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Schutzanordnung für im Leistungsstromkreis vorgesehenes Halbleiter-Verstärkerelement oder Halbleiter-Schaltelement
Gegenstand der Erfindung ist eine Schutzanordnung, die im Leistungsstromkreis eines HalbleiterVerstärkerelementes oder eines Halbleiter-Schaltelementes, insbesondere eines Schalttransistors, eine Stromquelle, einen induktiven Verbraucher mit Spannungsbegrenzer-Diode und einen oder mehrere an einer Leistungselektrode des Halbleiter-Verstärkerelementes angeschlossene und aus einem Kondensator mit diesem seriegeschaltetemWiderstand bestehende Zweipole enthält.
Die prinzipielle Schaltung des mit einer induktiven Belastung betriebenen Verstärkers bekannten Typs im Schaltbetrieb ist in Fig. l veranschaulicht. In dem als Beispiel gewählten transistorisierten Verstärker dient die Diode --D-- als Schaltüberspannungsschutz des Transistors. Den zeitlichen Verlauf der Spannungen und der Ströme sowie der auf den Transistor entfallenden Leistung zeigt Fig. 2, vorausgesetzt, dass der Kollektorstrom Jc sich in der für die Kommutierung nötigen Zeit T bzw. T linear ändert. Sobald nämlich der Wert des Kollektorstromes den Wert des durch die Impedanz Z fliessenden Stromes J unterschreitet, muss der Strom J -Je über die Diode fliessen. Dies ist jedoch bloss dann möglich, wenn die Spannung an der Diode die Durchgangsrichtung hat.
Während der Zeiten rul bzw. T 2 spielt sich daher eine aus dem Betrieb der Zweiweggleichrichter her bekannte - kommutierungsähnli- che-Erscheinung ab, jedoch mit dem Unterschied, dass während dieses Kommutierungsvorganges zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors die volle Ub Spannung auftritt.
Ist die innere Impedanz Zb der speisenden Stromquelle nicht vernachlässigbar klein, dann addieren sich die bei der Verminderung bzw. Erhöhung des Stromes entstehenden induktiven Spannungen
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übersteigt sogar die Spannung Ub (Fig. 2, unterbrochener Linienzug).
Der während der Zeit r bzw. T an dem Transistor auftretende Kommutierungsverlust ist :
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Diese Leistung ist somit der vollen Regelleistung gleich und kann sogar wegen des an der Induktivität der Stromquelle auftretenden Spannungsstosses auch bedeutend grösser sein.
Die Ausgangsleistung der im Schaltbetrieb arbeitenden Verstärker wird durch die durch den Kollektorverlust verursachte Erwärmung begrenzt. Für die Verminderung der Restspannung während der Zeit Tl bzw. des Reststromes während der Zeit T'stehen wirksame Mittel zur Verfügung, so dass den Grossteil, wenigstens jedoch einen bedeutenden Teil des Kollektorverlustes, die während der Zeiten Tl bzw. T entstandenen Verluste ausmachen.
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gesetzt. Ausserdem wird die Ermässigung der Zeit tel im Fall einer zu raschen Entlastung auch durch den Anstieg der an der inneren Impedanz auftretenden Spannungserhöhung A Ubl begrenzt.
Eine andere Grenze der Belastbarkeit der Verstärker im Schaltbetrieb während der Kommutierung, vornehmlich während der Sperrperiode, wird durch den an dem Transistor bzw. andern aktiven Elementen des Stromkreises auftretenden Höchstwert der Leistung gesetzt. Entsteht nämlich an den Klemmen des noch einen beträchtlichen Strom führenden, also mit Ladungsträgern vollbesetzten Transistors plötzlich ein grosser Spannungssprungl bzw. eine grosse Spannungserhöhung, so kann dieser zufolge der ungleichmässigen Verteilung der Ladungsträger zu einer vorübergehenden örtlichen Erwärmung und zu einem Kollektor-Emitter Kurzschluss führen.
Im wesentlichen ähnliche Erscheinungen spielen sich in solchen Verstärkern ab, in denen anstatt des Transistors andere, für die Verstärkung geeignete Elemente, z. B. Elektronenröhren, Thyratrons, Thyristors, zur Verwendung gelangen. Eine bekannte Massnahme für die Verringerung der Nachteile der Schaltung nach Fig. l ist, dass man anstatt der Diode D, der sogenannten Freilaufdiode, eine Kapazität bzw. eine Reihenschaltung einer Kapazität und eines mit einer Diode überbrückten Widerstandes anwendet. Bei solchen Schaltungen werden zwar die Kommutierungsverluste herabgesetzt, doch muss man zur Vermeidung von Schwingungen und der dadurch entstehenden Spannungsspitzen die Kapazität sehr gross wählen.
Dadurch wird die verwendbare Schaltfrequenz stark begrenzt, da bei höheren Schaltfrequenzen die Schaltung für die Herabsetzung der Kommutierungsverluste nicht mehr wirksam bleibt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die gemeinsame Verwendung einer Freilaufdiode und einer entsprechend geschalteten kapazitiven Impedanz in dem das Halbleiter-Verstärkerelement enthaltenden Stromkreis, durch die zeitlich günstige Verschiebung der Spannungs- und Strombelastungen des Halbleiter-Verstärkerelementes zueinander, der an dem Halbleiter-Verstärkerelement entstehende Kommutierungsverlust ohne jegliche Begrenzung der Schaltfrequenz in hohem Masse herabgesetzt werden kann, und dass durch die Ergänzung der kapazitiven Impedanz mit einem nichtlinearen Element auch die den schädlichen Stromstoss verursachende Wirkung der Kapazität in der Durchlassperiode behoben wird.
Ausgehend nun von einer Schutzanordnung der eingangs genannten Art besteht das wesentliche der Erfindung darin, dass in den Leistungsstromkreis mit einem oder mehreren Zweipolen der die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode, sowie mit einer Kapazität in Reihe geschaltet enthaltene Zweipol an die beiden Leistungselektroden des Halbleiter-Verstärkerelementes bzw. des Halbleiter-Schaltelementes angeschlossen ist und bzw. oder ein induktiver Zweipol aus einer Induktivität, zu der die aus einem ohmschen Widerstand und einer Diode bestehende Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, ein Reihenschaltglied des Leistungsstromkreises bildet.
Demnach ermässigen sich durch die Verwendung einer Reihenimpedanz in dem die aktiven Elemente enthaltenden Stromkreis die Öffnungsverluste bedeutend, und gleichzeitig kann durch die Ergänzung der induktiven Impedanz mit einem nichtlinearen Element der Spannungssprung an der Reihenimpedanz in der Sperrperiode erheblich herabgesetzt werden. Schliesslich kann durch eine gleichzeitige Verwendung der induktiven Reihenimpedanz und der kapazitiven Parallelimpedanz die schädliche Wirkung des durch die Reihenimpedanz verursachten Spannungssprunges beseitigt werden.
In der Schaltung nach Fig. 3 ist an die Ausgangsklemmen des Transistors die Kapazität C geschaltet. Zufolge des Vorhandenseins der Kapazität kann sich die Kollektorspannung Uc nicht sprungweise verändern, nachdem zur Aufladung des Kondensators eine gewisse Zeit erforderlich ist. Vorausgesetzt, dass die Zeitkonstante der durch die Diode D abgeschlossenen Impedanz Z viel grösser ist als die Zeiten Tl bzw. T, so ist die Welligkeit des Stromes J vernachlässigbar klein, und es ist anzunehmen, dass
J = konst ist.
Wird ferner vorausgesetzt, dass die innere Impedanz Zb der Stromquelle vernachlässigbar klein,
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Nachdem
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ist, ist der den Kondensator C während der Zeit r aufladende Strom
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Die Spannung an dem Kondensator C, die der Kollektorspannung Uc gleich ist, beträgt nach dem Zusammenhang
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ändert sich also quadratisch.
Den Verlauf des Stromes und der Spannung veranschaulicht Fig. 4 für verschiedene Kapazitätswerte.
Wird die Kapazität so bemessen, dass die Kollektorspannung gerade während der Zeit Tl den Wert der Spannung Ub erreichte, dann ändert sich die Spannung nach der Kurve a.
Der an dem Transistor auftretende Kommutierungsverlust ist in diesem Fall offensichtlich kleiner als in dem Fall der Fig. 2. Es kann gezeigt werden, dass der während der Zeit T entstehende Verlust
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ist, also bloss ein sechstel des ohne die Verwendung der Kapazität auftretenden Verlustes. Der Höchstwert der Kollektorleistung Pc ist
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also kaum grösser als ein siebentel des ohne der Kapazität Cl auftretenden Leistungshöchstwertes. Ist die verwendete Kapazität kleiner, so ändert sich die Spannung nach der Kurve b, ist die Kapazität grö- sser, dann nach der Kurve c. Selbstredend ist der Verlust im Fall der Kurve b grösser, im Fall der Kurve c jedoch noch kleiner als im Fall der der Kurve a entsprechenden Kapazität.
Die Wirkung der Kapazität C ist ebenfalls günstig in dem Fall, wenn die innere Impedanz Zb der Stromquelle nicht vernachlässigbar ist. Den Verlauf der Spannung veranschaulicht in diesem Fall Fig. 5. Solange nämlich die Kollektorspannung Uc den Wert der Spannung Ub nicht erreicht und die Diode nicht zu leiten beginnt, ändert sich der die Stromquelle belastende Strom Jb nicht, es entsteht also keine Spannungsänderung in der inneren Impedanz Zb. Nachdem der Diodenstrom JD anläuft, vollführt die Spannung Uj und damit auch die Kollektorspannung Uc eine auf die Spannung Ub überlagerte gedämpfte Schwingung, deren Dämpfung und Frequenz von den Werten der Kapazität C und von der inneren Impedanz Zb abhängt.
Jedoch erfolgt bei richtig bemessener Kapazität die Spannungsschwingung, wie aus der Kurve a'ersichtlich, bereits im stromlosen Zustand des Transistors, so dass die Kommutierungsverluste nicht erhöht werden.
Während der Zeit T bzw. während der für die Entladung der Kapazität Cl nötigen Zeit Ar, wie dies aus der Fig. 5 ersichtlich ist, vermindert der an der inneren Impedanz der Stromquelle auftretende induktive Spannungsabfall die Kollektorspannung und damit auch den Verlust.
Die Schaltung nach Fig. 3 ist in dieser einfachen Form nur in einigen Ausnahmsfällen zu verwenden. Bei der Sperrung des Transistors verbleibt nämlich die Kapazität während der Zeit T2 unverändert im aufgeladenen Zustand und entlädt sich über den Transistor während der Zeit Ar. Der an dem Tran-
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Tinduktivität in den Stromkreis einfügt (Fig. 12 und 13). Durch geeignete Wahl der induktiven Impedanzen Z2 und Z2'sowie durch geeignete Anpassung des dazugehörigen RC-Gliedes kann der während der Zeit r 2 entstehende Verlust erheblich, unter gewissen Umständen sogar zu Null, ermässigt werden.
Selbstverständlich können die Impedanzen Z2 2 und Z 2'auch gleichzeitig verwendet werden.
Die Anwendung der Impedanzen Z bzw. Z21 kann unter gewissen Bedingungen den bei der Span-
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Z ZZI fliessende Strom während der Zeit T2 entsprechend abfallen muss.
Die Fig. 12, 13 und 14 zeigen Weiterbildungen der Verwendung der Impedanzen Z bzw. Z 'mit den als je Beispiele herausgegriffenen RC-Kombinationen.
Die Bedingung der linearen Veränderung des Stromes während der Zeiten Tl und r diente bloss der Vereinfachung der Beschreibung. Im Wesen kann die gleiche Wirkung durch Verwendung der Erfindung auch dann erreicht werden, wenn die Änderung des Stromes nicht linear erfolgt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schutzanordnung, die im Leistungsstromkreis eines Halbleiter-Verstärkerelementes oder eines Halbleiter-Schaltelementes, insbesondere eines Schalttransistors, eine Stromquelle, einen induktiven Verbraucher mit Spannungsbegrenzer-Diode und einen oder mehrere an einer Leistungselektrode des Halbleiter-Verstärkerelementes angeschlossen und aus einem Kondensator mit diesem seriegeschalte- tem Widerstand bestehende Zweipole enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in den Leistungsstromkreis mit einem oder mehreren Zweipolen der die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode sowie mit einer Kapazität in Reihe geschaltet enthaltene Zweipol an die beiden Leistungselektroden des Halbleiter-Verstärkerelementes bzw. des Halbleiter-Schaltelementes angeschlossen ist und bzw.
oder ein induktiver Zweipol aus einer Induktivität, zu der die aus einem ohmschen Widerstand und einer Diode bestehende Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, ein Reihenschaltglied des Leistungsstromkreises bildet.