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Dokumentenidentifikation DE19945864A1 26.10.2000
Titel ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Teichmann, Ralph, Dipl.-Ing., 01139 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 23.09.1999
DE-Aktenzeichen 19945864
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse H02M 5/44
IPC-Nebenklasse H02M 7/523   H02M 7/527   
Zusammenfassung Es wird ein Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter vorgeschlagen,
- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S1...S8) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschaltet sind,
- wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungskapazität (C1...C8) angeordnet ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungspunkte (0, 1', 3') und Spannungsmittelpunkte (1, 3, 11, 12, 13, 14) verfügbar sind,
- wobei der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung mindestens eine Resonanz-Induktivität (Laux, Laux1, Laux2) und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (Saux1...Saux4) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 9, 17, 19, 27, 49) der Entlastungskapazitäten (C1...C8), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Ladungssteuerungsschalter (Sn-NPC, Sp-NPC, Sn-NPC1...Sn-NPC3, Sp-NPC1...Sp-NPC3) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten (0, 1', 3') der Stromrichterebenen verbunden sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter und insbesondere auf weich schaltende Mehrpunktstromrichtertopologien für Hochleistungsstromrichter.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter, wie sie z. B. von A. Nabae et. al. in der Veröffentlichung "A New Neutral Point Clamped PWM Inverter", in den "Transactions of the IEEE Industrial Applications Society", Vol. IA-17, No. 5, 1981 vorgeschlagen wurden, werden im Hochleistungsbereich zur Steuerung von Drehstromantrieben bzw. bei Energieübertragungsanlagen zur Netzkopplung und Kompensation eingesetzt. Das Mehrpunktstromrichterkonzept hat sich insbesondere bei hohen Spannungsebenen bewährt, in denen die maximale Sperrspannung eines heute verfügbaren einzelnen Halbleiterventiles nicht ausreicht.

Gegenwärtig werden in den Mehrpunktstromrichtern mit Spannungszwischenkreis im hohen Leistungsbereich GTO Schalter mit Inversdioden eingesetzt. Bei dieser Konfiguration müssen die maximal auftretenden Stromanstiege di/dt und Spannungsanstiege du/dt durch passive Begrenzernetzwerke begrenzt werden, um eine Zerstöriung der Halbleiterventile zu vermeiden. Diese Netzwerke sind oft stark verlustbehaftet und tragen wesentlich zur Stromrichterkomplexität und den Stromrichterkosten bei.

Die maximal erreichbare Schaltfrequenz in diesen Hochleistungsstromrichtern ist begrenzt durch die im Halbleiter auftretenden Schaltverluste sowie durch die minimalen Schalt- und Erholzeiten der Halbleiterbauelemente. Da die Schaltfrequenz direkten Einfluß auf die Qualität der elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen und somit auf das gesamte Systemdesign hat, ist die erreichbare Schaltfrequenz ein wesentliches Gütekriterium für einen Stromrichter.

Fortschritte in der Leistungshalbleiterentwicklung ermöglichen heute einen Stromrichterbetrieb mit wesentlich höherem di/dt und du/dt, was eine beträchtliche Verkleinerung oder sogar den Verzicht auf die Begrenzernetzwerke zur Folge hat. Die gegenwärtige Grenze in der erreichbaren Schaltfrequenz ist somit im wesentlichen nur noch durch die maximal zulässigen Halbleiterverluste gegeben.

Zur Erhöhung der maximalen Schaltfrequenz in Stromrichtern im kleinen und mittleren Leistungsbereich wurden verschiedene weich schaltende Stromrichtertopologien vorgestellt, die eine Reduktion der Schaltverluste ermöglichen. Insbesondere das im Patent US 5047913 von R. De Doncker et. al. vorgeschlagene "Auxiliary Resonant Commutated Pole" (ARCP) Prinzip für Zweipunktstromrichter eignet sich sehr gut zur Reduzierung von Schaltverlusten. Bei einem solchen ARCP Stromrichter ist jedem Hauptschalter ein Entlastungskondensator elektrisch parallel geschaltet. Außerdem ist eine Hilfsschaltung, bestehend aus einem Hilfsschalter, der elektrisch in Reihe mit einer Resonanz-Induktivität geschaltet ist, vorgesehen, die einen Mittelpunkt eines Gleichspannungs-Zwischenkreis-Kondensators mit einem Ausgangsanschluß der Stromrichterphase verbindet.

Neben der drastischen Reduzierung der Schaltverluste ermöglicht das ARCP Prinzip auch eine Steuerung des maximalen du/dt bzw. des di/dt, was neben der Möglichkeit des Einsatzes kritischer Halbleiterschalter auch eine Reduzierung der Beanspruchung der Endwindungen in Drehstrommotoren mit sich bringt.

Möglichkeiten der Erweiterung dieses ARCP Prinzips auf Dreipunktstromrichter mit Entkopplungsdioden wurden von Cho et. al. auf der IEEE Konferenz PESC 1996, im Patent DE 195 36 470 von Dr. A. Mertens und M. Bruckmann und von D. G. Rouaud et. al. im Patent US 5684688 vorgestellt. In diesen Lösungen ist der Stromrichterausgang wieder mit mindestens einer Resonanz-Induktivität verbunden, die über mindestens zwei bidirektionale Schalter unabhängig mit den zwei Spannungsmittelpuhkten der zwei Stromrichterebenen im Dreipunktstromrichter verbunden werden können. Der Unterschied in den Topologien ist in der Anordnung der Entlastungskapazitäten für die vier Hauptschalter zu finden. Das Problem der unsymmetrischen Ladungsverschiebung zwischen der oberen und der unteren Stromrichterebene im Kommutierungsfall wurde auf vielfältige Weise durch Variation der Anzahl und Anordnung der Entlastungskapazitäten zu lösen versucht. Bisher konnte jedoch nicht der Idealfall, der eine maximale Hauptschalterentlastung und gleichmäßige Kondensatorbelastung garantiert, gefunden werden, d. h. eine Parallelschaltung von exakt gleichen Entlastungskapazitäten so nah wie möglich am jeweiligen Hauptschalter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter mit ARCP Stromrichtertopologie anzugeben, dessen Entlastungsnetzwerk für jeden Hauptschalter gleich ist und direkt parallel zu jedem Hauptschalter angeordnet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ durch die im Anspruch 1 und 5 angegebenen Topologien gelöst.

Durch die Anordnung mehrerer Stromrichterphasen, die jeweils elektrisch parallel zu einem aus einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren bestehenden Gleichspannungs-Zwischenkreises geschaltet sind, eine obere und untere Stromrichterebene mit jeweils zwei Hauptschaltern aufweisen und deren Verbindungspunkte jeweils mittels einer Entkopplungsdiode mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren des Gleichspannungs-Zwischenkreises verknüpft sind, erhält man den Aufbau eines Dreipunktstromrichters.

Ausgehend von der hart schaltenden Dreipunktstromrichtertopologie mit Entkopplungsdioden kann die weich schaltende ARCP Dreipunktstromrichtertopologie mit Ladungssteuerungsschaltern durch folgende Modifikationen und Erweiterungen erzielt werden:

  • 1. In jeder Stromrichterebene muß durch eine Serienschaltung von zwei Kapazitäten oder alternativen Spannungsquellen dafür gesorgt werden, daß ein Spannungsmittelpunkt bezüglich der Stromrichterebene zur Verfügung steht.
  • 2. Der Ausgang der Stromrichterphase muß durch eine Reihenschaltung einer Resonanz-Induktivität und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter mit den Spannungsmittelpunkten in jeder Stromrichterebene verbunden werden. Dabei ist jeweils ein Anschluß eines Hilfsschalters mit einem Spannungsmittelpunkt einer Stromrichterebene und ein Anschluß der Resonanz-Induktivität mit dem Ausgang der Stromrichterphase verbunden.
  • 3. Parallel zu jedem Hauptschalter muß eine Entlastungskapazität angebracht werden.
  • 4. Ein steuerbarer Hilfsschalter muß antiparallel zu jeder Entkopplungsdiode geschalten werden.

Somit erhält man einen verlustarmen ARCP Stromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 5, der die Vorteile eines Dreipunktstromrichters bzw. Mehrpunktstromrichters mit denen eines ARCP Stromrichters kombiniert, wobei eine maximale Schaltentlastung erzielt werden kann. Eine Steuerung der Ladung der Entlastungskapazitäten über den Hauptschaltern erfolgt durch zusätzliche Ladungssteuerungsschalter, die antiparallel zu den Entkopplungsdioden des Dreipunktstromrichters geschalten sind.

Mit dieser Topologie ist es möglich, den Schaltaugenblick der Hauptschalter der Stromrichterphase frei festzulegen, wodurch herkömmliche Pulsweitenmodulationsverfahren eingesetzt werden können. Die Hauptschalter und die antiparallelen Hilfsschalter zu den Entkopplungsdioden - die Ladungssteuerungsschalter - in dieser ARCP Stromrichterphase schalten bei verschwindender Spannung über diesen Bauelementen ein und aus (Zero-Voltage-Switch-(ZVS)-Prinzip). Die Hilfsschalter in Reihe zur Resonanz-Induktivität werden nach dem Zero-Current-Switch-(ZCS-) Prinzip ebenfalls schaltentlastend betrieben. Beim ZCS-Prinzip wird der Hilfsschalter bei verschwindendem Strom ein- und abgeschaltet. Das heißt, alle in dieser Stromrichterphase verwendeten Halbleiterschalter schalten verlustarm. Die spannungsmäßige Auslegung der Hauptschalter, Hilfsschalter und Ladungssteuerungsschalter sowie die Betriebsweise der Schalter kann der nachstehenden Tabelle 1 entnommen werden, wobei zur Erläuterung der angeführten Bezugszeichen auf die Zeichnung hingewiesen wird. Die Auslegung der Schalter bzgl. des Nennstromes hängt von den Schaltungsparametern, die den Effektivstrom durch den Schalter bestimmen, und den thermischen und elektrischen Eigenschaften der Schalter ab. Die Vorteile der ARCP Dreipunktstromrichtertopologie mit Ladungssteuerungsschaltern gegenüber den bisher vorgestellten ARCP Dreipunktstromrichtern sind:

  • a) eine gleichmäßige Strombelastung der Entlastungskapazitäten,
  • b) eine Minimierung von Streuinduktivitäten und der damit verbundenen optimalen Entlastung der Hauptschalter,
  • c) eine Minimierung der parasitären Schwingungen nach den Kommutierungen,
  • d) eine Möglichkeit der Aufteilung der hohen Verluste der Halbleiter im Nullpfad bei kleinen Ausgangsspannungen und hohem Ausgangsstrom auf die durch Parallelschaltung der Nullpfade erzielbare doppelte Anzahl an Halbleitern,
  • e) eine Realisierung der Entkopplungsdiode und des antiparallelen Schalters in einem Standardmodul,
  • f) erzielbare Fertigungskostenvorteile durch die Gleichheit aller entlasteten Hauptschaltermodule.
Tabelle 1 Schalterauslegung



Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Stromrichterphase eines verlustarmen ARCP Stromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern schematisch veranschaulicht sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausgangsphase eines ARCP Dreipunktstromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern gemäß Erfindung,

Fig. 2, 3 alternative Möglichkeiten zur Anordnung der Induktivität(en) im ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern,

Fig. 4 eine Phase eines ARCP Dreipunktstromrichters, die direkte Wechsel von der maximalen positiven Spannung zur maximalen negativen Spannung zuläßt,

Fig. 5 eine alternative Realisierungsmöglichkeit für die in Fig. 4 gezeigte Stromrichterphase,

Fig. 6 eine Phase eines ARCP Fünfpunktstromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern, welche nach den benannten Designrichtlinien entworfen wurde,

Fig. 7 qualitativ den Verlauf der Spannung über den Entlastungskapazitäten C1 bis C4, die Spannung über den Ladungssteuerungsschaltern vSpNPC und vSnNPC sowie die Ausgangsspannung vo für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern und positiven Ausgangsstrom io,

Fig. 8 die Schaltzustände für alle steuerbaren Schalter innerhalb einer Schaltsequenz für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern und positiven Ausgangsstrom io,

Fig. 9 qualitativ den Verlauf der Ströme durch die Ladungssteuerungsschalter, bestehend aus den aktiven Schaltern Tp-NPC, Tn-NPC und den Entkopplungsdioden Dp-NPC und Dn-NPC, sowie den Strom durch die Resonanz-Induktivität Laux für einen ARCP Dreipunktstromrichter,

Fig. 10, 11, 12 ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern (entsprechend den Fig. 7 bis 9).

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Ausgangsphase eines Dreipunktstromrichters, bestehend aus einer Reihenschaltung von Hauptschaltern S1, S2, S3, S4 die elektrisch parallel zu einem Gleichspannungszwischenkreis geschalten sind, welcher aus einer Reihenschaltung von gleich großen Kapazitäten (Kondensatoren) Cdc1, Cdc2, Cdc3, Cdc4 besteht und damit eine positive Gleichspannungsschiene 2 mit einer negativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet. Während der Verbindungspunkt 0 der Kapazitäten Cdc2 und Cdc3 als Stromrichtermittelpunkt bezeichnet wird, repräsentieren Verbindungspunkte 1 und 3 die Spannungsmittelpunkte bezüglich der oberen und unteren Stromrichterebene.

Direkt parallel zu jedem Hauptschalter S1 bis S4 sind Entlastungskapazitäten C1, C2, C3, C4 geschalten. Die Schalter S1 bis S4 bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 mit antiparallel geschalteter Diode D1, D2, D3, D4. Der Stromrichtermittelpunkt 0 ist mit dem Verbindungspunkt 7 der Hauptschalter S1 und S2 durch einen Ladungssteuerungsschalter Sp-Npc Und mit dem Verbindungspunkt 9 der Hauptschalter S3 und S4 durch einen Ladungssteuerungsschalter Sn-NPC verbunden. Diese Ladungssteuerungsschalter bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter Tp-NPC, Tn-NPC mit antiparaller Diode Dp-NPC, Dp-NPC, die als Entkopplungsdiode (n = negativ, p = positiv) fungiert.

Zusätzlich sind die Spannungsmittelpunkte 1 und 3 der Stromrichterebenen jeweils über einen Hilfsschalter Saux1 und Saux2 mit einer Resonanz-Induktivität (allgemein Induktivität) Laux verbunden - siehe Verbindungspunkt 8. Die andere Seite der Resonanz-Induktivität Laux ist am Ausgang der Stromrichterphase 10 (gleichzeitig auch als Verbindungspunkt bezeichnet) angeschlossen. Die Hilfsschalter bestehen aus einer Serienschaltung von zwei aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschalten sind, daß ein bidirektionaler Schalter entsteht.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Stromrichterphase, wobei gleiche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 sind anstelle einer Resonanz-Induktivität Laux zwei Resonanz-Induktivitäten Laux1 und Laux2 vorgesehen. Diese beiden Resonanz- Induktivitäten Laux1 und Laux2 sind jeweils mit einem Hilfsschalter Saux1 bzw. Saux2 elektrisch in Reihe geschaltet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungsform in Fig. 2 durch die Ankopplung der Resonanz-Induktivitäten an die Stromrichterphase. Diese beiden Resonanz-Induktivitäten Laux1 und Laux2 sind jeweils mit einem Hilfsschalter Saux1 bzw. Saux2 elektrisch in Reihe geschaltet und direkt an die Verbindungspunkte 7 und 9 angeschlossen. Der wesentliche Vorteile dieser Anordnung besteht darin, daß die maximale Sperrspannungsbelastung der Hilfsschalter Saux1 und Saux2 nur Vdc/4 beträgt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 durch die Ankopplung eines zusätzlichen Hilfsschalters Saux3 zwischen dem Stromrichtermittelpunkt 0 und dem Anschlußpunkt 8 der Resonanz-Induktivität. Dies erweitert die Betriebsmöglichkeiten des Stromrichters derart, daß entlastete Schalttransitionen von der maximalen negativen Gleichspannungsebene, der Gleichspannungsschiene 4, zur maximalen positiven Gleichspannungsebene, der Gleichspannungsschiene 2, möglich sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungsform in Fig. 4 durch eine Reihenschaltung von Hilfsschaltern Saux1 bis Saux3 und den entsprechenden Resonanz-Induktivitäten Laux1 bis Laux3 sowie deren Ankopplung in der Stromrichterphase an die Verbindungspunkte 7, 10 und 9. Vorteilhaft in dieser Anordnung ist, daß die Hilfsschalter Saux1 und Saux2 mit einer maximalen Sperrspannung von Vdc/4 belastet werden.

Fig. 6 zeigt eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf einen verlustarm schaltenden ARCP Mehrpunktstromrichter mit mehr als drei Punkten, wobei in jeder Stromrichterebene durch eine Serienschaltung von zwei Kapazitäten Cdc1. . . Cdc8 dafür gesorgt wird, daß ein Spannungsmittelpunkt bezüglich der jeweiligen Stromrichterebene zur Verfügung steht, wobei der Ausgang der Stromrichterphase 10 durch eine Reihenschaltung von mindestens einer Resonanz-Induktivität Laux und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter Saux1 . . . Saux4 mit den Spannungsmittelpunkten in jeder Stromrichterebene verbunden ist, wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter S1 . . . S8 eine einzelne Entlastungskapazität C1 . . . C8 angeordnet ist und wobei eine Steuerung der Ladung der Entlastungskapazitäten über den Hauptschaltern durch zusätzliche Ladungssteuerungsschalter Sp-NPC1, Sp-NPC2, Sp-NPC3, Sn-NPC1 Sn-NPC2, Sn-NPC3 erfolgt, die antiparallel zu den Entkopplungsdioden des Mehrpunktstromrichters geschalten sind. Im konkreten Fall ist ein ARCP Fünfpunktstromrichter dargestellt.

Im einzelnen besteht die Ausgangsphase des Fünfpunktstromrichters aus einer Reihenschaltung der Hauptschalter S1 bis S8, die elektrisch parallel zu einem Gleichspannungszwischenkreis geschalten sind, welcher aus einer Reihenschaltung der gleich großen Kapazitäten Cdc1 bis Cdc8 besteht und damit die positive Gleichspannungsschiene 2 mit der negativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet. Während der Verbindungspunkt 0 der Kapazitäten Cdc4 und Cdc5 als Stromrichtermittelpunkt bezeichnet wird, repräsentieren die Verbindungspunkte 1' und 3' die Spannungsmittelpunkte bezüglich der oberen und unteren Stromrichterhälfte und damit die Verbindungspunkte zwischen den Stromrichterebenen. Die obere und untere Stromrichterhälfte wird im Fünfpunktstromrichter noch einmal in jeweils zwei Stromrichterebenen unterteilt, so daß insgesamt vier Stromrichterebenen existieren.

Die Schalter S1 bis S8 bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter T1, T2 . . . mit antiparallel geschalteter Diode D1, D2 . . .. Der Stromrichtermittelpunkt 0 ist mit dem Verbindungspunkt 7 der Hauptschalter S2 und S3 durch die Entkopplungsdiode Dp-NPC2 sowie mit dem Verbindungspunkt 9 der Hauptschalter S6 und S7 durch die Entkopplungsdiode Dn-NPC2 verbunden. Der Spannungsmittelpunkt 1' der oberen Stromrichterhälfte ist mit dem Verbindungspunkt 27 der Hauptschalter S1 und S2 durch die Entkopplungsdiode Dp-NPC1 sowie mit dem Verbindungspunkt 19 der Hauptschalter S5 und S6 durch die Entkopplungsdiode Dn-NPC1 verbunden. Der Spannungsmittelpunkt 3' der unteren Stromrichterhälfte ist mit dem Verbindungspunkt 17 der Hauptschalter S3 und S4 durch die Entkopplungsdiode Dp-NPC3 sowie mit dem Verbindungspunkt 49 der Hauptschalter S7 und S8 durch die Entkopplungsdiode Dn-NPC3 verbunden.

Direkt parallel zu den Hauptschaltern S1 bis S8 sind die Entlastungskapazitäten C1 bis C8 geschalten. Die Ladungssteuerungsschalter bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter Tp-NPC1 . . ., Tn-NPC1 . . ., die antiparallel zu jeder Entkopplungsdiode geschalten werden.

Zusätzlich sind die Spannungsmittelpunkte 11, 12, 13 und 14 aller Stromrichterebenen jeweils über die Hilfsschalter Saux1 bis Saux4 mit einer Resonanz-Induktivität Laux verbunden - siehe Verbindungspunkt 8. Die andere Seite der Resonanz-Induktivität Laux ist am Ausgang 10 der Stromrichterphase angeschlossen. Die Hilfsschalter bestehen aus einer Serienschaltung von zwei aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschalten sind, daß ein bidirektionaler Schalter entsteht.

Ähnlich wie in der Ausführung gemäß Fig. 3 kann auch in dem Fünfpunktstromrichter jeder bidirektionale Hilfsschalter mit einer separaten Resonanz-Induktivität verbunden werden. Die Sperrspannungsbelastung der Hilfsschalter kann somit auf maximal 3/8Vdc begrenzt werden, wenn die Hilfsschalter nicht am Punkt 8 mit einer Resonanz- Induktivität verbunden werden, sondern jeweils die Punkte 12 und 27, 11 und 17, 13 und 19 bzw. 14 und 49 mit einer Serienschaltung, bestehend aus einer Resonanz- Induktivität und eines bidirektionalen Hilfsschalters verbunden werden.

Fig. 7 stellt die Spannungen über den Entlastungskapazitäten vC1 bis vC4, und damit die Spannungen über den Hauptschaltern S1 bis S4, die Stromrichterausgangsspannung vo und die Spannung über den Ladungssteuerungsschaltern vSpNPC und vSnNPC für alle möglichen Kommutierungen in den Stromrichtertopologien der Fig. 1 bis 3 links von der Markierung A dar. Unter Annahme eines positiven Laststromes io ist eine volle Schaltsequenz von der maximalen positiven Ausgangsspannung vo über die maximale negative Ausgangsspannung vo und zurück dargestellt. Die ersten beiden Kommutierungen ≙ ≙ sind kapazitive Kommutierungen. Die Ausgangsspannung vo wird mittels zweier ARCP Kommutierungen ≙ ≙ wieder auf die maximale positive Ausgangsspannung zurückgeschwungen. Für die Stromrichter nach Fig. 4 und 5 sind alle in Fig. 7 dargestellten Kommutierungen möglich. Die beiden letzten Kommutierungen ≙ ≙ sind direkte Transitionen von der maximalen positiven zur maximalen negativen Ausgangsspannung, wobei die erstere wieder eine kapazitive Kommutierung ≙ und die letztere eine ARCP Kommutierung ≙ ist. Der Maßstab einer Teilung der Ordinate entspricht der Größe der Gleichspannung Vdc im Gleichspannungszwischenkreis. Da die Spannung über den Entlastungskapazitäten den Spannungen über den Hauptschaltern entspricht, kann daraus die Sperrspannungsbelastung aller Hauptschalter zu Vdc/2 bestimmt werden. Die Kommutierungszeiten sind stark von den gewählten Schaltungsparametern abhängig. Alle Verläufe werden im weiteren im Detail beschrieben.

Fig. 8 zeigt die Logikzustände aller Schalter in einer Stromrichterphase des ARCP Dreipunktstromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern korrespondierend zu den Kommutierungen dargestellt in Fig. 7. Auch hier sind die Kommutierungen rechts von der Markierung A nur von den erweiterten Topologien gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 durchführbar. Alle Hilfsschalter sind nur während Kommutierungen eingeschalten und beeinflussen den stationären Betrieb des Stromrichters nicht.

Fig. 9 gibt qualitativ die Stromverläufe durch die Ladungssteuerungsschalter, jeweils bestehend aus aktiven Schalter Tx-NPC (x = p bzw. n) und Entkopplungsdiode Dx-NPC, und durch die Resonanz-Induktivität Laux wieder. Eine Ordinatenteilung entspricht der Größe des Ausgangsstrom io. Die Entkopplungsdioden Dp-NPC und Dn-NPC werden wie im hart schaltenden Stromrichter auch im stationären Zustand "0" mit dem Ausgangsstrom io belastet, wobei die Ausgangsstromrichtung entscheidet, ob die positive oder negative Entkopplungsdiode leitet. Zusätzlich werden die Entkopplungsdioden bzw. die Ladungssteuerungsschalter mit dem Resonanzstrom bei der ARCP Kommutierung bzw. einem Teil des Umladestromes bei der kapazitiven Kommutierung belastet. Der Kommutierungsablauf korrespondiert zu den Beschreibungen für Fig. 7 und Fig. 8.

Fig. 10 entspricht Fig. 7, zeigt jedoch qualitativ den Verlauf der Spannung über den Entlastungskapazitäten und den Ladungssteuerungsschaltern für eine Schaltsequenz mit ARCP unterstützter kapazitiver Kommutierung für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern. Für Stromrichter nach Fig. 1 bis Fig. 3 sind alle links von der Markierung A gezeigten Kommutierungen möglich. Die Ordinatenteilung entspricht der Teilung in Fig. 7. Auch hier sind für alle Schalter Nenn- Sperrspannungen von Vdc/2 erforderlich. Die ersten beiden Kommutierungen ≙ ≙ sind in diesem Fall ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen. Die Kondensatoren werden nicht linear wie in Fig. 7, sondern mit Hilfe einer resonanten Schwingung umgeladen. Die darauffolgenden zwei ARCP Kommutierungen entsprechen qualitativ den ARCP Kommutierungen ≙ ≙ in Fig. 7. Für die Stromrichter nach Fig. 4 und 5 sind alle in Fig. 10 dargestellten Kommutierungen möglich. Die beiden letzten Kommutierungen ≙ ≙ sind direkte Transitionen von der maximalen positiven zur maximalen negativen Ausgangsspannung vo, wobei die erstere eine ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung ≙ und die letztere eine ARCP Kommutierung ≙ ist. Auch die Kommutierungszeiten für die ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierungen sind stark von den gewählten Schaltungsparametern abhängig.

Fig. 11 entspricht der Fig. 8 und zeigt die Ansteuerlogik für alle Schalter für die für Fig. 10 diskutierten Kommutierungen. Auch hier werden die Hilfsschalter Saux und die Ladungssteuerungsschalter nur zu den Kommutierungen aktiviert.

Fig. 12 zeigt qualitativ den Verlauf der Ströme in den Ladungssteuerungsschaltern und den Entkopplungsdioden, sowie der resonanten Induktivität Laux für die für Fig. 10 diskutierten Kommutierungen. Der Ordinatenmaßstab wurde aus Fig. 9 übernommen, obwohl der Laststrom io, in dieser Darstellung nur etwa 10% des Laststromes in Fig. 9 entspricht. Alle dargestellten Stromverläufe sind im weiteren beschrieben. Bezüglich der Strombelastung der Entkopplungsdioden treffen die für Fig. 9 gemachten Aussagen zu.

Im folgenden soll nun die Funktionsweise der Stromrichterphase gemäß Fig. 1 dieses erfindungsgemäßen, verlustarmen ARCP Dreipunktstromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern anhand der Kommutierungsvorgänge von den oberen Hauptschaltern S1 und S2 auf die unteren Hauptschalter S3 und S4 sowie zurück beschrieben werden. Für den Betrieb eines beliebigen Dreipunktstromrichters sind die in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigten Schaltzustände maßgebend, um die gewünschten Ausgangsspannungen vo bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0 (siehe Spalte 2) zu erzielen. Tabelle 2 Schaltzustände eines Dreipunktstromrichters



Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schalttransitionen ist im folgenden für einen positiven Ausgangsstrom io gegeben. Die Kommutierungen p→0 und 0→n sind in diesem Fall kapazitive Kommutierungen bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen und die Kommutierungen n→0 und 0→p sind ARCP Kommutierungen.

Bei relativ kleinem Ausgangsstrom, relativ großen Entlastungskapazitäten bzw. relativ großer Gleichspannung kann es zu ungewollt langen Kommutierungszeiten für die kapazitive Kommutierung kommen. Um die Kommutierungsdauer für die kapazitive Kommutierung zu verkürzen, kann man den ARCP Hilfszweig zur Beschleunigung der Kommutierung nutzen, was zu einer ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung führt.

Nachfolgend wird eine Kommutierung p→0 für io>0 behandelt.

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Hauptschalter S1 und S2 geschlossen. Der Ausgangsstrom io fließt durch die Leistungshalbleiter (Schalter) T1 und T2. Die Spannung über den Schaltern S3 und S4 ist jeweils vC3 = vC4 = Vdc/2. Die Inversdioden D3 und D4 sind damit im Sperrzustand.

Der Leistungshalbleiter (Schalter) Tn-NPC muß vor dem Start der kapazitiven Kommutierung aktiv eingeschalten werden, um während der Kommutierung eine korrekte Umladung der Entlastungskapazitäten C1 und C3 parallel zu den an der Kommutierung beteiligten Hauptschaltern S1 und S3 zu gewährleisten. Da die Spannung über dem Kondensator C4 gleich vC4 = Vdc/2 ist, wird der Leistungshalbleiter (Schalter) Tn-NPC unter vSnNPC = 0 und damit ZVS Bedingungen eingeschalten. Da der Schalter T3 noch ausgeschalten und die Inversdiode D3 noch im Sperrzustand ist, fließt durch den Schalter Sn-NPC kein Strom.

Die Kommutierung beginnt, wenn der Schalter T1 aktiv ausgeschalten wird. Der Laststrom io kommutiert jeweils zur Hälfte in die Entlastungskapazitäten C1 und C3, die umgeladen werden. Dabei sinkt die Spannung in C3 linear ab, während sie in C1 linear ansteigt. Wie in Fig. 9 erkennbar, trägt der Schalter Tn-NPC nun die Hälfte des Laststromes iSnNPC = io/2. Die andere Hälfte fließt über die positive Gleichspannungsschiene 2. Die Spannung über dem Kondensator C4 bleibt wegen dem eingeschaltenen Schalter Tn-NPC konstant bei vC4 = Vdc/2.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kondensator C3 den Wert vC3 = 0 erreicht hat und der Schalter S3 mit der Diode D3 unter ZVS Bedingung einschaltet. Jeweils die Hälfte des Laststromes wird nun von den Serienschaltungen Tn-NPC/D3 und T2/DP-NPC getragen. Hier kann einer der beiden parallelen Zweige - der mit dem Schalter Sn-NPC - verlustarm, da bei vSnNPC=0, ausgeschalten werden, was zu einem Transfer des Laststromes io komplett zur positiven Entkopplungsdiode Dp-NPC führt (siehe Fig. 9). Damit ist die Kommutierung abgeschlossen und der "0" Zustand erreicht. Die Schalter S2 und S3 sind eingeschalten und die Spannungen vC1 und vC4 betragen jeweils Vdc/2. Die Hilfsschalter Saux1 und Saux2 werden für diese Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. Der Laststrom io fließt durch die Schalter T1 und T2. Die Spannung über den Schaltern S3 und S4 ist jeweils vC3 = vC4 = Vdc/2. Die Inversdioden D3 und D4 sind im Sperrzustand. Bevor die Kommutierung gestartet werden kann, muß der Schalter Tn-NPC eingeschalten werden, um während der Kommutierung ein korrektes Umladen der Entlastungskapazitäten C1 und C3 parallel zu den an der Kommutierung beteiligten Hauptschaltern S1 und S3 zu gewährleisten. Da die Spannung über der Kapazität C4 gleich vC4 = Vdc/2 ist, wird der Schalter Tn-NPC bei vSnNPC = 0 und damit unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Durch diesen Schalter fließt jedoch noch kein Strom, da T3 ausgeschalten ist und die Inversdiode D3 wegen der Sperrspannung von Vdc/2 blockiert ist. Der Kommutierungsvorgang wird mit dem Einschalten von Saux1 bei iaux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der nun negativen Spannung über der Induktivität Laux, vLaux = -Vdc/4 kommt es zu einem negativen Stromanstieg iaux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T1 bzw. T2, bestehend aus der Überlagerung des Laststromes io mit dem Strom iaux, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch aktives Ausschalten von T1 gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Nach dem Ausschalten von T1 kommutiert der Umladestrom, bestehend aus einer Überlagerung von dem Laststrom io und dem Strom iaux, in die Entlastungskapazitäten (Kondensatoren) C1 und C3 und lädt diese um. Dabei wird der Kondensator C1 nichtlinear geladen, während der Kondensator C3 dementsprechend entladen wird. Der Schalter Tn-NPC trägt nun die Hälfte dieses Umladestromes (siehe Fig. 12). Die andere Hälfte wird über die positive Gleichspannungsschiene 2 geführt. Die Spannung über der Kapazität C4 wird dabei durch den geschlossenen Schalter Sn-NPC konstant bei vC4 = Vdc/2 gehalten.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über C3 den Wert vC3 = 0 erreicht hat und der Schalter S3 unter ZVS Bedingungen eingeschalten wird. Der Laststrom io mit dem überlagerten Strom iaux, der während der Kommutierung jeweils zur Hälfte von der positiven Gleichspannungsschiene 2 und der Serienschaltung Tn-NPC und D3 getragen wurde, kommutiert mit dem Einschalten von S3 von der positiven Gleichspannungsschiene 2 auf die Serienschaltung S2 und Dp-NPC. Wie auch in Fig. 12 zu erkennen ist, wird nun der Laststrom io mit dem überlagerten Strom iaux zur Hälfte von der Serienschaltung von Tn-NPC und D3 getragen, während die andere Hälfte von S2 und der positiven Entkopplungsdiode DP-NPC getragen wird. Eine positive Spannung von vLaux = Vdc/4 liegt jetzt über der Induktivität Laux im Hilfszweig, was zu einem positiven Stromgradienten in iaux führt. Wenn der Strom iaux den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux1 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit fließt jetzt ein Strom in Höhe des Laststromes io durch die parallelen Zweige Tn-NPC/D3 und S2/Dp-NPC. Abschließend kann nun einer der beiden parallelen Zweige - der Zweig mit dem Schalter Sn-NPC - verlustarm, da bei vSnNPC = 0, ausgeschalten werden, was den Laststrom io komplett auf die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC kommutieren läßt (siehe Fig. 12). Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung 0→n für io>0 behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S2 und S5 geschlossen. Der Laststrom io fließt durch T2 und die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC. Die Spannung über den Schaltern S1 und S4 ist jeweils vC1 = vC4 = Vdc/2. Die Inversdioden D1 und D4 sind damit gesperrt.

Die Kommutierung wird initiiert, indem der Schalter T2 aktiv ausgeschalten wird. Da der Schalter S3 eingeschalten ist, kommutiert der Laststrom io jeweils zur Hälfte in die Kondensatoren C2 und C4, wobei diese umgeladen werden. Dabei steigt die Spannung am Kondensator C2 linear an, während die Spannung am Kondensator C4 linear fällt. Ein Umladen des Kondensators C1 wird anforderungsgemäß durch die Entkopplungsdiode DP-NPC, die einen Pfad für den Umladestrom des Kondensators C2 bereitstellt, verhindert. Damit bleiben die Spannungen über C1 und C3 jeweils bei vC1 = Vdc/2 und vC3 = 0. Die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC und die negative Gleichspannungsschiene 4 tragen nun jeweils die Hälfte des Laststromes io (siehe Fig. 9). Die Kommutierung ist beendet, wenn die Spannung über C4 den Wert vC4 = 0 erreicht hat und der Schalter S4 unter ZVS Bedingung eingeschalten wird. Der Laststrom io, der während der Kommutierung jeweils zur Hälfte von der Serienschaltung S2 und positive Entkopplungsdiode Dp-NPC bzw. von der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wurde, kommutiert nun komplett auf die Inversdioden D3 und D4. Damit ist die Kommutierung beendet und der "n" Zustand mit einer Ausgangsspannung von vo = -Vdc/2 wurde erreicht. Für diese Kommutierung ist ein aktives Einschalten des Schalters Tp-NPC zur Ladungssteuerung nicht erforderlich, da die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC einen Strompfad für die Umladung des Kondensators C2 bereitstellt. Die Hilfsschalter Saux1 und Saux2 werden für diese Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S2 und S3 geschlossen. Der Laststrom io fließt durch T2 und die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC. Die Spannung über den Schaltern S1 und S4 ist jeweils vC1 = vC4 = Vdc/2. Damit sind die Inversdioden D1 und D4 im Sperrzustand.

Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters Saux2 bei iaux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der damit verbundenen negativen Spannung über der Induktivität Laux, vLaux =-Vdc/4, kommt es zu einem negativen Stromanstieg iaux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T2, bestehend aus der Überlagerung von io und iaux, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch aktives Ausschalten von T2 gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Da S3 eingeschalten bleibt, kommutiert der Laststrom io mit dem überlagerten Strom iaux nach dem Ausschalten von T2 in die Kondensatoren C2 und C4 und lädt diese um. Dabei steigt die Spannung am Kondensator C2 nichtlinear an, während die Spannung am Kondensator C4 entsprechend fällt. Die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC, die in dieser Kommutierung einen Pfad für den Umladestrom des Kondensators C2 stellt (siehe Fig. 12) und damit ein Umladen von C1 anforderungsgemäß verhindert, und die negative Gleichspannungsschiene 4 tragen nun jeweils die Hälfte des Laststromes io mit dem überlagerten Strom iaux. Die Spannungen über den Kondensatoren C1 und C3 bleiben damit jeweils konstant bei vC1 = Vdc/2 und vC3 = 0 (siehe Fig. 10). Wegen der Steuerung der Ladungsverteilung der Entlastungskapazitäten mit der positiven Entkopplungsdiode Dp-NPC ist für diese Kommutierung das aktive Einschalten des Schalters Sp-NPC mittels Tp-NPC nicht erforderlich.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kondensator C4 den Wert vC4 = 0 erreicht hat und der Schalter S4 unter ZVS Bedingungen eingeschalten wurde. Der Umladestrom, bestehend aus Laststrom io und Strom iaux, kommutiert nun von der positiven Entlastungsdiode Dp-NPC, die während der Kommutierung die Hälfte dieses Umladestromes getragen hat, komplett auf die Inversdioden in S3 und S4. Eine positive Spannung von vLaux = Vdc/4 liegt jetzt über der Induktivität Laux im Hilfszweig, die zu einem positiven Stromgradienten in iaux führt. Wenn der Strom iaux den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux2 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "n" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung n→0 für iO>0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S3 und S4 eingeschalten. Der Laststrom io fließt durch die Inversdioden D3 und D4. Die Spannung über den Schaltern S1 und S2 ist jeweils vC1 = vC2 = Vdc/2. Die Inversdioden D1 und D2 sind damit im Sperrzustand.

Bevor die Kommutierung gestartet werden kann, muβ der Schalter Tp-NPC aktiv eingeschalten werden, um während der Kommutierung eine korrekte Umladung der Entlastungskapazitäten der an der Kommutierung beteiligten Hauptschalter S2 und S4 zu gewährleisten. Da die Spannung über dem Kondensator C1 gleich vC1, = Vdc/2 ist, wird der Schalter Tp-NPC unter ZVS Bedingungen bei vSpNPC = 0 geschlossen. Es fließt noch kein Strom durch diesen Schalter, da der Schalter T2 noch ausgeschalten ist und die Inversdiode D2 wegen vC2 = Vdc/2 im Sperrzustand ist.

Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters Saux2 bei iaux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der positiven Spannung über der Induktivität Laux, vLaux = Vdc/4, kommt es zu einem positiven Stromanstieg iaux im Hilfszweig. Wenn dieser Strom iaux einen bestimmten Wert Iboost>0 mit Iboost = iaux -io erreicht hat, wird die Kommutierung durch aktives Ausschalten von T4 gestartet. Dieser Wert des Booststromes Iboost ist frei wählbar, muß aber einen Mindestwert besitzen, der ein vollständiges Umschwingen der Spannung über dem Kondensator C2 auf den Wert vC2 = 0 auch bei einem verlustbehafteten, nicht idealen Aufbau garantiert. Da der Schalter S3 eingeschalten ist, kommutiert die Differenz des Laststromes io und des Hilfsstromes iaux in die Kondensatoren C4 und C2, was ein Entladen des Kondensators C2 und ein Laden des Kondensators C4 bewirkt. Der Schalter Tp-NPC trägt nun die Hälfte dieses resonanten Stromes, während die andere Hälfte von der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wird (siehe Fig. 9). Da der Umladestrom des Kondensators C2 von dem Ladungssteuerungsschalter Sp-NPC getragen wird, bleibt die Spannung über C1 konstant bei vC1 = Vdc/2 (siehe Fig. 6).

Wenn die Spannung des Kondensators C2 den Wert vC2 = 0 erreicht hat, wird der Schalter S2 unter ZVS Bedingung eingeschalten. Damit werden die Kondensatorspannungen von C2 und C4 nun auf vC2 = 0 bzw. vC4 = Vdc/2 gehalten (siehe Fig. 10) und die eine Hälfte des Umladestromes, bestehend aus der Differenz von Laststrom io und Strom iaux, die von der negativen Gleichspannungsschiene getragen wurde, kommutiert nun kurzzeitig auf die negative Entkopplungsdiode Dn-NPC, während die andere Hälfte weiterhin durch den Schalter S2 und den positiven Ladungssteuerungsschalter Sp-NPC fließt (siehe Fig. 9 bzw. Fig. 12). Eine negative Spannung von vLaux = -Vdc/4 liegt jetzt über der Induktivität Laux im Hilfszweig, die zu einem negativen Stromgradienten in iaux führt. Wenn der Strom iaux den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux2 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Abschließend kann der Schalter Tp-NPC unter ZVS Bedingung ausgeschalten werden, da die positive Entkopplungsdiode DP-NPC inzwischen den gesamten Laststrom io von der negativen Entkopplungsdiode Dn-NPC und dem Schalter Tp-NPC übernommen hat. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0" erreicht. Nachfolgend wird eine Kommutierung 0→p für io>0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S2 und S3 geschlossen. Der Laststrom io fließt durch T2 und die positive Entkopplungsdiode Dp-NPC. Die Spannung über den Schaltern S1 und S4 ist jeweils vC1 = vC4 = Vdc/2. Damit sind die Inversdioden D1 und D4 im Sperrzustand.

Das Einschalten des Hilfsschalters Saux1 bei iaux = 0 (ZCS) startet die Kommutierung. Wegen der positiven Spannung von vLaux = Vdc/4 über der Hilfsinduktivität Laux ist ein positiver Stromanstieg bei dem Strom iaux zu verzeichnen. Wenn der Strom iaux einen Wert Iboost>0 mit Iboost = iaux-io erreicht hat, wird die Kommutierung durch aktives Ausschalten von T3 gestartet. Der minimale Booststrom Iboost wird wieder durch die Umschwingbedingung von vC1 ≤ 0 bestimmt. Da der Schalter S2 eingeschalten ist, kommutiert die Differenz des Laststromes io und des Stromes iaux in die Kondensatoren C1 und C3, was zu einem Laden des Kondensators C3 und einem Entladen des Kondensators C1 führt. Die negative Entkopplungsdiode Dn-NPC, die in diesem Fall einen Strompfad für die Umladung des Kondensators C3 bei konstanter Spannung am Kondensator C4 liefert, trägt die Hälfte dieses Umladestromes, während die andere Hälfte von der positiven Gleichspannungsschiene 2 getragen wird. Die Spannung über dem Kondensator C4 bleibt damit konstant bei vC4 = Vdc/2.

Wenn die Spannung über C1 den Wert vC1 = 0 erreicht hat, wird der Schalter S1 unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Damit werden die Spannungen der Kondensatoren C1 und C3 nun auf vC1 = 0 bzw. VC3 = Vdc/2 (siehe Fig. 6) gehalten und der Stromfluß in Höhe der Hälfte des Umladestromes durch die negative Entkopplungsdiode Dn-NPC unterbrochen (siehe Fig. 9), was eine Kommutierung des Umladestromes komplett auf die Schalter S1 und S2 zur Folge hat. Eine negative Spannung vLaux = -Vdc/4 liegt nun über dem Hilfszweig, die zu einem negativen Gradienten im Strom iaux führt. Wenn der Strom iaux den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux1 Unter ZCS Bedingungen ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "p" erreicht. Für diese Kommutierung ist ein aktives Einschalten des negativen Ladungssteuerungsschalters Sn-NPC nicht erforderlich, da die Entkopplungsdiode Dn-NPC automatisch die korrekte Ladungssteuerung in den Entlastungskapazitäten vornimmt.

Die Kommutierungen für negative Ausgangsströme io<0 sind wegen der symmetrischen Struktur analog, jedoch sind jetzt die Transitionen p→0 und 0→n ARCP Kommutierungen und die Transitionen n→0 und 0→p kapazitive bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen.

Für die Entscheidung, welcher der Hilfsschalter Saux zur ARCP Kommutierung bzw. zur ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung aktiviert werden muß, ist die Stromrichtung des Ausgangsstromes io nicht bedeutend. Für ARCP Kommutierungen bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen von 0→p oder von p→0 ist immer der Schalter Saux1 zu aktivieren. Analog sind die ARCP Kommutierungen bzw. ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierungen in der unteren Stromrichterhälfte für 0→n bzw. von n→O nur mit dem Hilfsschalter Saux2 durchzuführen.

Die Stromrichtung beeinflußt jedoch, ob der aktive Schalter im Ladungssteuerungsschalter aktiviert werden muß oder nicht. Das Kriterium ist das Vorhandensein eines Strompfades für den Umladestrom der Entlastungskondensatoren, die über den Hauptschaltern liegen, die eine Schalttransition ausführen, der nicht über die Entlastungskondensatoren führen darf, die parallel zu Hauptschaltern liegen, die nicht an der Kommutierung beteiligt sind. In 50% der Kommutierungsfälle ist ein Strompfad von den im Dreipunktstromrichter vorhandenen Entkopplungsdioden Dp-NPC und Dn-NPC gegeben. Da ein aktives Einschalten der Ladungssteuerungsschalter mittels Tp-NPC bzw. Tn-NPC zwar wirkungslos, jedoch nicht falsch ist, kann das beschriebene Aktivierungskriterium unter Nichtbeachtung der Flußrichtung der Entkopplungsdioden als eine hinreichende Bedingung für den Betrieb des ARCP Stromrichters mit Ladungssteuerungsschaltern angesehen werden.

Im folgenden soll nun die erweiterte Betriebsweise des Stromrichters beschrieben werden, die aufgrund der in Fig. 4 und 5 gezeigten Anordnungen direkte Kommutierungen von p→n und n→p erlaubt. Für einen positiven Ausgangsstrom io>0 sind die Transitionen p→n kapazitive bzw. ARGP unterstützte kapazitive Kommutierungen, während die Transitionen n→p ARCP Kommutierungen sind. Die Hilfsschalter Saux1 und Saux2, sowie die Ladungssteuerungsschalter Sp-NPC und Sn-NPC, werden für die nachfolgend beschriebenen Kommutierungen nicht benötigt.

Nachfolgend wird eine Kommutierung p→n für io>0 behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. Der Ausgangsstrom io fließt durch die Schalter T1 und T2. Die Spannung über den Schaltern S3 und S4 ist jeweils vC3 = vC4 = Vdc/2. Die Inversdioden D3 und D4 sind damit im Sperrzustand.

Die Kommutierung beginnt, wenn die Schalter T1 und T2 anforderungsgemäß gemeinsam aktiv ausgeschalten werden. Der Laststrom io kommutiert in die Entlastungskapazitäten C1, C2, C3 und C4, wobei die Kondensatoren C1 und C2 linear geladen und die Kondensatoren C3 und C4 linear entladen werden. Die positive Gleichspannungsschiene 2 und die negative Gleichspannungsschiene 4 tragen dabei jeweils die Hälfte des Laststromes io.

Die Kommutierung ist beendet, wenn die Spannungen über den Kondensatoren C3 und C4 den Wert vC3 = vC4 = 0 erreicht haben und die Schalter D3 und D4 unter ZVS Bedingung einschalten. Damit betragen die Spannungen vC1 und vC2 jeweils Vdc/2. Der Laststrom kommutiert komplett auf die Schalter S3 und S4. Damit ist die Kommutierung abgeschlossen und der "n" Zustand erreicht. Der Hilfsschalter Saux3 wird in dieser Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. Der Laststrom io fließt durch die Schalter T1 und T2. Die Spannung über den Schaltern S3 und S4 ist jeweils vC3 = vC4 = Vdc/2. Die Inversdioden D3 und D4 sind im Sperrzustand. Der Kommutierungsvorgang wird mit dem Einschalten von Saux3 bei iaux = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der negativen Spannung vLaux = -Vdc/2 über der Induktivität Laux kommt es zu einem negativen Stromanstieg iaux im Hilfszweig. Wenn der Strom in T1 bzw. T2, bestehend aus dem Laststrom io und dem überlagerten Strom iaux, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch gemeinsames Ausschalten von T1 und T2 gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten maximalen Kommutierungsdauer liegt.

Nach dem Ausschalten der beiden Hauptschalter T1 und T2 kommutiert der Laststrom io mit dem überlagerten Hilfsstrom iaux jeweils zur Hälfte in die Entlastungskondensatoren C1 und C2, bzw. C3 und C4. Dabei werden die Kondensatoren C1 und C2 nichtlinear geladen, während die Kondensatoren C3 und C4 dementsprechend entladen werden. Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannungen über den Kondensatoren C3 und C4 die Werte vC3 = vC4 = 0 erreicht haben und die Schalter S3 und S4 unter ZVS Bedingungen eingeschalten werden. Der Laststrom kommutiert jetzt in die Schalter S3 und S4. Eine positive Spannung von vLaux = Vdc/2 liegt damit über der Induktivität Laux im Hilfszweig, die zu einem positiven Stromgradienten im Strom iaux führt. Wenn der Strom iaux den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux3 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "n" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung n→p für io>0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung ≙)

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S3 und S4 geschlossen. Der Laststrom fließt durch die lnversdioden D3 und D4. Die Spannung über den Schaltern S1 und S2 ist jeweils vC1 = vC2 = Vdc/2. Damit sind die Inversdioden D1 und D2 im Sperrzustand.

Das Einschalten des Hilfsschalters Saux3 bei iaux = 0 (ZCS) startet die Kommutierung. Wegen der positiven Spannung von vLaux = Vdc/2 über der Hilfsinduktivität Laux ist ein positiver Stromanstieg bei dem Strom iaux zu verzeichnen. Wenn der Strom iaux einen Wert Iboost>0 mit Iboost = iaux-io erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch gleichzeitiges aktives Ausschalten von T3 und T4 gestartet. Der minimale Booststrom iboost ist durch die Umschwingbedingung vC1≈vC2 ≤ 0 gegeben, die zur Realisierung des ZVS Verhaltens der Hauptschalter eingehalten werden muß. Die Differenz des Laststromes 10 und des Stromes iaux kommutiert jeweils zur Hälfte in die Entlastungskondensatoren C1 und C2 bzw. C3 und C4, wobei die Kondensatoren C1 und C2 nichtlinear entladen werden, während die Kondensatoren C3 und C4 entspregriend geladen werden.

Wenn die Spannungen über C1, und C2 den Wert vC1, = vC2 = 0 erreicht haben, werden die Schalter S1, und S2 unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Da die Spannung der Kondensatoren C3 und C4 nun auf vC3 = vC4 = Vdc/2 gehalten wird, kommutiert der Laststrom komplett auf die Schalter S1 und S2. Eine negative Spannung vLaux = -Vdc/2 liegt nun über dem Hilfszweig, die zu einem negativen Gradienten des Stromes iaux führt. Wenn der Strom den Wert iaux = 0 erreicht hat, kann der Schalter Saux3 unter ZCS Bedingungen ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "p" erreicht.

Die Kommutierungen für negative Ausgangsströme io<0 sind wegen der symmetrischen Struktur analog, jedoch sind jetzt die Transitionen p→n ARCP Kommutierungen und die Transitionen n->p kapazitive bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen.

Im weiteren soll auf die Erweiterung der in Fig. 1 vorgestellten Topologie (Dreipunktstromrichter) auf Mehrpunktstromrichter eingegangen werden.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter mit Entkopplungsdiode können gemäß den oben beschriebenen Erweiterungen zu einem ARCP Stromrichter mit Ladungssteuerungsschaltern modifiziert werden. Die in diesen Stromrichtern möglichen Kommutierungen entsprechen den beschriebenen drei Kommutierungstypen - der ARCP Kommutierung, der kapazitiven Kommutierung und der ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung.

Am Beispiel des im Fig. 6 gezeigten Fünfpunktstromrichters soll auf allgemeine Zusammenhänge bezüglich der Kommutierungen in ARCP Mehrpunktstromrichtern mit Ladungssteuerungsschaltern hingewiesen werden. Obwohl in einem Fünfpunktstromrichter in einem Zustand vier Hauptschalter, anstelle der zwei Hauptschalter im Dreipunktstromrichter, eingeschalten sind, erfolgen Kommutierungen zwischen einer Stromrichterebene und einer darunter oder darüber liegenden Ebene immer mit Hilfe zweier einzelner Hauptschalter. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich die für den Dreipunktstromrichter gemachten Angaben direkt übertragen und das Steuerproblem reduziert sich auf die Wahl der richtigen Hilfsschalter Saux und Ladungssteuerungsschalter Sn-NPC bzw. Sp-NPC. Generell kann gesagt werden, daß bei einer ARCP Kommutierung bzw. einer ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung der Hilfsschalter Saux genutzt werden muß, der bezüglich des Spannungspotentials an seinem Anschlußpunkt zu den Gleichspannungskapazitäten genau in der Mitte der beiden Potentiale liegt, zwischen denen die Ausgangsspannung vo kommutiert wird. So wird zum Beispiel bei der ARCP Kommutierung der Ausgangsspannung vo von +Vdc/4 auf +Vdc/2 bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0, der Schalter Saux1, der an einem Potential von +3/8 Vdc bezüglich des Stromrichtermittelpunktes liegt, in Reihe zur Resonanz-Induktivität Laux geschalten:

Die Wahl der Ladungssteuerungsschalter, die an einer bestimmten Kommutierung beteiligt sind, erfolgt in der Art, daß nur die Entlastungskapazitäten während der Kommutierung umgeladen werden, deren parallel geschalteter Hauptschalter am Kommutierungsprozeß mit einer Schalttransition beteiligt ist. Der Kommutierungstyp ist dabei für die Wahl der Ladungssteuerungsschalter unerheblich.

In dem eben beschriebenen Beispiel der Kommutierung der Ausgangsspannung vo von +Vdc/4 auf +Vdc/2 bezüglich des Stromrichtermittelpunktes 0 wären das die Schalter S1 und S5. Von dieser Kommutierung bleiben die geschlossenen Schalter S2, S3 und S4 bzw. die offenen Schalter S6, S7 und S8 unberührt. Mit Hilfe der Ladungssteuerungsschalter sind Strompfade zu gewährleisten, die die Kapazitäten C1 und C5 umladen, ohne dabei die anderen Kapazitäten umzuladen. Dies ist in dem Fall zum einen durch die positive Gleichspannungsschiene 2 und zum anderen durch einen geschlossenen Schalter Sn-NPC1, gebildet durch Dn-NPC1 und Tn-NPC1, zu gewährleisten. Im Detail entspricht diese Kommutierung einer ARCP Kommutierung im Dreipunktstromrichter. In Abhängigkeit von der Richtung des Ausgangsstromes kann teilweise auch auf ein aktives Einschalten der Schalter Tn-NPC bzw. Tp-NPC verzichtet werden, da die Entlastungsdioden Dn-NPC bzw. Dp-NPC automatisch eine korrekte Ladungssteuerung vornehmen.

Mit den unter Fig. 6 beschriebenen Modifikationen ist es somit möglich, daß Prinzip der ARCP Kommutierung mit Ladungssteuerungsschaltern auf Mehrpunktstromrichter mit mehr als drei Punkten anzuwenden.


Anspruch[de]
  1. 1. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter
    1. - mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S1 . . . S8) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
    2. - wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungskapazität (C1 . . . C8) angeordnet ist,
    3. - wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungspunkte (0, 1', 3') und Spannungsmittelpunkte (1, 3, 11, 12, 13, 14) verfügbar sind,
    4. - wobei der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung mindestens einer Resonanz-Induktivität (Laux, Laux1, Laux2) und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (Saux1 . . . Saux4) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist,
    5. - wobei die Verbindungspunkte (7, 9, 17, 19, 27, 49) der Entlastungskapazitäten (C1 . . . C8), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Ladungssteuerungsschalter (Sn-NPC, Sp-NPC, Sn-NPC1 . . . Sn-NPC3, Sp-NPC1 . . . Sp-NPC3) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten (0, 1', 3') der Stromrichterebenen verbunden sind (Fig. 1, 2, 4, 6).
  2. 2. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) über eine Reihenschaltung lediglich einer einzigen Resonanz-Induktivität (Laux) und mehrerer daran angeschlossener unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (Saux1...Saux4) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3, 11, 12, 13, 14) der Stromrichterebenen verbunden ist (Fig. 1, 6).
  3. 3. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Resonanz-Induktivität (Laux) über einen weiteren unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (Saux3) mit dem Stromrichtermittelpunkt (0) verbunden ist (Fig. 4).
  4. 4. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) über getrennte Reihenschaltungen jeweils einer Resonanz-Induktivität (Laux1, Laux2) und einem unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (Saux1, Saux2) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3) der Stromrichterebeneri verbunden ist (Fig. 2).
  5. 5. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter
    1. - mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S1 . . . S4) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
    2. - wobei parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungskapazität (C1 . . . C4) angeordnet ist,
    3. - wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens zwei Stromrichterebenen gebildet sind, deren Verbindungspunkt (0) bzw. Verbindungspunkte und Spannungsmittelpunkte (1, 3) verfügbar sind,
    4. - wobei die Verbindungspunkte (7, 9) der Entlastungskapazitäten (C1 . . . C4), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Reihenschaltungen einer Resonanz-Induktivität (Laux1, Laux2) und unabhängig steuerbarer bidirektionaler Hilfsschalter (Saux1, Saux2) mit den Spannungsmittelpunkten (1, 3) der Stromrichterebenen verbunden sind,
    5. - wobei die Verbindungspunkte (7, 9) der Entlastungskapazitäten (C1 . . . C4), welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase (10) bilden, über Ladungssteuerungsschalter (Sn-NPC, Sp-NPC) mit dem Verbindungspunkt (0) bzw. den Verbindungspunkten der Stromrichterebenen verbunden sind (Fig. 3).
  6. 6. Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Stromrichterphase (10) zusätzlich über eine Reihenschaltung einer Resonanz-Induktivität (Laux3) und einen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (Saux3) mit dem Stromrichtermittelpunkt (0) verbunden ist (Fig. 5).






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