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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungsumrichter mit mindestens zwei im Gegentakt schaltbaren Schalttransistoren oder über die Steuerelektrode zünd- und sperrbaren
Halbleitergleichrichtern, die je eine zugeordnete Freilaufdiode aufweisen, und mit einer den Halbleiter- bauelementen nachgeschalteten Last.
Charakteristisch für diese bekannte Umschalteinheit ist der Schaltbetrieb. Für jede Schalteinheit gibt es nämlich nur einen gesperrten, d. h. stromlosen und einen leitenden Zustand, wobei beim letzteren die
Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Schalttransistors möglichst klein gehalten wird. Der Übergangszustand, also der Zustand zwischen gesperrtem und leitendem Zustand wird durch die
Ansteuerung der Schalteinheiten möglichst rasch durchlaufen, um trotz grossen auftretenden Verlust- leistungspitzen die mittleren Verluste niedrig zu halten. Die am Verbindungspunkt der beiden Transi- storen angesetzte Last kann ohmisch oder induktiv, vorzugsweise eine Glättungsdrossel, sein. Beim
Sperren einer Schalteinheit fliesst der Strom über die gegenüberliegende Freilaufdiode weiter. Die zweite
Schalteinheit wird im Zeitpunkt des Sperrens der ersten Schalteinheit angesteuert.
So ist eine
Stromumkehr ohne Spannungsänderung möglich. Die beiden Schalteinheiten können nun in beliebigem Takt so gesteuert werden, dass sie abwechselnd leitend sind.
Die Spannungsquelle muss für rasche Stromänderungen eine niedrige Impedanz aufweisen und wird daher meistens mit einem Kondensator gestützt. Mit dieser Umschalteinheit kann also durch Umschaltung mit einer ausreichenden hohen Taktfrequenz die Spannung bzw. der Strom an der Last auf beliebige positive oder negative Mittelwerte, je nach dem Taktverhältnis, eingestellt werden.
Umschalteinheiten dieser bekannten Art werden für relativ grosse Leistungen ausgeführt. In solchen Fällen werden mehrere Transistoren einfach parallel geschaltet. Mit der steigenden Zahl der Transistoren treten jedoch einige Gefahren und somit Nachteile in den Vordergrund. Vor allem können bei einer äusseren Überlastung ein oder mehrere Transistoren beschädigt werden. Ferner kann das Gleiche geschehen, wenn durch einen Fehler in der Ansteuerschaltung einer Schalteinheit der Basisstrom für einen Transistor zu niedrig ist. Die Transistorverlustleistung steigt wegen der dabei ansteigenden Kollektor-Emitterspannung unzulässig an. Weiters kann durch eine, beispielsweise fehlerhafte gleichzeitige Ansteuerung von zwei in Serie liegenden Schalteinheiten ein Kurzschluss gebildet werden, der zur Zerstörung von Transistoren führt.
Ebenso kann ein innerer Spannungsdurchbruch zum gleichen Resultat führen. Häufig brennt dabei der innere Emitteranschluss eines Transistors durch, wodurch die Kollektorspannung an die Basis und an die angeschlossenen Kreise kommt und auch dort Zerstörung hervorruft.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 1966627 bekannt. Hiebei ist u. a. der Leistungsteil eines fremdgesteuerten geregelten Umrichters in Gegentaktschaltung aufgezeigt.
Dieser Umrichter ist jedoch aus zwei Stelltransistoren, zwei Freilaufdioden und einem Transfermotor aufgebaut. Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung liegt darin, dass der Schaltungsaufbau auf Grund des verwendeten Transformators ausserordentlich gross ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umschalteinheit zu schaffen, bei der die auftretenden Schäden sofort erfasst und damit grössere Folgeschäden vermieden werden können.
Die Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass zwischen den beiden bipolaren Schalttransistoren gleicher Leitfähigkeit oder solchen mehreren Schalttransistoren in Parallelschaltung oder Darlington-Schaltung bzw. zwischen den beiden zünd- und sperrbaren Halbleitergleichrichtern eine die Halbleiterbauelemente entkoppelnde Begrenzungsdrossel geschaltet ist, an deren Mittelanzapfung die ohmsche und/oder induktive Last angeschlossen ist, und dass bei jedem Paar in einer Kreuzschaltung angeordneter Freilaufdioden, von denen der eine Anschluss mit der Begrenzungsdrossel verbunden ist, der andere Anschluss in Sperrichtung an die eine der beiden Gleichspannungsklemmen geschaltet ist und dass an jeden Schalttransistor bzw.
Halbleitergleichrichter eine unzulässige Halbleiter-Kennwerte erfassende Überwachungsschaltung für die Kollektor-Emitter und/oder Basis-Emitterspannung oder für die Elektrodenspannung angeschlossen ist.
Durch diese Erfindung ist es also erstmals möglich, auftretende Fehlerzustände durch die Überwachungsschaltung sofort zu erfassen und die durch die Begrenzungsdrossel entkoppelten Schalteinheiten zu sperren. Die Begrenzungsdrossel verhindert nämlich im Störungsfall einen raschen Stromanstieg, d. h. der Stromanstieg wird so verzögert, dass über die Überwachungsschaltung die Gelegenheit gegeben ist, den Strom zu sperren, bevor eine Überlastung anderer Transistoren auftritt. In
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einem Schadenfall werden dann alle Transistoren gesperrt und die Anlage wird stillgesetzt. Dadurch können die Auswirkungen von Fehlern einzelner Ansteuerstufen oder einzelner durchbrechender
Transistoren von der übrigen Anlage ferngehalten werden.
Die Überwachung erfolgt durch Kontrolle der
Kollektor-Emitter-Spannung oder der Basis-Emitter-Spannung bzw. beider zusammen. Von Vorteil ist ferner, dass die Schalteinheiten beispielsweise aus an sich bekannten Anordnungen von Transistoren, vorzugsweise Einzeltransistoren in npn-oder pnp-Ausführung oder mehreren Transistoren in Parallel- schaltung oder Darlington-Schaltung bestehen. Dadurch ist es möglich, die Schalteinheiten optimal für die jeweiligen Anforderungen auszulegen.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Wicklung der Begrenzungsdrossel mit magnetisch getrennten Teilwicklungen einer Glättungsdrossel über ihre Streufelder gekoppelt. Da die
Induktivität der Begrenzungsdrossel nicht sehr gross sein braucht, ist es von Vorteil, wenn die
Streuinduktivität von Wicklungen vorhandener Drosseln genützt wird. Die Begrenzungsdrossel kann dann als gesonderte Baueinheit entfallen. Dadurch ist der Vorteil gegeben, dass der Schaltungsaufwand noch weiter verringert wird.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung nämlich bei der Anordnung für eine Saugdrossel- schaltung mit vier gegenphasig getakteten Schalttransistoreinheiten sind die Wicklungen der beiden
Begrenzungsdrosseln mit zwei magnetisch getrennten Wicklungspaaren der Saugdrossel über ihre
Streufelder gekoppelt. Die Begrenzungsdrosseln für zwei Umschalteinheiten können also durch eine
Saugdrossel mit geteilter Wicklung ersetzt werden. Dadurch resultiert der Vorteil, dass die Oberwellen an der Last geringer sind und eine höhere Frequenz haben als bei jeder einzelnen Schalteinheit.
Sinngemäss könnte auch die Begrenzungsdrossel durch die Streuinduktivität anderer Drossel- schaltungen gebildet werden. So könnten beispielsweise aus der Gleichrichtertechnik bekannte mehrphasige
Saugdrosselschaltungen verwendet werden. Natürlich könnte in gewissen Fällen auch die Induktivität von
Leitungen die Begrenzungsdrosseln ersetzen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, an Hand derer die Erfindung näher erläutert wird.
Es zeigen Fig. 1 eine Umschalteinheit mit einer Begrenzungsdrossel, Fig. 2 ebenso eine Umschalteinheit, wobei aber an Stelle der Begrenzungsdrossel die Streuinduktivität einer Glättungsdrossel mit geteilten Wicklungen verwendet wird, und Fig. 3 zwei Umschalteinheiten, die durch geteilte Saugdrosselwicklungen verbunden sind.
In Fig. 1 liegt die Gleichspannungsquelle --1- dem Kondensator --4-- parallel. Die Serienschaltung der Schalteinheit --5--, der Begrenzungsdrossel --7-- und der Schalteinheit --6-- ist ebenfalls parallel zur Gleichspannungsquelle --1-- geschaltet. Jeder Schalteinheit --5 bzw. 6-- ist eine Freilaufdiode --8 bzw. 9-- zugeordnet, wobei die jeweilige Freilaufdiode --8 bzw. 9-- mit dem korrespondierenden Gleichspannungspol verbunden ist.
Daher sind die Schalteinheiten--5 bzw. 6-im angesteuerten Zustand in Durchlassrichtung und die Freilaufdioden--8 bzw. 9-in Sperrichtung in bezug zur Gleichspannungs- quelle --1-- gepolt. An der Mittelanzapfung einer Begrenzungsdrossel --7--, ist die ohmisch induktive Last --2-- angeschlossen, deren zweiter Anschluss an Masse --3-- liegt. Die Begrenzungsdrossel --7-teilt sich dadurch in die Teilwicklungen --7a und 7b-- auf. Diese können entweder magnetisch eng gekoppelt sein, wie bei einem Transformator, jedoch könnte es sich auch um nicht gekoppelte, getrennte Drosseln handeln. Im Prinzip ist die Wirkung bei beiden Möglichkeiten verschieden, der Endeffekt ist aber wegen der Kleinheit der erforderlichen Induktivitätswerte praktisch identisch.
Die beiden als Transistoren dargestellten Schalteinheiten --5 und 6-- können u. a. auch Turn-off- switch-Schalteinheiten sein.
Auf die Funktionsweise der Überwachungsschaltung der Kollektor-Emitter-Spannung bzw. der Basis-Emitter-Spannung wird im folgenden kurz eingegangen.
Die Kollektor-Emitter-Spannungsüberwachung wird während der Leitphase der Schalteinheit aktiviert.
Genau genommen ist der Beginn um die Einschaltverzugszeit gegenüber dem Zeitpunkt der Ansteuerung verzögert und das Ende der Überwachungsdauer stimmt mit dem Ende der Ansteuerung überein. Wird innerhalb dieser Zeit die Kollektor-Emitter-Spannung grösser als ein bestimmter zulässiger Wert, wird Meldung gegeben und wie erwähnt, die Anlage gesperrt. Erfasst werden damit Fehler in der Ansteuerung, beispielsweise bei zu geringem Basisstrom oder in der Laststromsteuerung bei zu grossem Laststrom.
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Demgegenüber erfasst die Überwachung der Basis-Emitter-Spannung innere Transistorfehler. Sie wird im stromlosen Zustand der Schalteinheit aktiviert. In diesem Intervall ist die Basis-Emitter-Spannung Null, wenn die Schalteinheit in Ordnung ist. Bei einem Durchbruch zwischen Kollektor und Basis tritt eine Basis-Emitter-Spannung auf, die erfasst wird und wie oben zu einer Sperrung der gesamten Anlage führt. Die Begrenzungsdrossel --7-- ermöglicht diese Sperre ohne Schaden für Transistoren, die in Ordnung sind und auch der Strom steigt nicht so stark an, dass der Emitteranschluss des defekten Transistors abbrennt. Dadurch werden also auch Folgeschäden im Basiskreis vermieden. Die Fehlererfassung kann mit einer Meldung der gestörten Einheit verbunden sein z.
B. so, dass der Fehler gespeichert und angezeigt wird, um aus einer Vielzahl von Schalteinheiten die gestörte sofort zu erkennen und den Schaden rasch beheben zu können.
In Fig. 2 ist die Begrenzungsdrossel durch die Streuinduktivität von zwei magnetisch getrennten Teilwicklungen --10, 11-- einer Glättungsdrossel ersetzt, ansonsten ist die Schaltung identisch mit der in Fig. 1. An den Verbindungspunkten --12, 13-- kann die Grösse der Streuinduktivität der getrennten Teilwicklung --10, 11-- gemessen werden.
Fig. 3 zeigt zwei gleiche Umschalteinheiten-Ul und U2--, die durch zwei geteilte Saugdrosselwicklungen --14, 15-- verbunden sind, und deren Streuinduktivitäten die Begrenzungsdrosseln ersetzen.
Zum besseren Verständnis sind die elektronischen Bauelemente des Umschalters-Ul-mit dem Index 1, wie z. B. die Schalteinheit --6-- mit der Bezeichnung --6. 1-- und die Bauelemente des Umschalters -- U2-- mit dem Index 2 versehen.
Die beiden Mittelanzapfungen der magnetisch eng gekoppelten Saugdrosselteilwicklungen --14a und 14b-- sowie --15a und 15b-- werden verbunden. Am Verbindungspunkt der beiden ist z. B. eine Glättungsdrossel --16-- angeschlossen, an deren zweiten Anschluss-21-- die nicht dargestellte Last gehängt wird.
Die beiden Umschalteinheiten-Ul und U2-- weisen gleiches Taktverhältnis und gleiche Frequenz auf. Die beiden Schalteinheiten --5. 2 und 6. 2-- der Umschalteinheit --U2-- werden gegenphasig jedoch mit einer Phasenverschiebung gegenüber den Schalteinheiten --5. 1 und 6. 1-- der Umschalteinheit-Ul- angesteuert, wie dies im folgenden Beispiel näher erläutert ist.
Bezeichnet man eine Schaltperiode mit T, so werden die beiden Umschalteinheiten-Ul und U2-jeweils beispielsweise mit einer Verspätung von T/3 bei einem Taktverhältnis von 2 : 1 angesteuert, u. zw. in folgender Reihenfolge : Wird angenommen, dass die Schalteinheit zum Zeitpunkt 0 leitend wird,
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bringt den Vorteil, dass sich die an der Last auftretende Oberwellenfrequenz verdoppelt. Der Mittelwert der Spannung wird hier ebenfalls durch das Taktverhältnis der beiden Umschalteinheiten eingestellt.
Zwischen den Verbindungspunkten --17 und 18 bzw. 19 und 20-kann die erforderliche Streuinduktivität der Saugdrossel gemessen werden. Die Saugdrossel hat ausserdem noch den Vorteil, dass die Oberwellen an der Last geringer sind und eine höhere Frequenz haben als bei jeder einzelnen Umschalteinheit.
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