair (15) with energy.

Inventors:
DÖRING, David (Bierlachweg 35, Erlangen, 91058, DE)
GIERING, Gerald Franz (Rosenwinkel 17, Kalchreuth, 90562, DE)
WÜRFLINGER, Klaus (Lange Zeile 30, Nürnberg, 90419, DE)
Application Number:
EP2018/058457
Publication Date:
October 10, 2019
Filing Date:
April 03, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H03K17/10
Domestic Patent References:
WO2002023704A12002-03-21
Foreign References:
DE202012012080U12014-03-24
US20110148368A12011-06-23
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung (3), umfassend

- eine gerade Anzahl in Reihe geschalteter

Halbleiterschalter (5, 6), die jeweils zwei

Lastanschlüsse (7, 8) und einen Steueranschluss (9) aufweisen und paarweise einander zugeordnet sind,

- für jeden Halbleiterschalter (5, 6) einen Treiber (11) zur

Ansteuerung des Halbleiterschalters (5, 6) über dessen

Steueranschluss (9) und

- für je zwei ein Schalterpaar (15) bildende

Halbleiterschalter (5, 6) ein Schaltnetzteil (17), das aus einer elektrischen Spannung zwischen den beiden

Lastanschlüssen (7, 8) eines ersten Halbleiterschalters (5) des Schalterpaares (15) mit Energie versorgt wird und sowohl den Treiber (11) des ersten Halbleiterschalters (5) als auch den Treiber (11) des zweiten Halbleiterschalters (6) des Schalterpaares (15) mit Energie versorgt.

2. Schaltungsanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei zu jedem Halbleiterschalter (5, 6) eine Freilaufdiode (13) parallel geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Halbleiterschalter (5, 6) ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist, dessen Lastanschlüsse (7, 8) sein

Emitter und sein Kollektor sind und dessen

Steueranschluss (9) sein Gate ist.

4. Schaltungsanordnung (3) nach Anspruch 3, wobei je zwei in der Reihenschaltung aufeinander folgende

Halbleiterschalter (5, 6) durch eine elektrische Verbindung des Emitters eines der beiden Halbleiterschalter (5, 6) und des Kollektors des anderen der beiden Halbleiterschalter (5,

6) elektrisch miteinander verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalter (5, 6) in der

Reihenfolge ihrer Reihenschaltung gestapelt angeordnet sind.

6. Schaltungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche mit wenigstens vier Halbleiterschaltern (5, 6) , wobei die ersten Halbleiterschalter (5) der

Schalterpaare (15) eine Teilreihenschaltung bilden, die in der Reihenschaltung der Halbleiterschalter (5, 6) zwischen einer ersten Teilmenge (25) zweiter Halbleiterschalter (6) der Schalterpaare (15) und einer zweiten Teilmenge (26) zweiter Halbleiterschalter (6) der Schalterpaare (15) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung (3) nach Anspruch 6, wobei die

Mächtigkeiten der beiden Teilmengen (25, 26) zweiter

Halbleiterschalter (6) im Falle einer geraden Anzahl von Schalterpaaren (15) gleich groß sind und sich im Falle einer ungeraden Anzahl von Schalterpaaren (15) um Eins

unterscheiden .

8. Schaltungsanordnung (3) nach Anspruch 6 oder 7, wobei zwischen den beiden Halbleiterschaltern (5, 6) jedes

Schalterpaares (15) in der Reihenschaltung der

Halbleiterschalter (5, 6) eine Anzahl von

Halbleiterschaltern (5, 6) angeordnet ist, die um Eins kleiner als die Mächtigkeit derjenigen Teilmenge (25, 26) zweiter Halbleiterschalter (6) ist, der der zweite

Halbleiterschalter (6) des Schalterpaares (15) angehört.

9. Stromrichtermodul (1), umfassend

- eine Schaltungsanordnung (3) nach einem der Ansprüche 6 bis

8,

- eine mit den beiden Enden der Reihenschaltung der

Halbleiterschalter (5, 6) verbundene

Kondensatorschaltung (21) mit wenigstens einem

Kondensator (23) und - zwei Modulanschlüsse (19), die Endanschlüsse der von den ersten Halbleiterschaltern (5) der Schalterpaare (15) gebildeten Teilreihenschaltung sind. 10. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 9, wobei die

Kondensatorschaltung (21) eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren (23) ist.

11. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 10, wobei die

Kondensatorschaltung (21) eine Anzahl von Kondensatoren (23) aufweist, die mit der Anzahl der Schalterpaare (15) der Schaltungsanordnung (3) übereinstimmt.

Description:
Beschreibung

Schaltungsanordnung und Stromrichtermodul mit in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die in Reihe geschaltete 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 Halbleiterschaltern 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 Halbleiterschaltern mit Schwierigkeiten verbunden, weil eine Energieauskopplung entweder aus einer Kondensatorschaltung für die gesamte Reihenschaltung der Halbleiterschalter 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 unterliegt, erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Schaltungsanordnung und ein Stromrichtermodul anzugeben, die in Reihe geschaltete 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 9 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine gerade Anzahl in Reihe geschalteter Halbleiterschalter, die jeweils zwei Lastanschlüsse und einen Steueranschluss aufweisen und paarweise einander zugeordnet sind, für jeden

Halbleiterschalter einen Treiber zur Ansteuerung des

Halbleiterschalters über dessen Steueranschluss und für je zwei ein Schalterpaar bildende Halbleiterschalter ein

Schaltnetzteil, das aus einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Lastanschlüssen eines ersten Halbleiterschalters des Schalterpaares mit Energie versorgt wird und sowohl den Treiber des ersten Halbleiterschalters als auch den Treiber des zweiten Halbleiterschalters des Schalterpaares mit

Energie versorgt.

Die Erfindung sieht also vor, die Treiber in Reihe

geschalteter Halbleiterschalter paarweise durch jeweils ein Schaltnetzteil mit Energie zu versorgen. Das Schaltnetzteil wird durch eine Spannung zwischen den Lastanschlüssen eines ersten Halbleiterschalters mit Energie versorgt. Dabei wird eine Spannung, die an dem ersten Halbleiterschalter in dessen abgeschaltetem Zustand eines jeden Schaltpaares anliegt, genutzt, um das Schaltnetzteil des jeweiligen Schalterpaares mit Energie zu versorgen, so dass die oben genannten Probleme einer Energieversorgung aus einer Kondensatorschaltung nicht auftreten .

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zu jedem Halbleiterschalter eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Dadurch werden die Halbleiterschalter vor Überspannungen bei Änderungen ihres Schaltzustands geschützt. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Halbleiterschalter ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, dessen Lastanschlüsse sein Emitter und sein Kollektor sind und dessen Steueranschluss sein Gate ist. Insbesondere sind je zwei in der Reihenschaltung aufeinander folgende

Halbleiterschalter dabei 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 .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Halbleiterschalter in der Reihenfolge ihrer Reihenschaltung (übereinander oder nebeneinander) gestapelt angeordnet sind. Dies bewirkt eine platzsparende Ausführung der

Schaltungsanordnung und ermöglicht eine einfache Verschaltung der Halbleiterschalter.

Eine weitere Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit wenigstens vier Halbleiterschaltern sieht vor, dass die ersten Halbleiterschalter der Schalterpaare eine

Teilreihenschaltung bilden, die in der Reihenschaltung der Halbleiterschalter zwischen einer ersten Teilmenge zweiter Halbleiterschalter der Schalterpaare und einer zweiten

Teilmenge zweiter Halbleiterschalter der Schalterpaare angeordnet ist. Die Mächtigkeiten der beiden Teilmengen zweiter Halbleiterschalter sind dabei vorzugsweise im Falle einer geraden Anzahl von Schalterpaaren gleich groß und unterscheiden sich im Falle einer ungeraden Anzahl von

Schalterpaaren um Eins voneinander. Ferner ist zwischen den beiden Halbleiterschaltern jedes Schalterpaares in der

Reihenschaltung der Halbleiterschalter vorzugsweise eine Anzahl von Halbleiterschaltern angeordnet, die um Eins kleiner als die Mächtigkeit derjenigen Teilmenge zweiter Halbleiterschalter ist, der der zweite Halbleiterschalter des Schalterpaares angehört. Diese Ausgestaltungen der Erfindung berücksichtigen, dass einander entsprechende Lastanschlüsse der beiden Halbleiterschalter eines Schalterpaares aufgrund der Reihenschaltung der Halbleiterschalter auf voneinander verschiedenen elektrischen Potentialen liegen. Diese

Potentialdifferenz muss von dem Schaltnetzteil, das die

Treiber der beiden Halbleiterschalter mit Energie versorgt, ausgeglichen werden. Es ist daher vorteilhaft, die

Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbleiterschaltern jedes Schalterpaares möglichst klein zu halten. Dies wird durch die vorgenannte Anordnung der Halbleiterschalter erreicht, die eine möglichst geringe Anzahl von zwischen die beiden Halbleiterschalter jedes Schalterpaares geschalteten Halbleiterschaltern anderer Schalterpaare realisiert, wobei die ersten Halbleiterschalter eine Teilreihenschaltung bilden .

Ein erfindungsgemäßes Stromrichtermodul umfasst eine

Schaltungsanordnung gemäß einer der vorgenannten

Ausgestaltungen, eine mit den beiden Enden der

Reihenschaltung der Halbleiterschalter verbundene

Kondensatorschaltung mit wenigstens einem Kondensator und zwei Modulanschlüsse, die Endanschlüsse der von den ersten Halbleiterschaltern der Schalterpaare gebildeten

Teilreihenschaltung sind. Dabei kann die Kondensatorschaltung eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren sein.

Insbesondere kann die Kondensatorschaltung eine Anzahl von Kondensatoren aufweisen, die mit der Anzahl der Schalterpaare von Halbleiterschaltern übereinstimmt. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen der 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 ein Stromrichtermodul mit vier in Reihe geschalteten HalbleiterSchaltern,

FIG 2 ein Stromrichtermodul mit acht in Reihe

geschalteten HalbleiterSchaltern .

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit

denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen

Stromrichtermoduls 1 mit einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung 3, die vier in Reihe geschaltete

Halbleiterschalter 5, 6 aufweist.

Jeder Halbleiterschalter 5, 6 ist als ein IGBT ausgebildet und weist zwei Lastanschlüsse 7, 8 (den Emitter 7 und den Kollektor 8) und einen Steueranschluss 9 (das Gate) auf. Je zwei in der Reihenschaltung aufeinander folgende

Halbleiterschalter 5, 6 sind durch eine elektrische

Verbindung des Emitters 7 eines der beiden

Halbleiterschalter 5, 6 und des Kollektors 8 des anderen der beiden Halbleiterschalter 5, 6 elektrisch miteinander

verbunden .

Die Schaltungsanordnung 3 weist ferner für jeden

Halbleiterschalter 5, 6 einen Treiber 11 und eine

Freilaufdiode 13 auf. Mit dem Treiber 11 wird der

Halbleiterschalter 5, 6 über den Steueranschluss 9

angesteuert. Die Freilaufdiode 13 ist parallel zu dem

Halbleiterschalter 5, 6 geschaltet, wobei die Anode der

Freilaufdiode 13 mit dem Emitter 7 des Halbleiterschalters 5, 6 verbunden ist und die Kathode der Freilaufdiode 13 mit dem Kollektor 8 des Halbleiterschalters 5, 6 verbunden ist.

Die Halbleiterschalter 5, 6 sind einander paarweise

zugeordnet und bilden somit zwei Schalterpaare 15. Die

Schaltungsanordnung 3 weist für jedes Schalterpaar 15 ein Schaltnetzteil 17 auf, das aus einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Lastanschlüssen 7, 8 eines ersten

Halbleiterschalters 5 des Schalterpaares 15 mit Energie versorgt wird und sowohl den Treiber 11 des ersten

Halbleiterschalters 5 als auch den Treiber 11 des zweiten Halbleiterschalters 6 des Schalterpaares 15 mit Energie versorgt. Die Energieversorgung eines Schaltnetzteils 17 und eines zweiten Halbleiterschalters 6 durch ein

Schaltnetzteil 17 sind jeweils durch einen Pfeil angedeutet.

Die beiden ersten Halbleiterschalter 5 der Schalterpaare 15 bilden eine Teilreihenschaltung, die in der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 5, 6 zwischen den beiden zweiten

Halbleiterschaltern 6 der Schalterpaare 15 angeordnet ist, wobei die beiden Halbleiterschalter 5, 6 jedes

Schalterpaares 15 aufeinander folgend angeordnet sind.

Das Stromrichtermodul 1 weist ferner zwei Modulanschlüsse 19 und eine Kondensatorschaltung 21 auf. Die Modulanschlüsse 19 sind die Endanschlüsse der von den ersten

Halbleiterschaltern 5 der Schalterpaare 15 gebildeten

Teilreihenschaltung. Die Kondensatorschaltung 21 ist mit den beiden Enden der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 5, 6 verbunden und weist zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 23 auf.

Die Halbleiterschalter 5, 6 sind in der Reihenfolge ihrer Reihenschaltung übereinander oder nebeneinander gestapelt angeordnet .

Figur 2 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen

Stromrichtermoduls 1 mit einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung 3, die acht in Reihe geschaltete

Halbleiterschalter 5, 6 aufweist.

Jeder Halbleiterschalter 5, 6 ist als ein IGBT ausgebildet und weist zwei Lastanschlüsse 7, 8 (den Emitter 7 und den Kollektor 8) und einen Steueranschluss 9 (das Gate) auf. Je zwei in der Reihenschaltung aufeinander folgende Halbleiterschalter 5, 6 sind durch eine elektrische

Verbindung des Emitters 7 eines der beiden

Halbleiterschalter 5, 6 und des Kollektors 8 des anderen der beiden Halbleiterschalter 5, 6 elektrisch miteinander

verbunden .

Die Schaltungsanordnung 3 weist ferner für jeden

Halbleiterschalter 5, 6 einen Treiber 11 und eine

Freilaufdiode 13 auf. Mit dem Treiber 11 wird der

Halbleiterschalter 5, 6 über den Steueranschluss 9

angesteuert. Die Freilaufdiode 13 ist parallel zu dem

Halbleiterschalter 5, 6 geschaltet, wobei die Anode der

Freilaufdiode 13 mit dem Emitter 7 des Halbleiterschalters 5, 6 verbunden ist und die Kathode der Freilaufdiode 13 mit dem Kollektor 8 des Halbleiterschalters 5, 6 verbunden ist.

Die Halbleiterschalter 5, 6 sind einander paarweise

zugeordnet und bilden somit vier Schalterpaare 15. Die

Schaltungsanordnung 3 weist für jedes Schalterpaar 15 ein Schaltnetzteil 17 auf, das aus einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Lastanschlüssen 7, 8 eines ersten

Halbleiterschalters 5 des Schalterpaares 15 mit Energie versorgt wird und sowohl den Treiber 11 des ersten

Halbleiterschalters 5 als auch den Treiber 11 des zweiten Halbleiterschalters 6 des Schalterpaares 15 mit Energie versorgt. Die Energieversorgung eines Schaltnetzteils 17 und eines zweiten Halbleiterschalters 6 durch ein

Schaltnetzteil 17 sind jeweils durch einen Pfeil angedeutet.

Die vier ersten Halbleiterschalter 5 der Schalterpaare 15 bilden eine Teilreihenschaltung, die in der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 5, 6 zwischen einer ersten

Teilmenge 25 zweiter Halbleiterschalter 6 der

Schalterpaare 15 und einer zweiten Teilmenge 26 zweiter

Halbleiterschalter 6 der Schalterpaare 15 angeordnet ist, wobei jede Teilmenge 25, 26 zwei zweite Halbleiterschalter 6 aufweist und zwischen den beiden Halbleiterschaltern 5, 6 jedes Schalterpaares 15 genau ein Halbleiterschalter 5, 6 eines anderen Schalterpaares 15 angeordnet ist.

Das Stromrichtermodul 1 weist ferner zwei Modulanschlüsse 19 und eine Kondensatorschaltung 21 auf. Die Modulanschlüsse 19 sind die Endanschlüsse der von den ersten

Halbleiterschaltern 5 der Schalterpaare 15 gebildeten

Teilreihenschaltung. Die Kondensatorschaltung 21 ist mit den beiden Enden der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 5, 6 verbunden und weist vier in Reihe geschaltete Kondensatoren 23 auf.

Die Halbleiterschalter 5, 6 sind in der Reihenfolge ihrer Reihenschaltung übereinander oder nebeneinander gestapelt angeordnet .

Bei beiden in den Figuren 1 und 2 gezeigten

Stromrichtermodulen 1 ist jedes Schaltnetzteil 17 dazu ausgebildet, die zwischen den beiden Lastanschlüssen 7, 8 des jeweiligen ersten Halbleiterschalters 5 anliegende Spannung zu messen und Energie aus dieser Spannung auszukoppeln, wenn der erste Halbleiterschalter 5 abgeschaltet (sperrend) ist. Ferner gleicht das Schaltnetzteil 17 eine Potentialdifferenz zwischen den einander entsprechenden Lastanschlüssen 7, 8

(beispielsweise zwischen den Emittern 7) der beiden

Halbleiterschalter 5, 6 des jeweiligen Schalterpaares 15 aus. Die einander benachbarte Anordnung der beiden

Halbleiterschalter 5, 6 eines Schalterpaares 15 im Falle der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung 3 und die Anordnung der beiden Halbleiterschalter 5, 6 eines Schalterpaares 15 mit nur jeweils einem zwischen den beiden

Halbleiterschaltern 5, 6 angeordneten Halbleiterschalter 5, 6 eines anderen Schalterpaares 15 im Falle der in Figur 2 gezeigten Schaltungsanordnung 3 bewirken jeweils vorteilhaft eine relativ geringe Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbleiterschaltern 5, 6 eines Schalterpaares 15. Bei beiden in den Figuren 1 und 2 gezeigten

Stromrichtermodulen 1 kann ferner vorgesehen sein, zusätzlich zu der Energieversorgung der Schaltnetzteile 17 aus an den ersten Halbleiterschaltern 5 anliegenden Spannungen eine redundante Energieversorgung der Schaltnetzteile 17,

beispielsweise aus einem Strom oder der

Kondensatorschaltung 21 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

I Stromrichtermodul

3 Schaltungsanordnung

5, 6 Halbleiterschalter

7, 8 Lastanschluss

9 Steueranschluss

II Treiber

13 Freilaufdiode

15 Schalterpaar

17 Schaltnetzteil

19 Modulanschluss

21 Kondensatorschaltung

23 Kondensator

25, 26 Teilmenge