BESCHREIBUNG Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Umrichterschaltung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Umrichterschaltungen werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. In Fig. 1 ist eine gattungsgemässe Umrichterschaltung nach dem Stand der Technik dargestellt. Typischerweise umfasst die Umrichterschaltung darin einen kapazitiven

Energiespeicherkreis 2, der mindestens einen kapazitiven Energiespeicher aufweist.

Desweiteren weist die Umrichterschaltung eine Umrichtereinheit 1 auf, deren

Gleichspannungsseite mit dem kapazitiven Energiespeicherkreis 2 verbunden ist. Eine solche Umrichtereinheit dient beispielsweise der Speisung einer elektrischen Last, die zum Beispiel weine Wechselspannung benötigt. Die Umrichtereinheit 1 selbst weist eine Vielzahl ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter auf, die zu für den Fachmann bekannte

Schaltungen wie beispielweise Halbrücken- oder Vollbrückenschaltungen verschaltet sind. Darüberhinaus umfasst der kapazitive Energiespeicherkreis 2 zusätzlich mindestens ein Entlastungsnetzwerk 3 (sog. Snubber-Schaltung), um störende Hochfrequenz- oder Spannungsspitzen an den ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern der Umrichtereinheit 1 gering zu halten, die beim Schalten der ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter auftreten können. Demzufolge bewirkt ein solches Entlastungsnetzwerk 3 eine Begrenzung der Strom- bzw. der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit an den ansteuerbaren

Leistungshalbleiterschaltern der Umrichtereinheit 1 , wie z.B. Thyristoren, IGBTs, IGCTs und dergleichen. Gemäss Fig. 1 umfasst das Entlastungsnetzwerk typischerweise einen

Widerstand, eine Induktivität, eine Kapazität und eine Diode, wobei die vorstehend genannten Bauelemente dann üblicherweise in der nach Fig. 1 gezeigten Art verschaltet sind.

Tritt nun ein Überstrom i _F , beispielsweise infolge eines Fehlers in der Umrichtereinheit 1 , auf, so stellen der mindestens eine kapazitive Energiespeicher und die Kapazität des Entlastungsnetzwerkes 3 zusammen mit der Induktivität des Entlastungsnetzwerkes 3 einen Schwingkreis dar, der zu einer Schwingung des Überstromes i _F mit grosser Amplitude führt und nur langsam abklingt. Eine solche Schwingung ist im zeitlichen Verlauf des

Überstromes i _F beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Gerade diese Schwingung des Überstromes i _F kann aber die ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter der Umrichtereinheit 1 schädigen oder gar zerstören und ist demnach hochgradig unerwünscht.

In der EP 1 619 785 A2 ist eine gattungsgemässe Umrichterschaltung angegeben, die ein Entlastungsnetzwerk mit einem Widerstand, einer Induktivität, einer Kapazität und mit einer Diode aufweist. Eine zur Dämpfung der vorstehend genannten Schwingung eines auftretenden Überstromes ist nicht vorgesehen.

Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Umrichterschaltung anzugeben, bei welcher bei auftreten eines Überstromes im kapazitiven Energiespeicherkreis Schwingungen des Überstromes weitestgehend vermieden werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die erfindungsgemässe Umrichterschaltung umfasst eine Umrichtereinheit, die eine Vielzahl ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter aufweist und deren Gleichspannungsseite mit einem kapazitiven Energiespeicherkreis verbunden ist. Der kapazitive Energiespeicherkreis weist mindestens einen kapazitiven Energiespeicher und mindestens ein

Entlastungsnetzwerk zur Begrenzung der Strom- bzw. der Spannungs- Anstiegsgeschwindigkeit an den ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern der

Umrichtereinheit auf. Nach der Erfindung weist der kapazitive Energiespeicherkreis mindestens eine passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit mit unidirektionaler

Stromführungsrichtung auf, wobei die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit eine Diode und einen Dämpfungswiderstand aufweist. Desweiteren weist das

Entlastungsnetzwerk einen Widerstand, eine Induktivität, eine Kapazität und eine Diode, wobei der Widerstand des Entlastungsnetzwerkes und die Diode des

Entlastungsnetzwerkes in Serie geschaltet sind, die Serienschaltung des Widerstands des Entlastungsnetzwerkes mit der Diode des Entlastungsnetzwerkes parallel zu der Induktivität des Entlastungsnetzwerkes geschaltet ist und die Kapazität des Entlastungsnetzwerkes mit dem Verbindungspunkt des Widerstands des Entlastungsnetzwerkes mit der Diode des Entlastungsnetzwerkes verbunden ist. Insgesamt ist also eine separate Diode des passiven nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit und zudem eine separate Diode des

Entlastungsnetzwerkes vorgesehen.

Tritt nun ein Überstrom im kapazitiven Energiespeicherkreis auf, der normalerweise unerwünschte Schwingungen aufweist, so werden diese Schwingungen des Überstromes durch die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit gedämpft und die Schwingungen des Überstromes somit erfolgreich reduziert. Desweiteren ist die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit durch die Diode und den Dämpfungswiderstand denkbar einfach aufgebaut, ist somit sehr robust und kostengünstig und lässt sich demzufolge sehr einfach realisieren und beispielsweise in bestehende Umrichterschaltungen nachrüsten. Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der

Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Umrichterschaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein zeitlicher Verlauf eines Überstromes im kapazitiven Energiespeicherkreis der Umrichterschaltung gemäss Fig. 1 ,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung und

Fig. 7 ein zeitlicher Verlauf eines Überstromes im kapazitiven Energiespeicherkreis der Umrichterschaltung gemäss Fig. 3.

Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig.1 ist eine Ausführungsform der eingangs bereits erwähnten gängigen

Umrichterschaltung nach dem Stand der Technik dargestellt. Fig. 2 zeigt dazu einen zeitlichen Verlauf eines Überstromes i _F im kapazitiven Energiespeicherkreis 2 der

Umrichterschaltung Fig. 1. In Fig. 3 ist nun eine erste Ausführungsform einer

erfindungsgemässen Umrichterschaltung dargestellt. Allgemein umfasst die

Umrichterschaltung eine Umrichtereinheit 1 , welche Umrichtereinheit 1 eine Vielzahl ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter aufweist. Ein solcher ansteuerbare

Leistungshalbleiterschalter kann dann beispielsweise als Abschaltthyristor (GTO - Gate Turn-Off Thyristor), als integrierter Thyristor mit kommutierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor), als Leistungs-MOSFET oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) ausgebildet sein. Die Gleichspannungsseite der Umrichtereinheit 1 ist mit einem kapazitiven Energiespeicherkreis 2 verbunden, wobei der kapazitive Energiespeicherkreis 2 allgemein mindestens einen kapazitiven

Energiespeicher und mindestens ein Entlastungsnetzwerk 3 zur Begrenzung der Strombzw, der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit an den ansteuerbaren

Leistungshalbleiterschaltern der Umrichtereinheit 1 aufweist. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 ist ein einziger kapazitiven Energiespeicher und ein einziges

Entlastungsnetzwerk 3 vorgesehen. Erfindungsgemäss weist der kapazitive

Energiespeicherkreis 2 allgemein mindestens eine passive nicht ansteuerbare

Dämpfungseinheit 4 mit unidirektionaler Stromführungsrichtung aufweist, wobei die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 eine Diode und einen Dämpfungswiderstand aufweist. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine einzige passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 vorgesehen. Desweiteren weist das Entlastungsnetzwerk 3, insbesondere nach Fig. 3, einen Widerstand, eine Induktivität, eine Kapazität und eine Diode, wobei der Widerstand des Entlastungsnetzwerkes 3 und die Diode des

Entlastungsnetzwerkes 3 in Serie geschaltet sind, die Serienschaltung des Widerstands des Entlastungsnetzwerkes 3 mit der Diode des Entlastungsnetzwerkes 3 parallel zu der Induktivität des Entlastungsnetzwerkes 3 geschaltet ist und die Kapazität des

Entlastungsnetzwerkes 3 mit dem Verbindungspunkt des Widerstands des

Entlastungsnetzwerkes 3 mit der Diode des Entlastungsnetzwerkes 3 verbunden ist.

Insgesamt ist also eine separate Diode des passiven nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 und zudem eine separate Diode des Entlastungsnetzwerkes 3 vorgesehen.

Bei Auftreten eines Überstromes i _F im kapazitiven Energiespeicherkreis 2 werden

Schwingungen des Überstromes i _F , wie sie typischerweise bei gängigen Umrichterschaltungen auftreten, durch die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 erfolgreich gedämpft und die Schwingungen des Überstromes i _F somit reduziert. Durch die Diode der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 hat der schwingende

Überstrom i _F , insbesondere in leitender Richtung der Diode, nämlich mit Vorteil einen Strompfad über den Dämpfungswiderstand, der dann die Schwingungen des Überstromes i _F in gewünschter Weise dämpft. In Fig. 7 ist dazu beispielhaft die angesprochene Dämpfung des Überstromes i _F in einem zeitlichen Verlauf des Überstromes i _F der Umrichterschaltung gemäss Fig. 3 gezeigt. Ferner ist die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 durch die Diode und den Dämpfungswiderstand denkbar einfach aufgebaut, ist demzufolge sehr robust und kostengünstig und lässt sich damit sehr einfach realisieren. Zudem eignet sich die passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit 4 besonders für die Nachrüstung in bestehende Umrichterschaltungen.

Der Dämpfungswiderstand kann ein diskretes Bauelement sein, oder aber auch durch Verwendung von Widerstandsmaterial in der Zuleitung zum Widerstand gebildet sein.

Vorzugsweise ist die Diode der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 in Serie zu dem Dämpfungswiderstand der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 geschaltet, wie dies beispielhaft in der ersten Ausführungsform gemäss Fig. 3 gezeigt ist.

Im Falle eines kapazitiven Energiespeicherkreises 2 mit einem ersten und einem zweiten Spannungspotenzial A, B, wie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt, ist das Entlastungsnetzwerk 3 mit dem ersten und zweiten Spannungspotenzial A, B des kapazitiven

Energiespeicherkreises 2 verbunden. Als erstes Spannungspotenzial A wird beispielsweise ein positives Spannungspotential und als zweites Spannungspotenzial B dann ein negatives Spannungspotential desselben Wertes gewählt. Die passive nicht ansteuerbare

Dämpfungseinheit 4 ist dann, wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt, mit dem ersten und zweiten Spannungspotenzial A, B des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 verbunden. Die

Verschaltung der einzelnen vorstehend genannten Bauelemente des

Entlastungsnetzwerkes 3 wurde bereits vorstehend beschrieben. Die Einschaltung des

Entlastungsnetzwerkes 3 zwischen dem ersten und zweiten Spannungspotential A, B erfolgt beispielhaft nach der in Fig. 3 gezeigten Art. lm Unterschied zur ersten Ausführungsform nach Fig. 3 ist einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Umrichterschaltung nach Fig. 4 der Dämpfungswiderstand der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 der Widerstand des

Entlastungsnetzwerkes 3. Durch diese Massnahme kann vorteilhaft der bereits vorhandene Widerstand des Entlastungsnetzwerkes 3 als Dämpfungswiderstand genutzt werden, wodurch ein zusätzlicher diskreter Dämpfungswiderstand entfallen und somit

Bauelementkosten, Platz und Montageaufwand reduziert werden kann. Das

Entlastungsnetzwerk 3 gemäss Fig. 4 weist ebenfalls einen Widerstand, eine Induktivität, eine Kapazität und eine Diode auf. Die Verschaltung der einzelnen vorstehend genannten Bauelemente des Entlastungsnetzwerkes 3 zwischen dem ersten und zweiten

Spannungspotential A, B erfolgt beispielhaft nach der in Fig. 4 gezeigten Art. Auch für die Ausführungsform nach Fig. 4 erlaubt die Diode der passiven nicht ansteuerbaren

Dämpfungseinheit 4 dem schwingenden Überstrom i _F einen Strompfad über den

Dämpfungswiderstand, der dann die Schwingungen des Überstromes i _F in gewünschter Weise dämpft.

Im Falle eines kapazitiven Energiespeicherkreises 2 mit einem ersten und einem zweiten Spannungspotenzial A, B, wie vorstehend bereits beschrieben, und einem zusätzlichen Spannungsnullpotenzial NP sind zwei Entlastungsnetzwerke 3 und zwei passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheiten 4 vorgesehen. Das Spannungsnullpotential NP liegt vorzugsweise wertemässig genau zwischen dem ersten und dem zweiten

Spannungspotential A, B und weist somit beispielsweise bei einem positiven ersten

Spannungspotential A und einem negativen zweiten Spannungspotenzial B desselben Wertes dann wertemässig ein Potential von 0V auf. Fig. 5 zeigt beispielhaft eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemässen Umrichterschaltung, bei dem der kapazitive

Energiespeicherkreis 2 mit einem ersten und einem zweiten Spannungspotenzial A, B und einem zusätzlichen Spannungsnullpotenzial NP ausgebildet ist. Gemäss Fig. 5 ist eines der Entlastungsnetzwerke 3 mit dem ersten Spannungspotenzial A des kapazitiven

Energiespeicherkreises 2 und dem Nullspannungspotential NP des kapazitiven

Energiespeicherkreises 2 verbunden und das andere der Entlastungsnetzwerke 3 ist mit dem zweiten Spannungspotenzial B des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 und dem Nullspannungspotential NP des Energiespeicherkreises 2 verbunden. Zudem ist eine der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheiten 4 mit dem ersten Spannungspotenzial A des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 und dem Nullspannungspotential NP des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 verbunden und die andere der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheiten 4 ist mit dem zweiten Spannungspotenzial B des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 und dem Nullspannungspotential NP des kapazitiven Energiespeicherkreises 2 verbunden. Vorzugsweise ist die Diode der jeweiligen passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 in Serie zu dem Dämpfungswiderstand der zugehörigen passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 geschaltet, wie dies beispielhaft in der dritten Ausführungsform gemäss Fig. 5 gezeigt ist. Auch für die

Ausführungsform nach Fig. 5 erlaubt die Diode des jeweiligen passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 dem schwingenden Überstrom i _F einen Strompfad über den jeweiligen Dämpfungswiderstand, der dann die Schwingungen des Überstromes i _F in gewünschter Weise dämpft. Die Einschaltung der einzelnen Entlastungsnetzwerke 3 zwischen dem ersten bzw. zweiten Spannungspotential A, B und dem Spannungsnullpotenzial NP erfolgt beispielhaft nach der in Fig. 5 gezeigten Art.

Im Unterschied zur dritten Ausführungsform nach Fig. 5 ist einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemässen Umrichterschaltung nach Fig. 6 der der Dämpfungswiderstand jeweils einer der passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 der Widerstand jeweils eines der Entlastungsnetzwerke 3. Durch diese Massnahme kann vorteilhaft der bereits vorhandene Widerstand des jeweiligen Entlastungsnetzwerkes 3 als Dämpfungswiderstand genutzt werden, wodurch ein zusätzlicher diskreter Dämpfungswiderstand entfallen und somit Bauelementkosten, Platz und Montageaufwand reduziert werden kann. Auch für die Ausführungsform nach Fig. 6 erlaubt die Diode des jeweiligen passiven nicht ansteuerbaren Dämpfungseinheit 4 dem schwingenden Überstrom i _F einen Strompfad über den jeweiligen Dämpfungswiderstand, der dann die Schwingungen des Überstromes i _F in gewünschter

Weise dämpft. Wie in Fig. 6 beispielhaft gezeigt, weist das jeweilige Entlastungsnetzwerk 3 ebenfalls einen Widerstand, eine Induktivität, eine Kapazität und eine Diode auf, wobei die Verschaltung der einzelnen vorstehend genannten Bauelemente des jeweiligen

Entlastungsnetzwerkes 3 zwischen dem ersten bzw. zweiten Spannungspotential A, B und dem Spannungsnullpotenzial NP beispielhaft nach der in Fig. 6 gezeigten Art erfolgt. Bezugszeichenliste

1 Umrichtereinheit

2 kapazitiver Energiespeicherkreis

3 Entlastungsnetzwerk

4 passive nicht ansteuerbare Dämpfungseinheit

A erstes Spannungspotential

B zweites Spannungspotential

NP Spannungsnullpotenzial