DE10140747A1 - Control and regulating method for a three-point converter with active clamp switches and device therefor - Google Patents
Control and regulating method for a three-point converter with active clamp switches and device thereforInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuer- und Regelverfahren für einen selbstgeführ ten, von einem Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeisten Dreipunkt-Stromrichter mit aktiven Klemmschaltern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vor richtung hierzu. Derartige Stromrichter können sowohl als selbstgeführte Gleichrichter als auch als selbstgeführte Wechselrichter eingesetzt werden. Sie werden vor allem in elektrischen Antrieben mittlerer und großer Leistungen angewendet.The invention relates to a control and regulating method for a self-guided th, three-point converter fed by a DC voltage intermediate circuit active clamp switches according to the preamble of claim 1 and on a front direction to this. Such converters can be used both as self-commutated rectifiers as well as self-commutated inverters. You will mostly be in electric drives of medium and large powers applied.
Die Topologie des selbstgeführten, diodengeklemmten Dreipunkt-Stromrichters am Gleichspannungszwischenkreis (Dreipunkt-NPC-Stromrichter) ist allgemein bekannt. Für Einsatzgebiete wie Industrie- oder Traktionsantriebe großer Leistungen (Mit telspannungsantriebe) wird sie auch industriell angewandt. Dabei werden als Haupt schalter zum Beispiel Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT-)Module mit integrierter Inversdiode eingesetzt. Aus Gründen der Modularität, der Vereinfachung des mechani schen Aufbaus oder auch zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Sperrspannungs aufteilung bei der Reihenschaltung von Halbleiterbauelementen in derartigen Strom richtern werden anstelle der Nullpunkt-Klemm-Dioden (NPC-Dioden) häufig auch IGBT- Module als NPC-Schalter (nachfolgend aktive NPC-Schalter oder aktive Nullpunkt- Klemm-Schalter oder aktive Klemmschalter genannt) eingebaut. Diese IGBTs werden dabei entweder durch Kurzschluß der Gate-Emitter-Strecke in den "Aus"-Zustand ge setzt oder auch zur Regelung der Sperrspannungsverteilung im aktiven Bereich betrie ben, während die integrierte Inversdiode die Funktion der NPC-Diode übernimmt.The topology of the self-guided, diode-clamped three-point converter on DC voltage intermediate circuit (three-point NPC converter) is generally known. For areas of application such as industrial or traction drives of high performance (with voltage drives), it is also used industrially. Doing this as the main switches, for example, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) modules with integrated Inverse diode used. For reasons of modularity, the simplification of the mechani structure or to ensure a uniform reverse voltage division in the series connection of semiconductor devices in such current Instead of the zero point clamping diodes (NPC diodes), IGBT Modules as NPC switches (hereinafter active NPC switches or active zero point Clamp switch or active clamp switch) installed. These are IGBTs ge either by short-circuiting the gate-emitter path in the "off" state sets or operated to regulate the reverse voltage distribution in the active area ben, while the integrated inverse diode takes over the function of the NPC diode.
In Fig. 1 ist ein derartiger allgemein bekannter selbstgeführter, mit NPC-Schaltern be stückter Dreipunkt-Stromrichter am Gleichspannungszwischenkreis oder kurz Drei punkt-NPC-Stromrichter gezeigt. Zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluß und den drei Lastanschlüssen sind jeweils ein äußerer Hauptschalter T1U bzw. T1V bzw. T1W - nachfolgend allgemein mit T1 bezeichnet - und ein innerer Hauptschalter T2U bzw. T2V bzw. T2W - nachfolgend allgemein auch mit T2 bezeichnet - in Reihe angeordnet, wobei jedem äußeren Hauptschalter T1U bzw. T1V bzw. T1W eine Invers diode D1U bzw. D1V bzw. D1W - nachfolgend allgemein auch mit D1 bezeichnet - an tiparallel liegt und jedem innerem Hauptschalter T2U bzw. T2V bzw. T2W eine Invers diode D2U bzw. D2V bzw. D2W - nachfolgend allgemein auch mit D2 bezeichnet - an tiparallel liegt.In Fig. 1, such a well-known self-guided, with NPC switches be populated three-point converter on the DC link or short three-point NPC converter is shown. An outer main switch T1U or T1V or T1W - hereinafter generally referred to as T1 - and an inner main switch T2U or T2V or T2W - hereinafter also generally referred to as T2 - are arranged in series between the positive DC voltage connection and the three load connections, wherein each outer main switch T1U or T1V or T1W has an inverse diode D1U or D1V or D1W - hereinafter also generally referred to as D1 - on parallel and each inner main switch T2U or T2V or T2W has an inverse diode D2U or D2V or D2W - hereinafter also generally referred to as D2 - lies on tip parallel.
Zwischen dem negativen Gleichspannungsanschluß und den drei Lastanschlüssen sind jeweils ein äußerer Hauptschalter T4U bzw. T4V bzw. T4W - nachfolgend allgemein auch mit T4 bezeichnet - und ein innerer Hauptschalter T3U bzw. T3V bzw. T3W - nachfolgend allgemein auch mit T3 bezeichnet - in Reihe angeordnet, wobei jedem äu ßeren Hauptschalter T4U bzw. T4V bzw. T4W eine Inversdiode D4U bzw. D4V bzw. D4W - nachfolgend allgemein auch mit D4 bezeichnet - antiparallel liegt und jedem innerem Hauptschalter T3U bzw. T3V bzw. T3W eine Inversdiode D3U bzw. D3V bzw. D3W - nachfolgend allgemein auch mit D3 bezeichnet - antiparallel liegt. Die lastseiti gen Phasenströme (Lastströme) sind mit iphU, iphV, iphW bezeichnet.Between the negative DC voltage connection and the three load connections, an outer main switch T4U or T4V or T4W - hereinafter also generally referred to as T4 - and an inner main switch T3U or T3V or T3W - hereinafter also generally referred to as T3 - are arranged in series , with each outer main switch T4U or T4V or T4W an inverse diode D4U or D4V or D4W - hereinafter also generally referred to as D4 - is antiparallel and each inner main switch T3U or T3V or T3W an inverse diode D3U or D3V or D3W - hereinafter also generally referred to as D3 - lies antiparallel. The load-side phase currents (load currents) are designated i phU , i phV , i phW .
Der gemeinsame Verbindungspunkt von T1U, D1U, T2U und D2U ist über einem akti ven NPC-Schalter T5U mit antiparalleler Inversdiode D5U an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises angeschlossen. Desgleichen liegt der gemeinsame Verbindungspunkt von T1V, D1V, T2V und D2V über einem aktiven NPC-Schalter T5V mit antiparalleler Inversdiode D5V an der Mittelanzapfung des Gleichspannungs- Zwischenkreises. In gleicher Art und Weise ist der gemeinsame Verbindungspunkt von T1W, D1W, T2W und D2W über einem aktiven NPC-Schalter T5W mit antiparalleler Inversdiode D5W an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ange schlossen. Die aktiven NPC-Schalter T5U, T5V, T5W werden nachfolgend allgemein auch mit T5 bezeichnet. Die Inversdioden D5U, D5V, D5W werden nachfolgend auch mit D5 bezeichnet.The common connection point of T1U, D1U, T2U and D2U is above an acti ven NPC switch T5U with anti-parallel inverse diode D5U to the center tap of the DC link connected. Likewise, the common lies Connection point of T1V, D1V, T2V and D2V via an active NPC switch T5V with anti-parallel inverse diode D5V at the center tap of the DC voltage Intermediate circuit. In the same way, the common connection point of T1W, D1W, T2W and D2W over an active NPC switch T5W with anti-parallel Inverse diode D5W attached to the center tap of the DC link closed. The active NPC switches T5U, T5V, T5W become general below also referred to as T5. The inverse diodes D5U, D5V, D5W are also below designated D5.
Die Mittelanzapfung ist über zwei Kondensatoren gleicher Kapazität mit den beiden Gleichspannungsanschlüssen verbunden. Die Spannung über den Kondensatoren be trägt jeweils Vdc/2 (halbe Zwischenkreisspannung).The center tap is connected to the two DC voltage connections via two capacitors of the same capacitance. The voltage across the capacitors is V dc / 2 (half DC link voltage).
Der gemeinsame Verbindungspunkt von T3U, D3U, T4U und D4U ist über einem akti ven NPC-Schalter T6U mit antiparalleler Inversdiode D6U an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises angeschlossen. Desgleichen liegt der gemeinsame Verbindungspunkt von T3V, D3V, T4V und D4V über einem aktiven NPC-Schalter T6V mit antiparalleler Inversdiode D6V an der Mittelanzapfung des Gleichspannungs- Zwischenkreises. In gleicher Art und Weise ist der gemeinsame Verbindungspunkt von T3W, D3W, T4W und D4W über einem aktiven NPC-Schalter T6W mit antiparalleler Inversdiode D6W an die Mittelanzapfung des Gleichspannungs-Zwischenkreises ange schlossen. Die aktiven NPC-Schalter T6U, T6V, T6W werden nachfolgend allgemein auch mit T6 bezeichnet. Die Inversdioden D6U, D6V, D6W werden nachfolgend auch mit D6 bezeichnet.The common connection point of T3U, D3U, T4U and D4U is above an acti ven NPC switch T6U with anti-parallel inverse diode D6U to the center tap of the DC link connected. Likewise, the common lies Connection point of T3V, D3V, T4V and D4V via an active NPC switch T6V with anti-parallel inverse diode D6V at the center tap of the DC voltage Intermediate circuit. In the same way, the common connection point of T3W, D3W, T4W and D4W over an active NPC switch T6W with anti-parallel Inverse diode D6W attached to the center tap of the DC link closed. The active NPC switches T6U, T6V, T6W become general below also referred to as T6. The inverse diodes D6U, D6V, D6W are also below designated D6.
Eine Untersuchung diodengeklemmter Dreipunkt-NPC-Stromrichter bei sinusförmiger Modulation zeigt, daß die thermische Auslegung dieser Stromrichter von vier kritischen Arbeitspunkten bestimmt wird, welche in nachstehender Tabelle 1 angegeben sind. In jedem dieser vier kritischen Arbeitspunkte ist der Phasenstrom (Laststrom) und damit die Ausgangsleistung des Stromrichters durch die maximal zulässigen Verluste der an diesem kritischen Arbeitspunkt am stärksten beanspruchten Leistungshalbleiter be grenzt. Alle anderen Halbleiter erreichen an den jeweiligen kritischen Arbeitspunkten nur eine niedrigere Sperrschichttemperatur. Da die maximalen Verluste und maximalen Sperrschichttemperaturen der einzelnen Halbleiter in den für sie kritischen Be triebspunkten vergleichbare Werte erreichen, ist ein Ersatz aller Bauelemente durch größere erforderlich, wenn die Ausgangsleistung des Stromrichters gesteigert werden soll. An investigation of diode-clamped three-point NPC converters with sinusoidal Modulation shows that the thermal design of these converters is critical by four Working points are determined, which are given in Table 1 below. In each of these four critical operating points is the phase current (load current) and thus the output power of the converter through the maximum permissible losses of the this most critical operating point borders. All other semiconductors reach the respective critical operating points only a lower junction temperature. Because the maximum losses and maximum Junction temperatures of the individual semiconductors in the critical for them reach comparable values, is a replacement of all components with larger ones are required if the output power of the converter is increased should.
Ein zusätzlicher kritischer Arbeitspunkt bei Einsatz der Stromrichter in elektrischen An triebssystemen, besonders solchen mit Synchronmaschinen, ist der Anlauf oder Still stand des Antriebes. Dieser Fall ist durch eine sehr niedrige Ausgangsfrequenz des Stromrichters bis zu null Hertz und einen niedrigen Modulationsgrad M gekennzeichnet. Der Phasenstrom (Laststrom) wird in diesem Fall durch die Verluste in den NPC- Dioden begrenzt, was dem Fall 2 in nachstehender Tabelle I entspricht. Bedingt durch die niedrige Ausgangsfrequenz kann eine Phase für eine Zeitdauer mit dem Spitzen wert des Laststromes belastet werden, welche hinreichend ist, um den thermisch sta tionären Zustand zu erreichen. Dadurch reduziert sich der erreichbare Laststrom ge genüber dem Betrieb bei hohen Ausgangsfrequenzen erheblich. Obwohl dieses Pro blem durch eine Verringerung der Schaltfrequenz bei Stillstand verkleinert werden kann, kann bei üblichen Mittelspannungsantrieben eine Reduzierung des Laststromes bei Stillstand gegenüber dem Bemessungsstrom nicht vermieden werden. Anwendun gen wie zum Beispiel Warm- und Kaltwalzwerke verlangen jedoch typischerweise 200% Lastmoment und damit doppelten Laststrom bei Stillstand des Antriebes. Die Erfüllung dieser Bedingung führt folglich in nachteiliger Weise zu einer deutlichen Überdimensio nierung des Dreipunkt-NPC-Stromrichters.An additional critical operating point when using the converter in electrical applications drive systems, especially those with synchronous machines, is the start-up or shutdown state of the drive. This case is due to a very low output frequency Power converters up to zero Hertz and a low degree of modulation M marked. In this case, the phase current (load current) is determined by the losses in the NPC Diodes limited, which corresponds to case 2 in Table I below. Due the low output frequency may phase for a period of time with the spike value of the load current, which is sufficient to the thermally sta to reach the state. This reduces the load current that can be achieved compared to operating at high output frequencies considerably. Although this pro blem can be reduced by reducing the switching frequency at standstill can, with conventional medium voltage drives, a reduction of the load current at standstill compared to the rated current cannot be avoided. applicatio conditions such as hot and cold rolling mills typically require 200% Load torque and thus double load current when the drive is at a standstill. The fulfillment this condition consequently disadvantageously leads to a clear overdimensioning nation of the three-point NPC converter.
Bezugnehmend auf die obige Abhandlung ist die ungleichmäßige Verteilung der Verlu ste zwischen den einzelnen Halbleiterbauelementen ein wesentlicher Nachteil des diodengeklemmten Dreipunkt-NPC-Stromrichters sowie des wie ein diodengeklemmter Dreipunkt-NPC-Stromrichter betriebenen Dreipunkt-Stromrichters mit aktiven NPC- Schaltern. Daraus folgt auch die relativ geringe Ausnutzung der Halbleiterbauelemente, insbesondere der inneren Hauptschalter. Des weiteren muß festgestellt werden, daß die Möglichkeiten der häufig anstelle der NPC-Dioden eingebauten aktiven NPC- Schalter (mit Inversdioden) zur Beeinflussung der Verteilung der Verluste in den Halb leiterbauelementen bisher nicht aktiv genutzt worden sind.Referring to the above paper is the uneven distribution of loss a major disadvantage of the individual semiconductor components diode-clamped three-point NPC converter and like a diode-clamped Three-point NPC converter operated three-point converter with active NPC Switches. This also results in the relatively low utilization of the semiconductor components, especially the inner main switch. It must also be stated that the possibilities of the active NPC diodes which are often installed instead of the NPC diodes Switches (with inverse diodes) to influence the distribution of losses in the half conductor components have not been used actively so far.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und Regelverfahren für einen Dreipunkt-Stromrichter mit aktiven Klemmschaltern der eingangs genannten Art anzu geben, das die Verlustverteilung zwischen den Halbleiterbauelementen eines Phasen bausteines des Stromrichters allen Arbeitspunkten und auch bei Stillstand des Antrie bes vergleichmäßigt.The invention has for its object a control and regulation method for one Three-point converter with active clamp switches of the type mentioned give that the loss distribution between the semiconductor devices of a phase component of the converter at all operating points and also when the drive is at a standstill bes evened out.
Des weiteren soll eine Vorrichtung hierzu angegeben werden.Furthermore, a device for this purpose is to be specified.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Steuer- und Regelverfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The task is related to the tax and regulation procedure in connection with the Features of the preamble according to the invention by the in the characteristics of the An solved 1 specified features.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 11 angege benen Merkmale gelöst.The task is carried out with regard to the device in connection with the features of According to the invention in the characterizing part of claim 11 characteristics resolved.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die
Vergleichmäßigung der Verlustaufteilung zwischen den NPC-Schaltern und den inneren
Schaltern in den Fällen 2 und 4 (motorischer oder generatorischer Betrieb mit sehr klei
nem Modulationsgrad) nach Tabelle I
The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that by equalizing the loss distribution between the NPC switches and the internal switches in cases 2 and 4 (motor or generator operation with a very small degree of modulation) according to Table I
- - unter Beibehaltung der Ausgangsleistung des Stromrichters durch Anwendung kleinerer Halbleiter als innere Hauptschalter und aktive NPC-Schalter der Auf wand an Halbleitern insgesamt wesentlich reduziert wird oder alternativ- while maintaining the output power of the converter through application Smaller semiconductor than inner main switches and active NPC switches on overall wall of semiconductors is significantly reduced or alternatively
- - bei konstanter installierter Schalterleistung eine verringerte Leistungsreduktion bei Stillstand ermöglicht wird.- With constant installed switch power, a reduced power reduction is made possible at standstill.
Weiterhin wird auch die Verringerung der Belastung der äußeren Hauptschalter bzw. Dioden in den kritischen Arbeitspunkten 1 und 3 (motorischer oder generatorischer Be trieb mit maximalem Modulationsgrad) nach vorstehender Tabelle I auf Kosten der in neren Hauptschalter und Dioden erreicht und damit - verbunden mit der eben genann ten Vergleichmäßigung der Verlustaufteilung zwischen den NPC-Schaltern und den inneren Schaltern in den Fällen 2 und 4 - wird eine Steigerung der Ausgangsleistung des Stromrichters (Erhöhung der Leistungsausbeute) oder eine Erhöhung der Schalt frequenz ohne erhöhten Aufwand an Halbleiterbauelementen erzielt.Furthermore, the reduction in the load on the outer main switches or Diodes in critical working points 1 and 3 (motor or generator loading driven with maximum degree of modulation) according to Table I above at the expense of in The main switch and diodes have been reached and connected to it equalization of the loss distribution between the NPC switches and the inner switches in cases 2 and 4 - will increase the output power of the converter (increase in the power yield) or an increase in the switching frequency achieved without increased effort on semiconductor devices.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.Further advantages are evident from the description below.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:
Fig. 1 einen Dreipunkt-NPC-Stromrichter mit aktiven NPC-Schaltern (Stand der Technik), Fig. 1 shows a three-point NPC converter with active NPC switches (prior art),
Fig. 2, 3 interessierende Stromverläufe bei Kommutierungen, Fig. 2, 3 interest current waveforms at commutation,
Fig. 4 Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer positiven Aus gangsspannung, Fig. 4 switching signals for the commutation with a positive modulation from input voltage,
Fig. 5 Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer negativen Aus gangsspannung, Fig. 5 switching signals for the commutation at a negative modulation from output voltage,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Zusatzkomponente zur konventionellen Steue rung/Regelung eines Dreipunkt-NPC-Stromrichters. Fig. 6 is a block diagram of an additional component for conventional control / regulation of a three-point NPC converter.
Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Steuer- und Regelverfah rens soll zunächst auf die Unterschiede zwischen den möglichen Zuständen in einem konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter ohne aktive Klemmschalter oder ohne ak tive Nutzung vorhandener aktiver Klemmschalter und einem Stromrichter mit aktiver Nutzung dieser NPC-Schalter eingegangen werden. To explain the mode of operation of the control and regulating method according to the invention rens is supposed to focus on the differences between the possible states in one conventional three-point NPC converter without active clamp switch or without ak tive use of existing active clamp switches and a converter with active Using these NPC switches.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Dreipunkt-Stromrichters mit Spannungszwischenkreis mit aktiven NPC-Schaltern (Stand der Technik), wie bereits eingangs erläutert. Zur Modu lation der Ausgangsspannung wird der wechselspannungsseitige Anschluß jeder Phase jeweils mit der positiven Zwischenkreisschiene (positiver Gleichspannungsanschluß), dem Nullpunkt (Mittelanzapfung) oder der negativen Zwischenkreisschiene (negativer Gleichspannungsanschluß) verbunden. Diese drei Zustände sind mit "+", "0" und "-" bezeichnet. Im konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter existiert für jeden dieser drei Zustände genau eine Kombination von Schalterstellungen, die in nachstehender Tabelle II zusammengefaßt sind. Im "0"-Zustand wird bei positiver Richtung des Last stromes der obere Pfad der Mittelanzapfung vom Strom durchflossen, bei negativer Richtung der untere. Es werden immer sowohl T2 als auch T3 eingeschaltet. Fig. 1 shows the construction of a three-point power converter with voltage intermediate circuit with active NPC switches (prior art), as already explained in the introduction. To modulate the output voltage, the AC-side connection of each phase is connected to the positive DC link rail (positive DC voltage connection), the zero point (center tap) or the negative DC link rail (negative DC voltage connection). These three states are labeled "+", "0" and "-". In the conventional three-point NPC converter, there is exactly one combination of switch positions for each of these three states, which are summarized in Table II below. In the "0" state, the current flows through the upper path of the center tap when the load current is positive, and the lower path when the direction is negative. Both T2 and T3 are always switched on.
Werden die aktiven NPC-Schalter jedoch aktiv genutzt, bieten sich mehrere alternative Schalterstellungen zur Realisierung des Zustandes "0" an. Der Laststrom kann durch das Einschalten von T5 und T2 in beiden Richtungen durch den oberen Pfad der Mit telanzapfung bzw. durch das Einschalten von T6 und T3 durch den unteren Pfad der Mittelanzapfung geführt werden. Diese Zustände werden nachfolgend mit "0o2" (für den oberen Pfad) beziehungsweise "0u2" (für den unteren Pfad) bezeichnet. Mit dem Ein schalten von T5 und T2 (T3 und T6 werden bzw. sind ausgeschaltet und können je weils die halbe Zwischenkreisspannung sperren) kann T4 nach einer Kommutierung von "-" nach "0o2" auch im eingeschalteten Zustand verbleiben. Analoges gilt für den Schalter T1 nach einer Kommutierung von "+" nach "0u2". Diese Zustände werden im folgenden als "0o1" (für den oberen Pfad) und "0u1" (für den unteren Pfad) bezeichnet. Weiterhin ist natürlich auch der herkömmliche Zustand "0" wie in vorstehender Tabelle II schaltbar und es besteht die Möglichkeit T2, T3, T5 und T6 gleichzeitig einzuschalten. In diesem Fall ist die Aufteilung des Stromes zwischen oberen und unterem Pfad der Mittelanzapfung durch parasitäre Elemente, die Streuung der Halbleitereigenschaften sowie die Temperaturabhängigkeit der Halbleitereigenschaften (z. B. der Durchlaß spannung) bestimmt. Beide letztgenannten Schaltzustände werden nicht weiter be trachtet.However, if the active NPC switches are used actively, there are several alternatives Switch positions for realizing the state "0". The load current can pass through switching on T5 and T2 in both directions through the upper path of the Mit Tapping or by switching on T6 and T3 through the lower path of Funds are tapped. These states are subsequently identified with "0o2" (for the upper path) or "0u2" (for the lower path). With the one switching of T5 and T2 (T3 and T6 are or are switched off and can each because half the DC link voltage can block) T4 after commutation from "-" to "0o2" remain in the switched on state. The same applies to the Switch T1 after commutation from "+" to "0u2". These conditions are in the hereinafter referred to as "0o1" (for the upper path) and "0u1" (for the lower path). Furthermore, the conventional state is of course "0" as in the table above II switchable and there is the possibility to switch on T2, T3, T5 and T6 at the same time. In this case, the division of the current between the upper and lower path is the Central tapping through parasitic elements, the dispersion of semiconductor properties as well as the temperature dependence of the semiconductor properties (e.g. the transmission voltage) determined. Both of the latter switching states are no longer be seeks.
Für den "+"- und den "-"-Zustand ergeben sich durch aktive Benutzung der aktiven NPC-Schalter keine Alternativen. Die damit insgesamt sechs zur Verfügung stehenden Schaltzustände sind in nachstehender Tabelle III zusammengefaßt.For the "+" and "-" states, active use results in the active NPC switches are no alternatives. The total of six available Switching states are summarized in Table III below.
Offensichtlich kann mit der gezielten Auswahl des oberen oder unteren NPC-Pfades die Verteilung der Leitverluste während des "0"-Zustandes beeinflußt werden. Die Leitver luste in den Zuständen "+" und "-" sind dagegen nicht beeinflußbar. Die Kommutierun gen zu oder von den neuen Zuständen bestimmen die Verteilung der Schaltverluste aller Halbleiter.Obviously, with the targeted selection of the upper or lower NPC path Distribution of the routing losses during the "0" state can be influenced. The Leitver however, losses in the "+" and "-" states cannot be influenced. The commutation conditions to or from the new states determine the distribution of switching losses all semiconductors.
Alle Kommutierungen finden zwischen zwei Bauelementen statt. Auch wenn mehrere Schalter umgeschaltet werden, fallen maßgebliche Verluste immer nur in einem aktiven Schalter und einer Inversdiode an. Die anderen Schalter schalten im Prinzip ohne Ver luste, da sie vor bzw. nach der Kommutierung entweder keinen Strom führen oder kei ne Sperrspannung übernehmen.All commutations take place between two components. Even if several Switch are switched, significant losses always fall only in an active Switch and an inverse diode. The other switches switch in principle without Ver loss because they either do not carry any current before or after commutation or do not Accept reverse voltage.
Im folgenden werden die vier Typen von Kommutierungen des vorgeschlagenen Steu erverfahrens der herkömmlichen Kommutierung im Dreipunkt-NPC-Stromrichter ge genübergestellt und ihr Einfluß auf die Verteilung der Verluste erläutert. Exemplarisch wird dabei ein positiver Laststrom und die Modulation einer positiven Ausgangsspan nung betrachtet. Der Brückenzweig wird zwischen der positiven Gleichspannungs schiene (Zustand "+") und der Mittelanzapfung (Nullzustand bzw. "0") hin- und zurück geschaltet.The following are the four types of commutations of the proposed control procedure of conventional commutation in a three-point NPC converter compared and their influence on the distribution of losses explained. exemplary becomes a positive load current and the modulation of a positive output span considered. The bridge branch is between the positive DC voltage rail (state "+") and the center tap (zero state or "0") there and back connected.
Nachfolgend wird zunächst die herkömmliche Kommutierung "+" ↔ "0" betrachtet. Oh ne aktive Einbeziehung der aktiven NPC-Schalter kommutiert der Laststrom zwischen T1 und D5. Äußerer Hauptschalter T1 und innerer Hauptschalter T3 werden alternie rend ein- und ausgeschaltet, während T2 und T4 im Ein- bzw. Auszustand verbleiben. Schaltverluste treten in T1 und D5 auf (siehe hierzu auch Fig. 2).The conventional commutation "+" ↔ "0" is first considered below. Without active inclusion of the active NPC switches, the load current commutates between T1 and D5. Outer main switch T1 and inner main switch T3 are alternately switched on and off, while T2 and T4 remain in the on and off state. Switching losses occur in T1 and D5 (see also Fig. 2).
Nachfolgend wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kommutierung "+" ↔ "0o2" betrachtet, bei welcher die NPC-Schalter aktiv einbezogen werden. Der Laststrom wird gezielt auf den oberen Pfad der Mittelanzapfung kommutiert, und zwar unabhängig von der Stromrichtung. Dazu wird zuerst T6 geöffnet (ausgeschaltet), der im "+"-Zustand vorzugsweise eingeschaltet ist. Anschließend wird T1 aus- und unter Beachtung der erforderlichen Totzeit der Klemmschalter T5, d. h. nach erfolgter Kommutierung des Stromes eingeschaltet. Bei der Kommutierung zurück auf "+" erfolgen die inversen Schaltvorgänge in umgekehrter Reihenfolge. Schaltverluste treten wie bei der her kömmlichen Kommutierung jeweils in T1 und D5 auf (siehe Fig. 2).The commutation “+” ↔ “0o2” proposed according to the invention, in which the NPC switches are actively included, is considered below. The load current is specifically commutated to the upper path of the center tap, regardless of the direction of the current. To do this, T6 is first opened (switched off), which is preferably switched on in the "+" state. Then T1 is switched off and the terminal switch T5 is switched on, taking into account the required dead time, ie after commutation of the current. When commutating back to "+", the inverse switching operations take place in reverse order. As with conventional commutation, switching losses occur in T1 and D5 (see Fig. 2).
Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0u2" betrachtet. Der Laststrom wird unab hängig von der Stromrichtung gezielt auf den unteren Pfad der Mittelanzapfung kom mutiert, indem zuerst T1 aus- und unter Beachtung der Totzeit der innere Hauptschalter T3 eingeschaltet und danach auch T2 geöffnet wird. Zunächst wird sich der Laststrom auf den oberen und den unteren Pfad der Mittelanzapfung verteilen. Der Strom im obe ren Pfad kommutiert mit dem Öffnen von T2 ebenfalls auf den bereits leitenden unteren Pfad. Bei der rückwärtigen Kommutierung wird zuerst T2 geschlossen und anschlie ßend T3 geöffnet. Mit dem Einschalten von T1 kommutiert der gesamte Laststrom vom unteren Pfad der Mittelanzapfung zurück auf den "+"-Pfad. Maßgebliche Schaltverluste treten in T1 und D3 auf (siehe Fig. 3).The commutation "+" ↔ "0u2" is considered below. Regardless of the direction of the current, the load current is specifically commutated to the lower path of the center tap by first switching off T1 and, taking into account the dead time, switching on the inner main switch T3 and then also opening T2. First, the load current will be distributed across the top and bottom paths of the center tap. The current in the upper path commutates to the already conductive lower path when T2 is opened. In the case of reverse commutation, T2 is closed first and then T3 is opened. When T1 is switched on, the entire load current commutates from the lower path of the center tap back to the "+" path. Significant switching losses occur in T1 and D3 (see Fig. 3).
Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0u1" betrachtet. Wie bei der vorstehend beschriebenen Kommutierung "+" ↔ "0u2" wird der Laststrom unabhängig von der Stromrichtung gezielt auf den unteren Pfad der Mittelanzapfung kommutiert. Die Kom mutierung wird aber durch das Ausschalten von T2 erreicht. T3 wird nach der Totzeit eingeschaltet, T1 bleibt eingeschaltet. Bei der Kommutierung zurück auf "+" erfolgen die inversen Schaltvorgänge in umgekehrter Reihenfolge. Schaltverluste entstehen je weils in T2 und D3 (siehe Fig. 3).The commutation "+" ↔ "0u1" is considered below. As with the commutation "+" ↔ "0u2" described above, the load current is commutated on the lower path of the center tap regardless of the current direction. The mutation is achieved by switching off T2. T3 is switched on after the dead time, T1 remains switched on. When commutating back to "+", the inverse switching operations take place in reverse order. Switching losses arise in each case in T2 and D3 (see Fig. 3).
Mit dem Einsatz der Kommutierung "+" ↔ "0u2" lassen sich gegenüber der Kommutie rung "+" ↔ "0o2" und der konventionellen Kommutierung die Schaltverluste von der NPC-Diode D5 auf die innere Inversdiode D3 verlagern. Mit dem Einsatz der Kommu tierung "+" ↔ "0u1" lassen sich zusätzlich die Schaftverluste vom äußeren Schalter T1 auf den inneren Schalter T2 verlagern.With the use of commutation "+" ↔ "0u2" can be compared to commutation "+" ↔ "0o2" and the conventional commutation the switching losses from the Shift the NPC diode D5 to the inner inverse diode D3. With the use of commu "+" ↔ "0u1", the shaft losses can also be obtained from the outer switch T1 shift to the inner switch T2.
Nachfolgend wird die Kommutierung "+" ↔ "0o1" betrachtet. Diese Kommutierung ist gleichwertig mit der Kommutierung "+" ↔ "0o2" und wird nur in Richtung "0o1" → "+" eingesetzt, falls sich der Brückenzweig nach vorheriger Modulation einer negativen Ausgangsspannung im Zustand "0o1" befindet und nachfolgend der Zustand "+" ange ordnet wird. Dazu wird zunächst T4 geöffnet und danach weiter wie bei der Kommutie rung "0o2" → "+" verfahren. Schaltverluste entstehen in T1 und D5.The commutation "+" ↔ "0o1" is considered below. This commutation is equivalent to the commutation "+" ↔ "0o2" and is only in the direction "0o1" → "+" used if the bridge branch after a modulation of a negative Output voltage is in the "0o1" state, followed by the "+" state is arranged. To do this, first open T4 and then continue as with commutation Move "0o2" → "+". Switching losses occur in T1 and D5.
Die Kommutierungen zwischen dem Zustand "-" und den verschiedenen Nullzuständen sind den vorstehend beschriebenen Kommutierungen äquivalent. Bei negativem Last strom treten die Verluste gegenüber dem Fall des positiven Laststromes jeweils im an tiparallelen Halbleiter auf. In nachstehender Tabelle IV sind die verlustbehafteten Halbleiter für sämtliche Kommutierungen angegeben. Die den Halbleiterschaltern zu zuführenden Schaltsignale für die Kommutierungen bei Modulation einer positiven Aus gangsspannung zeigt Fig. 4, während Fig. 5 die bei Modulation einer negativen Aus gangsspannung den Halbleiterschaltern zuzuführenden Schaltsignale zeigt. The commutations between the "-" state and the various zero states are equivalent to the commutations described above. With a negative load current, the losses compared to the case of the positive load current occur in the parallel parallel semiconductor. Table IV below shows the lossy semiconductors for all commutations. The switching signals to be supplied to the semiconductor switches for the commutations when modulating a positive output voltage are shown in FIG. 4, while FIG. 5 shows the switching signals to be supplied to the semiconductor switches when modulating a negative output voltage.
Durch den gezielten Einsatz aller oben beschriebenen Kommutierungen, ist es möglich, die Verluste (und damit die Sperrschichttemperaturen) von je zwei Schaltergruppen einander anzunähern. Bei maximaler Belastung äußerer Halbleiterbauelemente bei großem Modulationsgrad (Fälle 1 und 3 nach vorstehender Tabelle I) werden durch geeignete Auswahl der Nullzustände die Sperrschichttemperaturen der äußeren und der inneren Halbleiter bzw. Hauptschalter einander angenähert. Die Sperrschichttempe ratur der NPC-Schalter liegt dabei auf einem niedrigeren Niveau. Bei maximaler Bela stung der NPC-Dioden oder der inneren Halbleiterschalter bei kleinem Modulationsgrad (Fälle 2 und 4 nach vorstehender Tabelle I) werden durch geeignete Auswahl der Null zustände die Sperrschichttemperaturen der NPC- und der inneren Halbleiter einander angenähert. Dabei liegt die Sperrschichttemperatur der äußeren Halbleiter bzw. Haupt schalter auf einem niedrigeren Niveau.Through the targeted use of all of the commutations described above, it is possible the losses (and thus the junction temperatures) of two switch groups each to get closer to each other. At maximum load on external semiconductor components large degree of modulation (cases 1 and 3 according to Table I above) are appropriate selection of the zero states the junction temperatures of the outer and the inner semiconductor or main switch approximated. The junction temperature The NPC switch is at a lower level. At maximum bela The NPC diodes or the internal semiconductor switches with a low degree of modulation (Cases 2 and 4 according to Table I above) are selected by selecting the zero the junction temperatures of the NPC and internal semiconductors are mutually exclusive approximated. The junction temperature of the outer semiconductors or main lies here switches at a lower level.
Die vorstehend erläuterte Funktion wird durch eine Regelung der Sperrschichttempe ratur der Halbleiterbauelemente bzw ein Steuerungs- und Regelungssystem erfüllt, welches die Verluste und daraus die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiterbauele mente kontinuierlich ermittelt, aus den Schaltkommandos der überlagerten Strom richterregelung (PWM, DTC) und der Information über die Sperrschichttemperaturen geeignete Schaltzustände ("0o2", "0o1", "0u1" oder "0u2") auswählt und daraus die er forderlichen Ansteuersignale für die Halbleiterschalter generiert. Das Steuerungssystem unter aktiver Einbeziehung der aktiven Klemmschalter ist lediglich eine Zusatzkompo nente zur konventionellen Steuerung des Dreipunkt-Stromrichters und ersetzt selbst verständlich nicht den Modulator einer Pulsbreitenmodulation (PWM) oder die Regler einer direkten Regelung.The function explained above is achieved by regulating the junction temperature the semiconductor components or a control and regulation system, which is the loss and hence the junction temperature of all semiconductor devices elements continuously determined from the switching commands of the superimposed current judge control (PWM, DTC) and information about the junction temperatures selects suitable switching states ("0o2", "0o1", "0u1" or "0u2") and uses them required control signals for the semiconductor switch generated. The control system with the active inclusion of the active clamp switch is only an additional compo conventional control of the three-point converter and replaces itself understandable not the modulator of a pulse width modulation (PWM) or the controller a direct regulation.
Ein Blockschaltbild des vorgeschlagenen Systems ist in Fig. 6 dargestellt. Ein Modula tor 1 (PWM bzw. Pulse-Width-Modulation oder DTC bzw. Direct-Torque-Control) führt einem Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 Schaltzustandskommandos (Sollwerte) zu. Diesem Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 liegen die Sperrschichttemperatu ren aller Halbleiter und die Lastströme iphU, iphV, iphW vor. Im Temperaturregler erfolgt dabei die Auswahl der Kommutierungsvorgänge und Nullzustände entsprechend einer optimalen Sperrschichttemperaturverteilung der Halbleiter. Der Ansteuerautomat reali siert dabei die Ausgabe der erforderlichen Ansteuersignale für alle Halbleiterschalter unter Beachtung der Schaltreihenfolge während der Kommutierungen.A block diagram of the proposed system is shown in FIG. 6. A modulator 1 (PWM or Pulse Width Modulation or DTC or Direct Torque Control) supplies 2 switching status commands (setpoints) to a temperature controller + automatic control. This temperature regulator and automatic drive 2 are the Sperrschichttemperatu reindeer of all the semiconductors and the load currents i PHU, PHV i, i PHW ago. The commutation processes and zero states are selected in the temperature controller in accordance with an optimal junction temperature distribution of the semiconductors. The automatic control system realizes the output of the required control signals for all semiconductor switches, taking into account the switching sequence during commutation.
Der Temperaturregler + Ansteuerautomat 2 gibt ausgangsseitig Steuersignale für alle Halbleiterschalter (äußere Hauptschalter, innere Hauptschalter, NPC-Schalter) ab. Diese Steuersignale werden des weiteren einem Eingang einer On-line-Berechnung 3 der Schalt- und Leitverluste zugeleitet. Eingangsseitig werden der On-line-Berechnung 3 ferner die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter, die Zwischenkreisspannung Vdc/2, die Lastströme iphU, iphV, iphW sowie die Signale eines Bauglieds 5 zugeleitet, in welchem Halbleiter-Verlustapproximationen gespeichert sind.The temperature controller + automatic control unit 2 outputs control signals for all semiconductor switches (outer main switch, inner main switch, NPC switch) on the output side. These control signals are further fed to an input of an on-line calculation 3 of the switching and control losses. On the input side, the on-line calculation 3 also supplies the junction temperatures of all semiconductors, the intermediate circuit voltage V dc / 2, the load currents i phU , i phV , i phW and the signals of a member 5 in which semiconductor loss approximations are stored.
Das Ausgangssignal der On-line-Berechnung 3 gelangt zu einer On-line-Berechnung 4 der Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter, welche eingangsseitig die aktuelle Kühl mitteltemperatur der Halbleiter und Signale eines thermischen Stromrichtermodells 6 empfängt. Die On-line-Berechnung 4 gibt ausgangsseitig die Sperrschichttemperaturen aller Halbleiter ab. The output signal of the on-line calculation 3 arrives at an on-line calculation 4 of the junction temperatures of all semiconductors, which receives the current coolant temperature of the semiconductors and signals of a thermal converter model 6 on the input side. The online calculation 4 outputs the junction temperatures of all semiconductors on the output side.
In nachstehender Tabelle V ist exemplarisch ein Verfahren angegeben, welches sich für die Auswahl der Kommutierungsvorgänge eignet. Es ist sowohl für den Einsatz mit einer PWM als auch mit direkten Regelverfahren wie Direct-Torque-Control (DTC) oder Direkter Selbstregelung (DSR) geeignet. Es stellt sicher, das immer jener Halbleiter mit der momentan höchsten Sperrschichttemperatur bei der folgenden Kommutierung nicht mit Schaltverlusten belastet wird. Die Leitverluste der Halbleiter sind in diesem Aus wahlverfahren nicht berücksichtigt. Für den üblichen Fall, daß die Leitverluste allein nicht zur Erwärmung eines Halbleiters auf die maximale Sperrschichttemperatur führen, gewährleistet dieses Verfahren eine möglichst gleichmäßige Sperrschichttemperatur verteilung.In Table V below, a method is given as an example suitable for the selection of the commutation processes. It is both for use with a PWM as well as with direct control methods such as Direct Torque Control (DTC) or Suitable for direct self-regulation (DSR). It ensures that always the same semiconductor the currently highest junction temperature during the following commutation is burdened with switching losses. The leading losses of the semiconductors are in this way election process not considered. For the usual case that the routing losses alone do not lead to the heating of a semiconductor to the maximum junction temperature, This process ensures that the junction temperature is as uniform as possible distribution.
Eine Verbesserung des oben genannten Verfahrens wird durch eine Einbeziehung der im kommenden Nullzustand zu erwartenden Leitverluste der Halbleiter im stationären Betrieb in die Berechnung erreicht. Bei Anwendung in einer PMW ist die Dauer des fol genden Nullzustandes bekannt, bei Anwendung eines direkten Regelverfahrens, wie beispielsweise DTC, kann deren Dauer aus dem Maschinenmodell vorausberechnet werden. Damit kann die Kommutierungsart in den Nullzustand so gewählt werden, daß nach der Kommutierung und dem anschließenden Nullzustand die höchste auftretende Sperrschichttemperatur eines Halbleiters minimal ist.An improvement of the above procedure is achieved by including the In the upcoming zero state, the expected conductor losses of the semiconductors in the stationary Operation reached in the calculation. When used in a PMW, the duration of the fol known zero state when using a direct control method, such as for example DTC, the duration of which can be calculated in advance from the machine model become. The type of commutation in the zero state can thus be selected such that the highest occurring after commutation and the subsequent zero state The junction temperature of a semiconductor is minimal.
Das vorgeschlagene Steuerverfahren schafft größte Vorteile in Schaltungen, bei denen die Halbleiter an der Grenze ihrer thermischen Leistungsfähigkeit arbeiten, aber in der Lage sind, höhere Ströme ein- und auszuschalten, wie dies zum Beispiel bei IGBTs im allgemeinen der Fall ist. Dann wird mittels des Verfahrens eine Steigerung der Aus gangsleistung des Stromrichters ohne erhöhten Aufwand an Halbleiterbauelementen erzielt. Sind die aktiven NPC-Schalter bereits eingebaut, etwa als IGBT-Module, wer den aber nicht aktiv genutzt, bietet sich das Verfahren besonders an. Das Verfahren ist aber auch für Stromrichter sinnvoll, bei denen die aktiven NPC-Schalter zusätzlich ein gebaut werden müssen, da dieser Mehraufwand gegenüber der erreichbaren Steige rung der Ausgangsleistung des Stromrichters klein ist. Arbeiten die eingesetzten Halb leiter bereits an der Grenze ihres maximal zulässigen abschaltbaren Stromes, so daß eine Steigerung der Ausgangsleistung nicht in Frage kommt, ist bei Einsatz des vorge schlagenen Steuerverfahrens eine Erhöhung der Schaltfrequenz des Stromrichters oh ne erhöhten Aufwand an Halbleiterelementen möglich. Das zweite Ziel, die Verringe rung der erforderlichen Leistungsreduzierung bei geringen Grundfrequenzen, wird ebenfalls erreicht.The proposed control method creates greatest advantages in circuits where the semiconductors work at the limit of their thermal performance, but in the Are able to switch higher currents on and off, as is the case with IGBTs in the general is the case. Then the method increases the out output power of the converter without increased effort on semiconductor components achieved. Are the active NPC switches already installed, such as IGBT modules, who but the method is particularly useful if it is not actively used. The procedure is but also useful for converters where the active NPC switch is also on have to be built because this additional effort compared to the achievable climb The output power of the converter is small. Work the used half conductor already at the limit of its maximum permissible current that can be switched off, so that An increase in the output power is out of the question when using the proposed control method an increase in the switching frequency of the converter oh ne increased expenditure on semiconductor elements possible. The second goal, the reduction the necessary power reduction at low fundamental frequencies also reached.
Aus der vorstehend behandelten Tabelle III ist ersichtlich, daß die NPC-Schalter immer dann eingeschaltet sind, wenn im konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrichter ohne aktive NPC-Schalter die entsprechenden NPC-Dioden die Spannung über den äußeren Schaltern auf Vdc/2 klemmen, d. h. im Zustand "+" ist T6 eingeschaltet und im Zustand "-" ist T5 eingeschaltet. Im Unterschied zum konventionellen Dreipunkt-NPC-Stromrich ter ohne aktiv genutzte NPC-Schalter ist damit die gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen T3 und T4 im Zustand "+" und zwischen T1 und T2 im Zustand "-" unabhän gig von der Verteilung der Leckströme der Halbleiter und ohne zusätzliche passive Symmetrierwiderstände gewährleistet. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist somit die Einsparung passiver Komponenten und der Symmetrierverluste. It can be seen from Table III discussed above that the NPC switches are always switched on when in the conventional three-point NPC converter without active NPC switches, the corresponding NPC diodes clamp the voltage across the outer switches to V dc / 2, ie in the "+" state T6 is switched on and in the "-" state T5 is switched on. In contrast to the conventional three-point NPC converter without active NPC switch, the even voltage distribution between T3 and T4 in the "+" state and between T1 and T2 in the "-" state is independent of the distribution of the leakage currents of the semiconductors and guaranteed without additional passive balancing resistors. Another advantage of the method is the saving of passive components and the loss of symmetry.
Das vorgeschlagene Verfahren und die Steuervorrichtung kann in allen gängigen Drei punkt-NPC-Stromrichtern mit aktiven NPC-Schaltern realisiert werden, bei welchen alle aktiven Schalter durch abschaltbare Halbleiterbauelemente realisiert sind, z. B. durch IGBTs, IGCTs, MCTs, MTOs, MOSFETs oder Siliziumkarbid-(SiC-)Bauelemente im plementiert, wie Mittelspannungsstromrichter für Industrieanwendungen, Traktion oder HVDC-Light.The proposed method and the control device can be used in all common three point NPC converters can be implemented with active NPC switches, in which all active switches are realized by switchable semiconductor components, for. B. by IGBTs, IGCTs, MCTs, MTOs, MOSFETs or silicon carbide (SiC) components in the such as medium voltage converters for industrial applications, traction or HVDC Light.
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