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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines sogenannten T-Type-Dreipunktwechselrichters sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung.
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Dreipunktwechselrichter werden eingesetzt, um sowohl eine Quantisierung einer Ausgangsspannung von Frequenzumrichtern zu erhöhen, als auch um hohe Pulsfrequenzen bei niedrigen Schaltverlusten zu erreichen. Bei Dreipunktwechselrichtern unterscheidet man zwischen unterschiedlichen Topologien. Eine bekannte Topologie ist die sogenannte NPC-Topologie. Eine weitere bekannte Topologie ist die als T-Type bezeichnete Topologie.
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Die NPC-Topologie ist aktuell am weitesten verbreitet und in der Darstellung in 1 gezeigt. Die vier von einem solchen Dreipunktwechselrichter umfassten Leistungshalbleiterschalter werden in Gruppen so geschaltet, dass sich drei definierte Ausgangszustände ergeben und damit drei Ausgangsspannungen entstehen. Hinzu kommt noch ein sicherer Zustand, bei dem alle Leistungshalbleiterschalter offen sind.
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Ein Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie ist in 2 gezeigt. Hier wird eine aus einem Zweipunktumrichter bekannte Halbbrücke um einen zusätzlichen, bidirektional leitenden und sperrenden Leistungshalbleiterschalter ergänzt.
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Bei den Leistungshalbleiterschaltern der beiden erwähnten Topologien eines Dreipunktwechselrichters handelt es sich üblicherweise um sogenannte IGBTs (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) und entsprechend umfasst sowohl ein Dreipunktwechselrichter der NPC-Topologie wie auch ein Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie jeweils vier Leistungshalbleiterschalter, insbesondere vier Leistungshalbleiterschalter in Form von IGBTs.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass eine Ansteuerung solcher Dreipunktwechselrichter mittels einer externen Ansteuerschaltung, zum Beispiel in Form eines Modulators, erfolgt und dass zwischen der Ansteuerschaltung und dem Dreipunktwechselrichter eine Potentialtrennung erforderlich ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend von diesem Problem darin, eine Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der T-Type-Topologie zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines T-Type-Dreipunktwechselrichters vorgesehen, dass diese Mittel, zum Beispiel UND-Gatter, umfasst, mittels derer eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines NPC-Dreipunktwechselrichters in eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines T-Type-Dreipunktwechselrichters umsetzbar ist, und dass diese ausgangsseitig galvanische Trenner, insbesondere Optokoppler aufweist. Die Schaltungsanordnung fungiert dabei als Schnittstellenschaltung oder umfasst eine Schnittstellenschaltung mit den vorgenannten Mitteln und galvanischen Trennern. Wenn die Schaltungsanordnung eine solche Schnittstellenschaltung umfasst, kann die Schaltungsanordnung neben der Schnittstellenschaltung noch eine der Schnittstellenschaltung vorgeschaltete Ansteuerschaltung, zum Beispiel einen Modulator, umfassen.
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Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung dadurch gelöst, dass mittels der Schnittstellenschaltung eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines NPC-Dreipunktwechselrichters in eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines T-Type-Dreipunktwechselrichters umgesetzt wird.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass ein Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie durch eine im Vergleich zu einer Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der NPC-Topologie (siehe 3) einfachere Schaltmustertabelle (siehe 4) angesteuert werden kann. Die Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der T-Type-Topologie in 4 kann nämlich auf eine Schaltmustertabelle mit drei Ansteuersignalen reduziert werden, wenn die Ansteuersignale SA+ und SA– zusammengefasst und ausgangsseitig auf die beiden Leistungshalbleiterschalter SA+ und SA– geführt werden. Ein Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie kann aber auch mittels einer Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der NPC-Topologie (3) angesteuert werden.
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Die Ansteuersignale SA++, SA+, SA– und SA–– der erwähnten Schaltmustertabellen werden mittels eines Modulators generiert, zum Beispiel eines Modulators in Form eines Raumzeigermodulators für einen Dreipunktumrichter. Ein solcher Modulator, der vier Ansteuersignale ausgibt, kann zur Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der T-Type-Topologie und zur Ansteuerung eines Dreipunktwechselrichters der NPC-Topologie verwendet werden (im Folgenden werden ein Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie und ein Dreipunktwechselrichter der NPC-Topologie kurz als T-Type-Wechselrichter bzw. NPC-Wechselrichter bezeichnet).
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Ein spezieller Modulator, der nur drei Ansteuersignale (SA++, SA+/– und SA––) ausgibt und bei dem es sich zum Beispiel ebenfalls um einen Modulator in Form eines Raumzeigermodulators für einen Dreipunktumrichter handelt, kann nur zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters verwendet werden. Eine Ausgabe von nur drei Ansteuersignalen durch die Ansteuerschaltung/den Modulator hat den Vorteil, dass die galvanische Trennung zwischen der Ansteuerschaltung und dem Wechselrichter nur für drei Eingangskanäle erforderlich ist, über die die Ansteuersignale zum Wechselrichter gelangen. Dies erlaubt eine Kostenreduktion.
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Ein Modulator zur Ansteuerung entweder eines NPC-Wechselrichters oder eines T-Type-Wechselrichters gibt immer die zur Ansteuerung des NPC-Wechselrichters erforderlichen vier Ansteuersignale aus. Wenn ein solcher universeller Modulator nur zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters verwendet wird, sind die oben genannten drei Ansteuersignale ausreichend und die galvanische Trennung kann auf die Eingangskanäle des T-Type-Wechselrichters für die drei Ansteuersignale beschränkt bleiben. Dies erreicht die Erfindung mit der hier vorgeschlagenen Schnittstellenschaltung. Die Schnittstellenschaltung fungiert als Schnittstelle zwischen der Ansteuerschaltung/dem Modulator – im Folgenden zusammenfassend allgemein nur als Ansteuerschaltung bezeichnet – und dem T-Type-Wechselrichter. Die Schnittstellenschaltung ist also der Ansteuerschaltung ausgangsseitig nachgeschaltet und dem T-Type-Wechselrichter eingangsseitig vorgeschaltet. Die Schnittstellenschaltung umfasst auf ihrer Ausgangsseite die Potentialtrennung.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein und dieselbe Ansteuerschaltung sowohl zur Ansteuerung eines NPC-Wechselrichters wie auch zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters verwendbar ist und dass bei einem T-Type-Wechselrichter die Schnittstellenschaltung zwischen eine solche Ansteuerschaltung und den T-Type-Wechselrichter geschaltet werden kann, damit eine galvanische Trennung zwischen der Ansteuerschaltung und dem T-Type-Wechselrichter nur für drei Eingangskanäle erforderlich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
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Bei einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung/Schnittstellenschaltung umfasst diese ein erstes, zweites und drittes UND-Gatter als Mittel zur Umsetzung einer Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines NPC-Dreipunktwechselrichters in eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines T-Type-Dreipunktwechselrichters. Eine derartige Umsetzung ist mit UND-Gattern oder einer funktionsäquivalenten Schaltung einfach und effizient umsetzbar.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen
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1 einen Dreipunktwechselrichter der NPC-Topologie (kurz: NPC-Wechselrichter),
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2 einen Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie (kurz: T-Type-Wechselrichter),
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3 eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines NPC-Wechselrichters,
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4 eine Schaltmustertabelle zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters,
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5 eine Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters mittels einer vorgeschalteten Schnittstellenschaltung und
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6 eine alternative Schaltungsvariante eines T-Type-Wechselrichters.
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Die Darstellung in 1 zeigt einen Dreipunktwechselrichter der NPC-Topologie – hier und im Folgenden kurz als NPC-Dreipunktwechselrichter oder NPC-Wechselrichter 10 bezeichnet. Dieser umfasst in an sich bekannter Art und Weise vier Leistungshalbleiterschalter 12 und jeweils antiparallel geschaltete Freilaufdioden 14.
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Die Darstellung in 2 zeigt einen Dreipunktwechselrichter der T-Type-Topologie – hier und im Folgenden kurz als T-Type-Dreipunktwechselrichter oder T-Type-Wechselrichter 16 bezeichnet. Dieser umfasst in an sich bekannter Art und Weise ebenfalls vier Leistungshalbleiterschalter 12 und jeweils antiparallel geschaltete Freilaufdioden 14.
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Die Leistungshalbleiterschalter 12 sind in den Darstellungen in 1 und 2 jeweils auch mit „SA++“, „SA+“, „SA–“ und „SA––“ bezeichnet. Die Bezeichnung bezieht sich zum einen auf den jeweiligen Leistungshalbleiterschalter 12 und zum anderen auf ein dem Leistungshalbleiterschalter 12 zu dessen Ansteuerung zugeführtes Ansteuersignal. Entsprechend werden diese Bezeichnungen in der Darstellung in 3 sowie der Darstellung in 4 verwendet, die eine Schaltmuster- oder Ansteuertabelle 18 zur Ansteuerung eines NPC-Wechselrichters 10 (3) bzw. eine Schaltmuster- oder Ansteuertabelle 20 zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters 16 (4) zeigen.
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Wie anhand der Darstellung der Schaltmustertabellen 18, 20 in 3 und 4 erkennbar ist, kann sowohl der NPC-Wechselrichter 10 wie auch der T-Type-Wechselrichter 16 in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen drei definierte Ausgangszustände annehmen. Dafür sind in der mit „O“ für „output“ überschriebenen ganz rechten Spalte die drei definierten Ausgangszustände als „1“, „0“ und „–1“ gezeigt. Hinzu kommt noch ein sicherer Zustand, bei dem alle Leistungshalbleiterschalter 12 offen sind. Dieser Zustand ist in den Schaltmustertabellen 18, 20 symbolisch mit „S“ für „sicher“ bezeichnet.
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In der Schaltmustertabelle 20 mit den Ansteuersignalen zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters 16 erkennt man, dass zum Erhalt des Ausgangszustands „1“ nur das Ansteuersignal „SA++“ und zum Erhalt des Ausgangszustands „–1“ nur das Ansteuersignal „SA––“ benötigt wird. Zum Erhalt des Ausgangszustands „0“ werden die Ansteuersignale „SA+“ und „SA–“ benötigt. Anders als bei der Schaltmustertabelle 18 zur Ansteuerung eines NPC-Wechselrichters 10 ist also jedes Ansteuersignal eineindeutig mit einem Ausgangszustand verknüpft. Wenn die Ansteuersignale „SA+“ und „SA–“ zusammengefasst werden und erst innerhalb der Schaltung des T-Type-Wechselrichters 16 wieder auf die betreffenden Leistungshalbleiterschalter 12 verteilt werden, sind zur Ansteuerung des T-Type-Wechselrichters 16 drei Eingangssignale ausreichend, nämlich ein erstes Eingangssignal, aus dem das Ansteuersignal „SA++“ abgeleitet wird, ein zweites Eingangssignal, aus dem das Ansteuersignal „SA––“ abgeleitet wird und ein drittes Eingangssignal, aus dem die beiden Ansteuersignale „SA+“ und „SA–“ abgeleitet werden.
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Darauf basieren der hier vorgestellte Ansatz und die in 5 gezeigte Schnittstellenschaltung 22. Die Schnittstellenschaltung 22 ist einem T-Type-Wechselrichter 16 eingangsseitig vorgeschaltet, für den in der Darstellung in 5 die einzelnen Bezugsziffern der davon umfassten Komponenten nicht wiederholt sind, so dass insoweit auf die Darstellung in 2 verwiesen wird.
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Die Schnittstellenschaltung 22 umfasst drei UND-Gatter 24, 26, 28 sowie drei jeweils einem UND-Gatter 24–28 ausgangsseitig nachgeschaltete galvanische Trenner, die bei der dargestellten Ausführungsform in Form von drei Optokopplern 30, 32, 34, erster Optokoppler 30, zweiter Optokoppler 32, dritter Optokoppler 34, gezeigt sind. Der dritte Optokoppler 34 kann sogar entfallen, wenn die Schnittstellenschaltung 22 auf dem negativen Potential der Zwischenkreisspannung (UZK–) liegt. Anstelle von Optokopplern 30, 32, 34 kommen grundsätzlich auch andere Möglichkeiten zur galvanischen Trennung, nämlich eine induktive galvanische Trennung mittels eines Transformators oder eine kapazitive galvanische Trennung mittels eines Kondensators, in Betracht.
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Soweit oben der Begriff UND-Gatter 24, 26, 28 verwendet wurde meint dies zum einen das elektronische Bauelement oder eine Funktionalität in einem elektronischen Bauelement, mit dem eine logische UND-Verknüpfung zweier Eingangssignale und die Generierung eines entsprechenden Ausgangssignals realisiert ist. Zum anderen meint der Begriff UND-Gatter 24, 26, 28 aber auch jede andere mögliche Realisierung einer solchen UND-Verknüpfung, denn bekanntlich lässt sich nach den Gesetzen von DeMorgan jede UND-Verknüpfung mittels ODER- und NICHT-Gattern darstellen. Deshalb ist für die Auslegung der hier vorgelegten Beschreibung und der anschließenden Ansprüche davon auszugehen, dass der Begriff „UND-Gatter“ nicht nur ein UND-Gatter als solches, sondern auch jede andere Schaltung, mittels derer eine UND-Verknüpfung realisiert wird, umfasst. Zur vereinfachten sprachlichen Darstellung wird hier und im Folgenden stets, aber ohne Verzicht auf die skizzierte weitergehende Allgemeingültigkeit, der Begriff UND-Gatter 24–28 verwendet.
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In der Darstellung in 5 ist erkennbar, dass die vier Ansteuersignale „SA++“, „SA+“, „SA-“ und „SA––“ den UND-Gattern 24–28 zugeführt werden. Die UND-Gatter 24–28 weisen jeweils zwei Eingänge, also jeweils einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang, auf und einzelne Eingänge der UND-Gatter 24–28 sind wie folgt zusammengeschaltet: Der zweite Eingang des ersten UND-Gatters 24 und der erste Eingang des zweiten UND-Gatters 26 sowie der zweite Eingang des zweiten UND-Gatters 26 und der erste Eingang des dritten UND-Gatters 28. Am Ausgang der UND-Gatter 24–28 ergeben sich drei Eingangssignale für den T-Type-Wechselrichter 16, die über drei Signalpfade – erster Signalpfad 36, zweiter Signalpfad 38, dritter Signalpfad 40 – den jeweiligen Leistungshalbleiterschaltern 12 des T-Type-Wechselrichters 16 zugeführt werden. Über den ersten Signalpfad 36 wird dem ersten Leistungshalbleiterschalter 12 der Halbbrücke („SA++“) ein Ansteuersignal zugeleitet. Über den dritten Signalpfad 40 wird dem zweiten Leistungshalbleiterschalter 12 der Halbbrücke („SA––) ein Ansteuersignal zugeleitet. Über den zweiten Signalpfad 38 wird den beiden bidirektional leitenden und sperrenden Leistungshalbleiterschaltern 12 („SA+“ und „SA–“) ein Ansteuersignal zugeleitet. Der zweite Signalpfad 38 wird also innerhalb der Schnittstellenschaltung 22 (oder auch am Ausgang der Schnittstellenschaltung 22 oder innerhalb der Schaltung des T-Type-Wechselrichters 16) aufgeteilt, so dass über diesen die identischen Ansteuersignale zur Ansteuerung der beiden bidirektional leitenden und sperrenden Leistungshalbleiterschalter 12 („SA+“, „SA–“) ausgebbar sind.
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Die Schnittstellenschaltung 22 realisiert eine Überführung oder Umsetzung der in 3 gezeigten Schaltmustertabelle 18 in die in 4 gezeigte Schaltmustertabelle 20 mit einer anschließenden Potentialtrennung. Die UND-Gatter 24–28 können dabei in einem Steuersatz-ASIC, in einem programmierbaren Logikbaustein für den Steuersatz oder in Form einer diskreten, nachgeschalteten Logik realisiert sein.
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Die Darstellung in 6 zeigt eine alternative Schaltungsvariante eines T-Type-Wechselrichters 16'. Der oben beschriebene Ansatz ist auch für diese Schaltungsvariante anwendbar.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen:
Angegeben werden eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters 16 in Form oder mit einer Schnittstellenschaltung 22, welche Mittel 24, 26, 28 umfasst, mittels derer eine Schaltmustertabelle 18 zur Ansteuerung eines NPC-Wechselrichters 10 in eine Schaltmustertabelle 20 zur Ansteuerung eines T-Type-Wechselrichters 16 umsetzbar ist und welche ausgangsseitig galvanische Trenner, zum Beispiel Optokoppler 30, 32, 34, umfasst, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung/Schnittstellenschaltung 22.