Entwurf und Realisierung eines überstromfesten Sinuswechselrichters mit parallelen Brückenzweigen und phasenversetzter Taktung

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt die Analyse, Dimensionierung und den Aufbau eines Sinuswechselrichters, der eine spezielle Schaltungstopologie nutzt, um phasenversetzt getaktete Halbbrücken über ein Netzwerk aus Transformatoren parallel zu schalten. Die resultierende Multilevel-Charkteristik ermöglicht es, auch beim Einsatz von günstigen IGBTs effektive Schaltfrequenzen von mehr als 100kHz zu erreichen - mit SiC-Mosfets sind entsprechend höhere Frequenzen möglich. Durch die gegengleichen Wicklungssinne der Transformatoren kommt es idealerweise zu keiner DC-Aussteuerung der Kerne, wodurch diese kleiner dimensioniert werden können. Die Streuinduktivitäten werden durch eine spezielle Wicklungsanordnung erhöht und reichen dann aufgrund der hohen effektiven Schaltfrequenz zur Nutzung als Filterinduktivität aus. Weil hierbei als magnetisches Medium primär Luft wirkt, ist der Sättigungsstrom ein Vielfaches des thermisch begrenzten Nennstromes, woraus eine hohe Überstromfestigkeit des Wechselrichters resultiert. Zur Evaluierung des Konzeptes wurde ein einphasiger Laborprototyp mit vier IGBT-Brückenzweigen (Schaltfrequenz 25kHz, effektiv 100kHz) für die Nenndaten 600V, 20A dimensioniert und aufgebaut. Messungen zeigten, dass sich der Ausgangsstrom aufgrund von Bauteiltoleranzen nicht gleichmäßig auf die Brückenzweige aufteilt, die Abweichung allerdings auf den Sättigungsstrom der Hauptinduktivität der Transformatoren beschränkt ist, und ein Betrieb daher auch ohne Regelung möglich wäre. Durch Implementierung eines Zweigstromreglers konnten die Ströme perfekt symmetriert und eine gleichmäßige Auslastung der Halbbrücken und Transformatoren erreicht werden. Der erzielte Wirkungsgrad von über 97% und die hohe Überstromfestigkeit (3-facher Nennstrom, 60A) des rein mit Standardkomponenten aufgebauten Laborprototyps demonstrieren die Leistungsfähigkeit des Konzeptes.

This diploma thesis deals with the design and implementation of a sine-wave inverter utilizing a special circuit topology to connect interleaved half bridge legs in parallel by a network of transformers. The resulting multi-level characteristic allows to achieve effective switching frequencies of more than 100kHz with low-cost IGBTs, or even higher frequencies using SiC-Mosfets. Due to the mutual winding directions of the transformer coils, no essential DC excitation appears in the cores, which allows a smaller transformer design. The stray inductances are maximized by using a special winding arrangement and are sufficient to form a filter inductance for the sine-wave output filter due to the high effective switching frequency. Therefore, the inverter is tolerant to high peak output currents, being relevant, e.g., for high-dynamic servo drives. To evaluate the concept, a single-phase laboratory prototype with four IGBT bridge legs (switching frequency 25kHz, effectively 100 kHz) for 600V and 20A was designed and implemented. The performance is highly satisfactory an efficiency of more than 97% was achieved, and the proposed peak current capability was validated by applying a 60 A-load current pulse being three times the nominal current for 500ms. Without using a balancing control the output load current does not split in a perfect equal manner to the four legs due to component and switching delay tolerances. This was successfully remedied by including isolated shunt current sensors in each stage, and implementing a PI controller for equalizing the leg currents.