Inverterschaltung mit einer Schaltungsanordnung zum regenerativen Dämpfen elektrischer Schwingungen

und Verfahren zum regenerativen Dämpfen elektrischer Schwingungen

Die Erfindung betrifft eine Inverterschaltung, bei der die Energie in den elektrischen Schwingungen, die bei Schaltvorgängen entstehen, zum großen Teil wiedergewonnen wird, und sie umfasst auch ein mit dieser Inverterschaltung realisiertes Verfahren zum regenerativen Dämpfen elektrischer Schwingungen.

Stand der Technik

Inverter, auch Wechselrichter genannt, formen eine von einer Quelle bereit gestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung aus rechteckförmigen Impulsen variabler Frequenz um, die dann einer Last zur Verfügung gestellt wird, z.B. zum Betreiben einer elektrischen Maschine, etwa zu Antreiben eines Motor für ein Elektrofahrzeug.

Inverter werden ein- und mehrphasig eingesetzt. Bei einem einphasigen Inverter werden die Ausgänge über Schalter abwechselnd mit dem Plus- und dem

Minuspol der Quelle verbunden. Bei einem mehrphasigen Inverter werden die einzelnen Anschlüsse der Last (Phasen) in einer von der Anwendung

abhängigen Reihenfolge umgepolt. Beispielsweise kann ein dreiphasiger Inverter dafür eingesetzt werden, drei zu einem Stern zusammengeschaltete Wicklungen eines Motors zyklisch umzupolen.

Figur 6 zeigt die grundsätzliche Schaltung eines dreiphasigen Inverters nach dem Stand der Technik. Hier wird die Gleichspannung von einem Akkumulator geliefert und an einem Zwischenkreiskondensator zur Verfügung gestellt. Jede der drei Phasen kann gesondert über jeweils einen Halbleiterschalter mit dem Pluspol oder dem Minuspol der Gleichspannung verbunden werden, wobei als Halbleiterschalter bevorzugt MOSFETS oder IGBTs mit jeweils parallel geschalteten Dioden (Freilaufdioden) zum Einsatz kommen. Dabei werden die beiden Schalter jeder Phase im Gegentakt betrieben, allerdings mit einer gewissen Totzeit beim Umschalten, um Überschneidungen - die ja einen Kurzschluss der Quelle bedeuten würden - sicher zu vermeiden.

Im Moment des Öffnens der Halbleiterschalter machen sich die parasitäre Induktivitäten der Schaltung und hier insbesondere die Induktivitäten der Verbindungsleitungen zwischen der Quelle mit dem Zwischenkreiskondensator und dem Leistungsmodul mit den Halbleiterschaltern störend bemerkbar. Die in diesen parasitären Induktivitäten gespeicherte Energie bewirkt nämlich einen Induktionsspannungsstoß, der zu Überspannungen an den Halbleiterschaltern führt und so das Leistungsmodul gefährdet, und der weiterhin zu elektrischen Schwingungen führt. Um dem zu begegnen stellt der Stand der Technik zwei verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung, die auch kombiniert werden können: Zum einen werden die elektronischen Schalter von vorn herein für die zu erwartenden Überspannungen ausgelegt, indem deren Durchbruchsspannung deutlich über der Zwischenkreisspannung liegt. Zum andern kann ein

zusätzlicher Kondensator niederinduktiv an die Halbleiterschalter angeschlossen werden („kapazitiver Snubber"), wobei„niederinduktiv" bedeutet, dass er unter Minimierung der Zuleitungslängen in das Leistungsmodul integriert sein sollte. Dabei entsteht eine elektrische Schwingung zwischen diesem Kondensator und den parasitären Induktivitäten, die durch die ohmschen Widerstände der

Schaltung (in der Figur nicht dargestellt) gedämpft wird und abklingt. In beiden Fällen wird die in den parasitären Induktivitäten gespeicherte magnetische Energie bei jedem Schaltvorgang in Wärme umgewandelt und führt zu Verlusten, die proportional zur Schaltfrequenz ansteigen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung hat in einem ersten Aspekt eine Inverterschaltung zum

abwechselnden Verbinden der Phasen einer n-phasigen, insbesondere dreiphasigen Last mit dem positiven und dem negativen Pol einer

Gleichspannungsquelle zum Gegenstand, die in ein Leistungsmodul integrierte, parallel zueinander geschaltete Paare von elektronischen Schaltern aufweist, wobei die beiden zu dem jeweiligen Paar gehörenden Schalter in Serie geschaltet sind, und wobei an der Verbindung der beiden, zu dem Paar gehörenden elektronischen Schalter der Anschluss für die jeweilige Phase der Last vorgesehen ist. Weiterhin weist die Inverterschaltung einen

Zwischenkreiskondensator auf, der parallel zu der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, und er weist elektrische Verbindungen auf, die vom

Zwischenkreiskondensator zum Leistungsmodul verlaufen und zum Anschließen der Schalterpaare dienen, wobei diese Verbindungen verteilte parasitäre Induktivitäten aufweisen und dadurch beim Schalten elektrische Schwingungen hervorrufen. Um diese Schwingungen zu dämpfen und die in ihnen enthaltene Energie zurückzugewinnen umfasst die Schaltungsanordnung

- einen Pufferkondensator, der mit seinem ersten Anschluss mit einem

Anschluss der Schalterpaare verbunden ist,

eine erste Diode, über die der Pufferkondensator mit seinem anderen Anschluss mit dem anderen Anschluss der Schalterpaare verbunden ist, weitere Dioden, über die der Pufferkondensator mit den Anschlüssen für die jeweilige Phase der Last verbunden ist, und

einen Tiefsetzsteller über den der Pufferkondensator mit dem

Zwischenkreiskondensator, verbunden ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Rückgewinnen der Energie, die im Magnetfeld der verteilten parasitären Induktivitäten eines

Gleichstrom-Stromkreises enthalten ist, wobei dieser Gleichstrom-Stromkreis eine Gleichspannungsquelle einen elektronischen Schalter und eine Last umfasst, mit den Schritten

Öffnen des Schalters,

- Zuführen der durch das Schalten an den parasitären Induktivitäten

induzierten Induktionsspannung zu einem Pufferkondensator über eine Diode, die so gepolt ist, dass sie ein nachfolgendes Entladen des

Pufferkondensators in den Stromkreis verhindert, und

Entladen des Pufferkondensators über einen Tiefsetzsteller an die

Gleichspannungsquelle. Vorteile der Erfindung

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Überspannungen an den elektronischen Schaltern vermieden werden und diese daher nicht hinsichtlich ihrer Spannungsfestigkeit überdimensioniert werden müssen. Außerdem wird die in den parasitären Induktivitäten enthaltene Energie zurückgewonnen und an den Zwischenkreiskondensator bzw. an die Spannungsquelle zurück übertragen. Zumal bei hohen Schaltfrequenzen verringert dies die Verluste und die dafür erforderliche Kühlleistung im Leistungsmodul merklich. Auch E MV- Probleme

(Elektromagnetische Verträglichkeit) werden verringert. Die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter kann dadurch erhöht werden.

Ausführungsarten der Erfindung bieten weitere Vorteile:

Wenn der Pufferkondensator und die Dioden niederinduktiv an die Schalter angeschlossen sind, werden Schwingungen auf Grund der von parasitären Induktivitäten der Anschlüsse diese Bauelemente verringert. Dies ist besonders effektiv, wenn sie in das Leistungsmodul integriert werden.

Mit einem zusätzlichen Dämpfungskondensator, der parallel zu den

Schalterpaaren geschaltet und niederinduktiv an diese angeschlossen ist, kann eine zusätzliche Dämpfung von Schwingungen, insbesondere bei sehr schnell schaltenden Schaltern erreicht werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine weitere Erhöhung der Schaltfrequenz.

Auch der Dämpfungskondensator wird bevorzugt in das Leistungsmodul integriert, um Schwingungen auf Grund von parasitären Induktivitäten in dessen Zuleitungen zu vermeiden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen

Figur 1 eine erste Ausführungsart der Erfindung; Figur 2a Simulationsergebnisse zu einer Schaltung nach dem Stand der Technik (Fig.6);

Figur 2b Simulationsergebnisse für eine Schaltung nach der Erfindung gemäß Figur 1;

Figur 3 eine zweite Ausführungsart der Erfindung mit einem ergänzenden Snubber- Kondensator C _S NB;

Figur 4a Simulationsergebnisse zu einer Schaltung nach dem Stand der Technik (Figur 6) mit einem ergänzenden Snubber- Kondensator C _S NB;

Figur 4b Simulationsergebnisse für eine Schaltung nach der Erfindung mit einem ergänzenden Snubber- Kondensator C _S NB, gemäß Figur 3;

Figur 5 symbolisch das allgemeine Verfahren zum Rückgewinnen der Energie aus elektrischen Schwingungen; und

Figur 6 eine Inverterschaltung nach dem Stand der Technik.

Die Erfindung geht aus von einer z.B. dreiphasigen Inverterschaltung nach Figur

6 zum abwechselnden Verbinden der Phasen einer dreiphasigen Last M mit dem positiven und dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle U _B . Die Schaltung weist dafür drei in ein Leistungsmodul 1 integrierte, parallel zueinander geschaltete Paare von elektronischen Schaltern (Ti, T ₂ ; T ₃ , T ₄ ; T ₅ , T ₆ ) auf, wobei die beiden zu dem jeweiligen Paar gehörenden Schalter in Serie geschaltet sind.

An der jeweiligen Verbindung der beiden, zu dem Paar gehörenden

elektronischen Schaltern ist der Anschluss für die jeweilige Phase (Mi, M ₂ , M ₃ ) der Last M vorgesehen. Parallel zur Gleichspannungsquelle U _B ist ein Zwischenkreiskondensator C _Z K geschaltet.

Alle diese Bauelemente gemäß dem Stand der Technik nach Figur 6 weist auch die Inverterschaltung nach der Erfindung gemäß Figur 1 und 3 auf.

Die Schalter werden in der Weise betätigt, dass immer nur höchstens einer der beiden zu einem Schalterpaar gehörenden Schalter geschlossen ist, wodurch die zugehörige Phase der Last entweder mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist.

Insbesondere die elektrische Verbindungen 2 und 3 zwischen dem

Zwischenkreiskondensator C _Z K und dem Leistungsmodul 1 zum Anschließen der Schalterpaare (Ti, T ₂ ; T ₃ , T ; T ₅ , T ₆ ), enthalten verteilte parasitäre Induktivitäten, und diese sind in der Figur 6 symbolisch als ein konzentriertes Schaltelement

LPAR dargestellt. Beim Schalten der elektronischen Schalter (Ti, T ₂ , T ₃ , T ₄ , T ₅ und T ₆ ) rufen diese Induktivitäten Überspannungen und elektrische Schwingungen hervor. Im Stand der Technik wird dem einerseits dadurch begegnet, dass die Schalter für die zu erwartenden Überspannungen ausgelegt werden, indem deren Durchbruchsspannung deutlich über der Zwischenkreisspannung liegt.

Zum andern kann ein zusätzlicher Kondensator C _S NB niederinduktiv an den Halbleiter angeschlossen werden („kapazitiver Snubber"); in Figur 6 ist dieser Kondensator gestrichelt eingezeichnet. Die in der Schwingung enthaltene Energie wird dabei in den unvermeidlichen ohmschen Widerständen der

Schaltung (in der Zeichnung nicht dargestellt) in Wärme umgewandelt und muss ggf. abgeführt werden.

Hiervon ausgehend zeigt Figur 1 eine erste Ausführungsart der Erfindung, wobei gleiche Bauteile gleich bezeichnet sind. Im Zentrum der Schaltung steht dabei der Pufferkondensator C _Buff , der mit einem seiner Anschlüsse (Figur 1 unten) mit dem einen Anschluss der Schalterpaare (Ti, T ₂ ; T ₃ , T ; T ₅ , T ₆ ) verbunden ist. Der andere Anschluss des Pufferkondensators ist über eine erste Diode D _H i _gh , mit dem anderen Anschluss der Schalterpaare (Ti, T ₂ ; T ₃ , T ; T ₅ , T ₆ ) verbunden, und über drei weitere Dioden (D _Low i, D _Lo w2, D _LoW 3) mit den drei Anschlüssen für die jeweilige Phase (Mi, M ₂ , M ₃ ) der Last M. Dadurch wird die Spannung an den geöffneten Schaltern auf die Zwischenkreisspannung beschränkt, und die Energie aus den parasitären Induktivitäten L _PA R wird in den Pufferkondensator C _ßuff geleitet und dort zwischengespeichert.

Diese zwischengespeicherte Energie wird anschließend dem Pufferkondensator C _ßuff entnommen und einem Tiefsetzsteller T _s zugeführt. Tiefsetzsteller sind als solche im Stand der Technik bekannt und können hier in jeder Ausführungsart zum Einsatz kommen, z.B. als klassischer Tiefsetzsteller mit aktiven Bauteilen und expliziter Induktivität. Denkbar wäre auch die Energierückführung über aktive Bauteile und parasitäre Induktivitäten in der AVT (Aufbau- und

Verbindungstechnik) oder über ein vollständig passives Netzwerk. Wesentlich ist nur, dass die höhere Spannung am Pufferkondensator C _ßuff , der die Energie aus den parasitären Induktivitäten L _PA R aufgenommen hat, heruntergesetzt wird auf die Zwischenkreisspannung, so dass diese Energie an den

Zwischenkreiskondensator C _Z K und damit an die Quelle U _B zurückliefert werden kann. Dadurch werden die durch den Schaltvorgang hervorgerufenen

Überspannungen reduziert und es gibt nur noch elektrischen Schwingungen mit stark reduzierter Amplitude.

Diese Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt Figur 2 in Form einer Simulation, wobei Figur 2a die Verhältnisse vor und Figur 2b nach dem Einfügen des Pufferkondensators C _Buff , des Tiefsetzstellers T _s und der Dioden darstellt. Die Kurven l _2a bzw. I _2b zeigen dabei den Strom in den Leitungen 2 und 3, und die Kurven Ui _a bzw. Ui _b zeigen die Spannung am Eingang des Leistungsmoduls. Die Pfeile verweisen dabei auf die jeweils zugehörige Spannungsordinate (links) bzw. Strom-Ordinate (rechts).

Bei der Realisierung der Schaltung nach Figur 1 ist darauf zu achten, dass die parasitären Induktivitäten zwischen dem Pufferkondensator C _Buff und den elektronischen Schaltern sehr gering bleiben, da es sonst zwischen diesen Bauteilen zu unerwünschten weiteren Schwingungen kommen kann. Deshalb sollen in einem ersten Schritt die Dioden D _Low i, D _LOW 2 und D _LOW 3 im

Leistungsmodul 1 bei den zugehörigen Schalterpaaren integriert werden, d.h. DL _OW I bei Ti und T ₂ , D _LOW 2 bei T ₃ und T sowie D _LOW 3 bei T ₅ und T ₆ , so dass jeweils Teilmodule des Leistungsmoduls 1 gebildet sind. In einem zweiten Integrationsschritt wird auch die Diode D _He i _g h in das Leistungsmodul 1 integriert und in einem dritten Schritt zusätzlich der Pufferkondensator C _Bu ff-

Hingegen spielen parasitäre Induktivitäten zwischen C _Bu ff und dem

Zwischenkreiskondensator C _Z K ^_ einschließlich der Schaltung des Tiefsetzstellers - eine untergeordnete Rolle, weil hier nur der (geringe) Strom zum Zurückführen der Schwingungsenergie fließt. Diese Bauteile, und hier insbesondere die Schaltung des Tiefsetzstellers T _s kann daher entfernt vom Leistungsmodul 1 angeordnet sein.

Die Schaltung nach Figur 1 kann ergänzt werden durch einen Snubber- Kondensator C _S NB, wie er aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist (in Figur 6 gestichelt). Dies führt zu der Ausführungsart der Erfindung gemäß Figur 3. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen mit besonders schnell schaltenden Halbleitern. Figur 4 zeigt dazu wieder, ähnlich wie in Figur 2, die Simulationsergebnisse vor und nach dem Einfügen der

Schwingungsdämpfung mit Pufferkondensator C _Bu ff, Tiefsetzsteller T _s und Dioden.

Den Kurven kann entnommen werden, dass eine ungedämpfte Schwingung (Figur 2a, Kurve U _2a ) eine maximale Überspannung von (in diesem Beispiel) mehr als 250 V über der Betriebsspannung von 450 V erreicht, und ein Snubber- Kondensator nach dem Stand der Technik (Figur 4a, Kurve U _a ) kann diese Amplitude auf etwa 100 V senken.

Mit der regenerativen Dämpfung nach der Erfindung kann die Überspannung auf etwa 25 V verringert werden (Figur 2b, Kurve U ₂ b, sowie Figur 4b, Kurve U _b ). Dabei zeigt sich, dass bei der Schaltung nach der Erfindung die Frequenz der verbleibenden Schwingung durch den ergänzenden Snubber- Kondensator C _S NB von etwa 30 MHz (Figur 2b, Kurve U ₂ b, ohne Snubber- Kondensator) auf etwa 3 MHz (Figur 4b, Kurve U _b , mit Snubber- Kondensator) absinkt. Der an sich bekannte Snubber- Kondensator C _S NB hat somit im Zusammenhang mit der Erfindung einen anderen Wirkungsschwerpunkt als im Stand der Technik. Die Erfindung wurde hier an Hand einer dreiphasigen Last M erläutert. Sie ist aber ohne weiteres auch bei einer mehrpasigen Last, z.B. einer sechs- oder neunphasigen Last M einsetzbar.

Im Falle einer als„einphasig" bezeichneten Last genügt es aber nicht, einen der beiden Anschlüsse der Last abwechselnd mit dem positiven und dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle (U _B ) zu verbinden. Vielmehr muss dies mit beiden Anschlüssen der Last geschehen, so dass die beiden Anschlüsse der Last als Phasen im Sinne des Anspruch 1 zu verstehen sind. Somit kommen in diesem Fall auch zwei Paare von Schaltern usw. zum Einsatz.

Figur 5 zeigt symbolisch das allgemeine Verfahren zum Rückgewinnen von Energie, die im Magnetfeld der verteilten parasitären Induktivitäten eines Gleichstrom-Stromkreises enthalten ist. Dabei ist vorausgesetzt, dass dieser Gleichstrom-Stromkreis eine Gleichspannungsquelle, einen elektronischen Schalter und eine Last umfasst, die über Leitungen mit parasitären Induktivitäten miteinander verbunden sind, und das Verfahren weist folgende Schritte auf:

Öffnen (11) des Schalters, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird und die in den parasitären Induktivitäten gespeicherte Energie eine

Induktionsspannung induziert;

Zuführen (12) dieser durch das Schalten induzierten Induktionsspannung zu einem Pufferkondensator über eine Diode, die so gepolt ist, dass sie ein nachfolgendes Entladen des Pufferkondensators in den Stromkreis verhindert, und

Entladen (13) des Pufferkondensators über einen Tiefsetzsteller an die Gleichspannungsquelle.