AT511216B1

AT511216B1 - Aktive einschaltentlastung mit energierückgewinnung

Info

Publication number: AT511216B1
Application number: AT7912011A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-10-15
Also published as: AT511216A4

Abstract

Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, wobei die Einschaltentlastungsinduktivität (LE) möglichst verlustfrei zu entmagnetisieren und die gespeicherte Energie zurückzugewinnen ist, bestehend aus einer ersten Spule (LE) mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei die erste Spule (LE) mit einer ersten (1) und einer zweiten (2) Klemme zum Einbau der Entlastung verbunden ist, parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode (DE) und eines Kondensators (CE) geschaltet ist, parallel zum Kondensator (CE) eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters (SU) mit einer zweiten Spule (LU) geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter (SU) und zweiter Spule (LU) die Kathode einer zweiten Diode (DU) geschaltet ist, deren Anode an die Klemme (3) geschaltet ist, wobei diese typischerweise gegen Masse geschaltet ist, wobei parallel zum Kondensator (CE) eine dritte Diode (DC) geschaltet ist. Es ist dabei sinnvoll, dass der stromunidirektionale Schalter (SU) synchronisiert zum zu entlastenden Schalter eingeschaltet wird.

Description

österreichisches Patentamt AT511216B1 2012-10-15

Beschreibung

AKTIVE EINSCHALTENTLASTUNG MIT ENERGIERÜCKGEWINNUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, bestehend aus einer ersten Spule (LE) mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei die erste Spule (LE) mit einer ersten (1) und einer zweiten (2) Klemme zum Einbau der Entlastung verbunden ist, parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode (De) und eines Kondensators (CE) geschaltet ist, parallel zum Kondensator (CE) eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters (SU) mit einer zweiten Spule (Lu) geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter (Su) und zweiter Spule (Lu) die Kathode einer zweiten Diode (Du) geschaltet ist, deren Anode an die Klemme (3) geschaltet ist, wobei diese typischerweise gegen Masse geschaltet ist [0002] Einschaltentlastungen bestehen aus einer Serieninduktivität in Serie zum zu entlastenden Schalter und einer Vorrichtung parallel zu dieser, um beim Abschalten die durch die Einschaltentlastungsinduktivität entstehende Überspannung zu begrenzen und gleichzeitig die Induktivität zu entmagnetisieren. Einschaltentlastungen vermeiden das Auftreten von großen Verlusten am Halbleiterschalter beim Einschalten desselben.

[0003] Einschaltentlastungen sind seit langem bekannt und in der Patentliteratur beschrieben. Die hier vorgelegte Erfindung ist die Verbesserung von AT 1229/2007, die demnächst veröffentlicht werden soll. In diesem Dokument AT 505 534 wird auch auf die vorhandene Patentliteratur eingegangen.

[0004] Das Entlastungsnetzwerk wird nun an Hand von Fig. 1 beschrieben. Kurz vor dem Ausschalten des zu entlastenden Schalters fließt durch die Spule LE der Strom l0. Schaltet nun der zu entlastende Schalter ab, so kommutiert der Strom in LE über die Diode DE in den Kondensator. Die Entmagnetisierung erfolgt durch eine resonante Umladung entsprechend einer Viertelschwingung. Die Spule LE ist entmagnetisiert, führt also dann keinen Strom mehr, die Diode DE

schaltet ab und der Kondensator CE ist auf aufgeladen. Der Kondensator CE ist nun bis zum nächsten Ausschaltzeitpunkt zu entladen und zwar möglichst so, dass die gespeicherte Energie rückgewonnen wird. Im Rahmen dieser Erfindung wird eine spezielle aktive Rückgewinnung der Kondensatorenergie gezeigt.

[0005] Betrachtet man einen Gleichstromsteller, z.B. einen Tiefsetzsteller, bei dem der aktive Schalter 100 A einzuschalten hat, so benötigt man bei einer Eingangsspannung von 1000 V und einer gewünschten Stromanstiegsgeschwindigkeit von 50 V/ps eine Einschaltinduktivität von 20 pH. Damit ergibt sich eine Energie von 0,1 Ws, die in der Einschaltinduktivität gespeichert ist. Bei einer Schaltfrequenz von 1 kHz bedeutet das, dass 100 W letztlich in Wärme umgesetzt werden müsste und diese Verlustwärme ist dann aus dem Gerät abzuführen. Man erkennt daher den Vorteil einer verlustarmen Entlastung, bei der diese Energie rückgewonnen wird.

[0006] Zur Vermeidung von zu großen Überspannungen im Fehlerfall, so z.B. einem Lastkurzschluss verbunden mit einem raschen Anstieg des Stroms, wird man sinnvollerweise eine Überspannungsbegrenzung vorsehen. Diese kann parallel zum einschaltentlasteten Schalter liegen und/oder parallel zum Kondensator des resonanten Einschaltentlastungsnetzwerks.

[0007] Nachdem der Kondensator CE geladen wurde, wird dieser mit Hilfe einer Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters Su (einer Serienschaltung eines aktiven Schalters mit einer Diode oder einem Thyristor) mit einer Induktivität Lu verbunden. Es wird nun die Energie aus dem Kondensator in die Spule übertragen. Dies geschieht wieder innerhalb einer Viertelschwingung. Wird die Kondensatorspannung zu null, wird der stromunidirektionale Schalter Su abgeschaltet und der Strom kommutiert in einen Hilfsfreilaufkreis mit einer Diode Du und 1 /4 österreichisches Patentamt AT511216B1 2012-10-15 baut sich in eine Spannungsquelle, typischerweise die Eingangsspannung, ab. Wird der Strom durch diese Freilaufdiode Du null, so schaltet diese selbsttätig aus. Der Vorgang ist beendet.

[0008] Zum Abschaltzeitpunkt des stromunidirektionalen Schalters Su ist der Strom maximal und die Spannungsänderung am Kondensator CE ist beim Nulldurchgang maximal. Bleibt der stromunidirektionale Schalter Su weiter leitend, wird der Kondensator CE in negativer Richtung aufgeladen. Man muss daher den stromunidirektionalen Schalter Su rechtzeitig ausschalten, dies bedeutet man benötigt eine Spannungserfassung am Kondensator CE. Die Umschwingzeit der Energie aus dem Kondensator CEin die Spule Lu lässt sich zwar berechnen (näherungswei- se T„ =yJl~Cc genauer wenn man die Verlustmechanismen berücksichtigt) und ist un abhängig vom abgeschaltetem Strom l0 und auch von der dadurch entstehenden Spannung am Entlastungskondensator. Man kann also mit einer fixen Einschaltzeit des stromunidirektionalen Schalters Su rechnen. Diese sollte um einen Sicherheitsfaktor größer sein als der berechnete Wert (wegen der Toleranzen). Grundsätzlich ist ein negativer Wert am Kondensator (so er kein polarisierter Kondensator ist) nicht gefährlich, aber es wird weniger Energie zurückgewonnen. Um also eine Spannungserfassung und über diese getriggerte Ansteuerung von Su zu vermeiden und trotz einer fixen Einschaltzeit von Su keine negative Spannung am Kondensator CE zu erhalten, wird parallel zu diesem eine weitere Diode Dc geschaltet. Der Strom bleibt während deren Leitphase nahezu konstant, es wird also kaum Energie in Wärme umgesetzt.

[0009] Die Abbildungen zeigen in [0010] Figur 1 das hier vorgeschlagene Konzept und in [0011] Fig. 2 ist die Anwendung der Schaltung gemäß Fig. 1 bei einem Tiefsetzsteller darge stellt.

[0012] Die Entlastungsschaltung Fig. 1 besteht, wie oben ausgeführt, aus einer Serienschaltung einer Diode (DE) mit einem Kondensator (CE) parallel zur Einschaltentlastungsinduktivität (Le). Zur Entladung des Kondensators (CE) dient die parallel liegende Serienschaltung des stromunidirektionalen Schalters (Su), hier beispielhaft als Serienschaltung einer Diode und eines MOSFETs gezeichnet. Nachdem der Kondensator (CE) entladen ist, kommutiert der Strom in der Spule in den Zweig mit der Diode (Du). Bei einem Tiefsetzsteller z.B. wird dann Klemme 1 an Masse, Klemme 2 an die Eingangsspannung (positiver Pol) und Klemme 3 an den zu entlastenden Schalter angeschlossen.

[0013] Figur 2 zeigt dies nun an einem Tiefsetzsteller. Der aktive Schalter des Tiefsetzstellers ist hier als GTO gezeichnet, auch um anzudeuten, dass dieses Entlastungsnetzwerk bei großen Leistungen zum Einsatz kommen kann. Die Diode (D) ist die Freilaufdiode des Konverters und die Spule (LF) und der Kondensator (CF) das Ausgangsfilter. Die Last wird an die Klemmen parallel zum Kondensator (CF) angeschlossen.

[0014] Die hier vorgestellte Einschaltentlastung ist universell einsetzbar. Weitere Beispiele sind prinzipiell in AT 505 534 dargestellt.

[0015] Das Problem, die Einschaltentlastungsinduktivität möglichst verlustfrei zu entmagnetisieren und die gespeicherte Energie zurückzugewinnen, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass parallel zum Kondensator (CE) eine dritte Diode (Dc) geschaltet ist. Weiters dass, parallel zum Kondensator (CE) eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist und nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter (Su) während einer konstanten Zeitspanne eingeschaltet wird. Weiters ist es sinnvoll, dass der stromunidirektionale Schalter (Su) synchronisiert zum zu entlastenden Schalter eingeschaltet wird. Es ist auch anzumerken, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient. 2/4

Claims

österreichisches Patentamt AT511216B1 2012-10-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, bestehend aus einer ersten Spule (LE) mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei die erste Spule (Le) mit einer ersten (1) und einer zweiten (2) Klemme zum Einbau der Entlastung verbunden ist, parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode (DE) und eines Kondensators (CE) geschaltet ist, parallel zum Kondensator (CE) eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters (Su) mit einer zweiten Spule (Lu) geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter (Su) und zweiter Spule (Lu) die Kathode einer zweiten Diode (Du) geschaltet ist, deren Anode an die Klemme (3) geschaltet ist, wobei diese typischerweise gegen Masse geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator (CE) eine dritte Diode (Dc) geschaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator (CE) eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter (Su) während einer konstanten Zeitspanne eingeschaltet wird.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der stromunidirektionale Schalter (Su) synchronisiert zum zu entlastenden Schalter eingeschaltet wird.
5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4