Sauberer Spannungsverlauf mit 3-Level-Topologie

63. Jahrgang Elektronik 23/2014
23
18. November 2014
8,00 € 13.33 sfr
Fachmedium für industrielle Anwender und Entwickler
IGBT-Module:
Sauberer Spannungsverlauf
mit 3-Level-Topologie
SPS/IPC/Drives 2014  Distribution  VDE-Kongress 2014  Forschung aktuell  Leistungselektronik  Sensorik  Mikrocontroller  Spezial Internet der Dinge
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Spezial:
Internet der Dinge
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• Wearables mit BLE
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Raus aus der Nische
3-Level-IGBT-Module gibt es seit über
30 Jahren – allerdings meist in Nischenanwendungen. Seit etwa fünf
Jahren ändert sich das. Bei der Wahl
der richtigen 3-Level-Topologie gibt
es jedoch einiges zu beachten.
Von Ingo Staudt
N
30
Elektronik 23/2014
schenkreises
und zwei antiserielle IGBTs
(T2 und T3, wiederum mit antiparallelen Dioden D2 und D3) zwischen
Wechselspannungsausgang (AC) und
dem Zwischenkreismittelpunkt (N). Mit
insgesamt acht Leistungshalbleitern ist
es möglich, eine zur NPC-Topologie
identische Ausgangskurvenform zu
erreichen. Der Aufbau der TNPC-Schaltung erinnert stark an eine 2-LevelHalbbrücke (zwischen Plus und Minus),
ergänzt um die antiseriellen IGBTs zwischen N und AC; so erklärt sich auch,
dass hier dieselben Spannungsbeschränkungen wie bei 2-Level-Schaltungen gelten.
Der Preis für die Mehrstufigkeit:
Statt vier Leistungshalbleitern in 2-LeDC+
UDC/2
Point Clamped; Bild 1)
mit vier in Serie verschalteten IGBTs (T1 bis T4) samt
antiparallelen Dioden (D1 bis D4)
sowie zwei weiteren Dioden (D5 und
D6), die die Spannung an oberstem und
unterstem IGBT klemmen. Maßgeblich
an dieser Topologie ist, dass jeder einzelne Schalter eine geringere Sperrspannung aufweisen darf als die vom
Anwender insgesamt angelegte Zwischenkreisspannung. Dadurch lassen
sich gegenüber einer vergleichbaren
2-Level-Schaltung entweder verlustärmere Halbleiter verwenden oder es
kann eine höhere maximale Zwischenkreisspannung angelegt werden.
Neben der NPC erfreut sich die TNPC
(T-Type Neutral Point Clamped; Bild 2)
Schaltung großer Beliebtheit; Neuentwicklungen im So_08P1B_Gaia_N_EK_ECO.ps;S: 1;Format:(90.00 x 62.00 mm);11. Jul 2012 14:07:31
lar- und USV-Bereich der letzten
anderthalb Jahre
sind mehrheitlich
mit der TNPC-Topologie ausgerüstet.
Wie ein auf die Seite gekipptes „T“
wartet sie mit vier
IGBTs und vier Dioden auf, zwei serielle IGBTs (T1 und
T4, mit antiparallelen Dioden D1 und
D4) zwischen Plusund Minus-Anschluss des Zwi-
T1
D1
D5
T2
N
UDC/2
ach über 30-jährigem Nischendasein hat die 3-Level-Technik
seit etwa fünf Jahren wieder
einen festen Platz in den Köpfen der
Entwickler. Statt voller positiver und
voller negativer Zwischenkreisspannung bei 2-Level-Topologien stehen bei
3-Level-Technik zusätzlich halbe positive und halbe negative Spannung am
Ausgang zur Verfügung. Damit wird ein
mehrstufiger Kurvenverlauf erzeugt,
der einer Sinusschwingung stärker ähnelt als der zweistufige bei 2-LevelUmrichtern. Der Vorteil: Ein verringerter
Klirrfaktor und ein damit verbundener
reduzierter Filteraufwand. Alternativ
kann der gleiche Klirrfaktor schon mit
der halben Taktfrequenz erreicht werden. Durch das langsamere Ansteigen
der Spannung in mehreren Stufen sinkt
der Spannungshub pro Stufe, was sich
positiv auf die Störausstrahlung auswirkt.
In den vergangenen Jahren haben
sich zwei 3-Level-Topologien etabliert.
Zum einen die NPC-Schaltung (Neutral
DC–
D2
AC
T3
D3
D6
T4
D4
Bild 1.
3-Level-NPCSchaltung (mit
Zwischenkreis).
(Bilder: Semikron)