DD228687A1 - Steuerschaltung fuer ruhende umformer - Google Patents

Abstract

Anwendbar in ruhenden Umformern mit einem mit veraenderbarem Tastverhaeltnis geschalteten Stellglied und einem im Primaerstromkreis liegenden Steueruebertrager, der durch Strommitkopplung die Leitzustaende des als Stellglied eingesetzten Leistungsschalttransistors aufrecht erhaelt, insbesondere in Umformern grosser Leistung und mit grossen Lastschwankungen, soll ein beliebig kleines Tastverhaeltnis der Ansteuerung ermoeglicht werden, ohne dass die bei diesem Betriebszustand im Steueruebertrager entstehenden Stoerspannungsspitzen zur vorzeitigen Wiedereinschaltung des Leistungsschalttransistors fuehren. Erreicht wird dies, indem der Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors ein Ableittransistor parallel geschaltet ist, der von einer rechteckfoermigen Steuerspannung so gesteuert wird, dass alle Stoerspannungen kurzgeschlossen werden, die den Leistungsschalttransistor unzulaessig oeffnen koennten. Eine Parallelschaltung aus Kondensator und Diode im Steuerstromweg unterstuetzt das schnelle Entmagnetisieren des Steueruebertragers und das sichere Sperren des Leistungsschalttransistors. Figur

Description

Anmelder: Berlin, 9.11,1984

P 1510

Kombinat VEB -/[ _

Elektro-Apparate-Werke Berlin-Treptow ZENTRUM FÜR FORSCHUNG UND TECHNOLOGIE

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Steuerschaltung für ruhende Umformer

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anwendung der Erfindung bezieht sich auf ruhende Umformer, in denen Leistungstransistoren im Schalterbetrieb als Stellglied eingesetzt sind, deren periodische Ansteuerung mit veränderbarem Tastverhältnis erfolgt und bei denen sich im Primärstromkreis ein Steuerübertrager befindet, der durch Strommitkopplung die Leitzustände des Leistungsschalttransistors aufrecht erhält· Bevorzugt findet die Erfindung Anwendung in Umformern großer Leistung mit großen Lastschwankungen, bei denen eine Regelung der Ausgangsgröße durch Pulsdauermodulation erfolgt, z.B, in Gleichspannungswandlern, die nach dem Durchflußwandlerprinzip arbeiten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um periodisch gesteuerte Leistungsschalttransistoren,z.B. in Gleichspannungswandlern, über einen großen Laststrombereich hin stets optimal ansteuern zu können, ist es üblich, hierfür Steuerübertrager einzusetzen, die als Stromwandler betrieben werden. Dadurch wird erreicht, daß sich über den gesamten Laststrombereich eine konstante Übersteuerung des Leistungsschalttransistors einstellt, wodurch eine ständig konstante minimale Speicherzeit des Leistungsschalttransistors garantiert wird. Außerdem ergibt sich dabei der Vorteil, daß für die Dauer der Einschaltzeit des Leistungsschalttransistors keine gesonderte Hilfsspannung zur Bereitstellung der notwendigen Ansteuerleistung notwendig ist.

Im stationären Betrieb wird der Leistungsschalttransistor periodisch von einem Startimpuls in den leitenden Zustand versetzt. Über den Steuerübertrager wird dieser leitende Zustand durch Strommitkopplung selbsttätig aufrechterhalten, bis ein zum Steuerimpuls entgegengerichteter Stopimpuls den Leistungsschalttransistor wieder in den Sperrzustand versetzt. Die Regelung der Ausgangsspannung wird über eine Veränderung der Abstände zwischen Start- und Stopimpulsen durch Pulsdauermodulation erreicht. In bestimmten Lastfällen, z.B. Leerlauf, Kurzschluß, Entlastungssprünge, rückt infolge der Pulsdauermodulation der Stopimpuls sehr dicht an den Startimpuls heran. Daraus können sich Störungen in der Funktionsweise ergeben.

Wird bei einer sehr kurzen Einschaltdauer des Leistungsschalttransistors eine geringere Spannungszeitfläche zur Aufmagnetisierung des Steuerübertragers erzeugt als durch den darauffolgenden Stopimpuls, dann wird während der Einschaltdauer weniger magnetische Energie gespeichert als durch den Stopimpuls dem Steuerübertrager in umgekehrter Richtung zugeführt wird. Bei Beendigung des Stopimpulses verursacht die noch im Steuerübertrager gespeicherte magnetische Energie Störimpulse, die den Leistungsschalttransistor vorzeitig wiedereinschalten, wodurch die Regelung völlig außer Tritt gerät.

In der DE-AS 25 4-3 409 wird eine Lösung angegeben, die auf die Verminderung dieses Nachteils gerichtet ist. Die Einkopplung des Start- bzw. Stopimpulses geschieht dort über den Steuerübertrager, der hierfür gemäß dem Stand der Technik eine weitere Primärwicklung besitzt, die in diesem speziellen Fall mit einer Anzapfung versehen ist, und wobei das Windungszahlverhältnis von Einkoppelwicklung für die Startimpulse zur Einkoppelwicklung für die Sperrimpulse kleiner als eins ist. Damit erreicht diese Lösung zwar eine Verkleinerung der Spannungszeitfläche des Sperrimpulses, so daß kürzere Einschaltphasen zugelassen werden können, die vollständige Beseitigung dieses Problems ergibt sich daraus aber noch nicht. Bei dieser Lösung

existiert nach wie vor für die kürzeste Einschaltzeit des Leistungsschalttransistors eine G-renze, die darin besteht, daß die Spannungszeitfläche der Einschaltphase niemals die Spannungszeitfläche des darauffolgenden Sperrimpulses unterschreiten darf·

Neben diesem Nachteil, daß die kürzeste Einschaltphase des Leistungsschalttransistors immer noch begrenzt ist, also nicht beliebig klein sein darf, besitzt diese Lösung noch weitere Nachteile. Es ist ein kompliziertes Wickelbauelement erforderlich, und die Erzeugung der Start- und Stopimpulse erfordert eine sehr exakte und damit aufwendige Dimensionierung. Wie in der Erfindungsbeschreibung ausgeführt wird, vergrößert sich die Speicherzeit des Leistungsschalttransistors, dem durch Verringerung des Ausräumwiderstandes begegnet wird, der parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors angeordnet ist. Damit wird aber das feste Übersetzungsverhältnis des Steuerübertragers gestört, mit dem das funktionsbedingte Verhältnis von Primär- zu Sekundärstrom festgelegt ist. Denn die bei einer zwischen Leerlauf und einer bestimmten kritischen Last auftretenden geringen Lastströme rufen kleine Steuerströme hervor, von denen aber über den niederohmigen Ausräumwiderstand ein unzulässig großer Teil abgezweigt wird, was die Aufrechterhaltung des notwendigen Basisstroms verhindert. Dadurch neigt die Anordnung zur Selbsterregung, und es ergeben sich kritische Dimensionierungsprobleme, um UnStabilitäten zu vermeiden. Schließ- ^J lieh besitzt diese Anordnung auch eine relativ große Anfälligkeit gegen solche Störimpulse, die so gerichtet sind, daß sie während der Sperrphasen den Leistungsschalttransistor öffnen können.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, bei verringertem technischen Aufwand das Regelverhalten statischer Umformer zu verbessern und die Störanfälligkeit zu verringern.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für statische Umformer, in deren Eingangsstrorakreis in Reihe zur Primärwicklung des Leistungsübertragers außer dem als Stellglied wirkenden Leistungsschalttransistor die Primärwicklung eines Steuerübertragers angeordnet ist und bei denen eine Steuer- und Regelstufe mit Startimpulsen das periodische Einschalten des Leistungsschalttransistors einleitet und mit im veränderbaren Abstand folgenden Stopimpulsen jeweils dessen Sperrzustand wieder herstellt, wobei die Einschaltzustände des Leistungsschalttransistors durch Strommitkopplung aus der Sekundärwicklung des Steuerübertragers aufrecht erhalten werden, eine Steuerschaltung zu schaffen, die es ermöglicht, den Abstand zwischen den Startimpulsen und den darauffolgenden Stopimpulsen so weit zu verringern, daß die in einer Einschaltphase sich ausbildende Spannungszeitfläche kleiner bleibt als die Spannungszeitfläche, die vom nachfolgenden Stopimpuls hervorgerufen wird, ohne daß sich daraus vorzeitige Wiedereinschaltungen des Leistungsschalttransistors ergeben. Weiterhin soll die Funktionssicherheit der Steuerschaltung in der Weise erhöht werden, daß äußere Störimpulse kein vorzeitiges Einschalten des Leistungsschalttransistors schon während seines notwendigen Sperrzustandes zur Folge haben.

Die Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet. Der Steuerübertrager enthält nur eine Primärwicklung, und der Leistungsschalttransistor wird aus der Steuer- und Regelstufe direkt angesteuert, indem deren Steuerimpulsausgang mit der Basis des-Leistungsschalttransistors verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Steuerübertragers, die mit einem Anschluß an den Emitter des Leistungsschalttransistors geführt ist, enthält zwischen ihrem zweiten Anschluß und der Basis des Leistungsschalttransistors eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Diode, wobei die Polung der Diode der Polung der Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors entspricht· Dieser Basis-Emitter-Strecke ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Ableittransistors

parallel geschaltet, wobei beide Emitter miteinander verbunden sind und beide Transistoren von demselben Leitfähigkeitstyp sind· Die Basis des Ableittransistors ist mit einem Steuersignalausgang der Steuer- und Regelstufe verbunden, der ein phasengetreu zu den Start- und Stοpirnpulsen verlaufendes rechteckförmiges Steuersignal liefert.

Zur Ansteuerung wird die Polarität des rechteckförmigen Steuersignals so gewählt, daß es den Ableittransistor stets dann in den Sperrzustand versetzt, wenn sich der Leistungsschalttransistor im leitenden Zustand befindet und umgekehrt. Der Ableittransistor bleibt damit in den Leitphasen ohne Einfluß. Während der übrigen Zeitabschnitte ist dagegen der Ableittransistor von dem Steuersignal so angesteuert, daß er für alle Signale einen Kurzschluß bildet, die den Leistungsschalttransistor unzulässig öffnen würden. Dies trifft sowohl auf Spannungsspitzen aus der abklingenden Rückmagnetisierung des Steuerübertragers bei zu kurzen Abständen zwischen Start- und Stopimpulsen als auch auf von außen eindringende Störspannungen zu.

An der Parallelschaltung aus Kondensator und Diode bildet sich im stationären Betrieb eine Spannung aus, die im Mittel der Flußspannung der Diode entspricht. Infolge der Polarität dieser Spannung verkürzt sich zum einen die Zeit zur vollständigen Entmagnetisierung des Steuerübertragers und zum anderen dient diese Spannung nach erfolgter Entmagnetisierung zur zusätzlichen Aufrechterhaltung eines sperrenden Potentials an der Basis des Leistungsschalttransistors.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die Schaltung eines Gleichspannungswandlers nach dem Durchflußwandlerprinzip, in dem die Erfindung zur Anw'endung kommt.

Eine ungeregelte Eingangsgleichspannung wird zwischen Eingangsanschluß E und Masse M eingespeist. Von den Ausgangsanschlüssen A1 und A2 kann einer nicht dargestellten Last eine geregelte Ausgangsspannung zugeführt werden. Ein Leistungsschalttransistor Ts wird von einer Steuer- und Regelstufe SR in Verbindung mit einem Steuerübertrager Üs periodisch in den Leitzustand versetzt, und über den Leistungsübertrager Ül wird die zerhackte Gleichspannung übertragen· Die Schaltelemente auf der Sekundärseite des Leistungsübertragers Ül dienen der Gleichrichtung und Siebung und sind für die Erfindung ohne Bedeutung·

Die Steuer- und Regelstufe SR enthält einen Taktgenerator, der durch die Ausgangsgleichspannung in seinem Tastverhältnis beeinflußt wird. Das in dieser Weise erhaltene pulsdauermodulierte Rechtecksignal steht am Steuersignalausgang SS zur Verfugung. Aus beiden Flanken dieses Steuersignals werden kurze Impulse abgeleitet, wobei die aus den Rückflanken des Steuersignals gewonnenen Impulse entgegengesetzt zu den aus den Vorderflanken abgeleiteten Impulsen' gerichtet sind.

Da das Anlaufen der Schaltung bei einer Inbetriebnahme auf Grund des dabei völlig entmagnetisierten Steuerübertragers ÜS und Leistungsübertragers Ül keinerlei Probleme birgt, soll -nur der stationäre Betriebszustand betrachtet werden·

Begonnen werden die Erläuterungen für den unkritischen Betriebsfall, bei dem zwischen den Start- und den darauffolgenden Stopimpulsen ein genügend großer Abstand besteht. Ein vom Steuerimpulsausgang SI abgegebener, im vorliegenden Falle positiver, Startimpuls gelangt auf die Basis des Leistungsschalttransistors Ts und versetzt diesen in den leitenden Zustand. Dessen Kollektorstrom fließt auch durch die in Reihe liegende Primärwicklung Wp des Steuerübertragers Üs. Da es sich bei diesem um einen Stromwandler handelt, wird von der Sekundärwicklung Ws ein proportionaler Steuerstrom abgegeben. Dieser Steuerstrom

fließt über eine sich im leitenden Zustand befindliche Diode D in die Basis des Leistungsschalttransistors Ts und aus dessen Emitter zur Sekundärwicklung Ws zurück· Durch diesen Steuerstrom 7*'ird der Leistungsschalttransistor Ts auch nach Beendigung des kurzen Startimpulses weiterhin im leitenden Zustand gehalten·

Parallel zur Basis-Eznitter-Strecke des Leistungsschalttransistors Ts sind ein Ausräumwiderstand R und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Ableittransistors Ta geschaltet. Dieser wird aus dem Steuersignalausgang SS so angesteuert, daß er immer dann gesperrt ist, wenn sich der Leistungsschalttransistor Ts im leitenden Zustand befindet· Auf die weitere Wirkungsweise dieses Ableittransistors Ta wird weiter unten eingegangen.

Zur Beendigung der Einschaltphase trifft vom Steuerirapulsausgang SI ein negativer Stopimpuls auf die Basis des Leistungsschalttransistors Ts. Damit wird dieser gesperrt und der Stromfluß durch die Primärwicklung Wp des Steuerübertragers Üs unterbrochen. Infolge der im Steuerübertrager Üs gespeicherten magnetischen Energie liefert die Sekundärwicklung Ws jetzt einen Entmagnetisierungsstrom, der dem vorangegangenen Strom entgegengerichtet ist. Dieser Entmagnetisierungsstrom fließt durch den aus dem Ausräumwiderstand R und dem Kondensator C bestehenden Stromkreis, weil sich die Diode D bei dieser Stromrichtung im Sperrzustand befindet. Der Spannungsabfall über dem Ausräumwiderstand R ist dabei so gerichtet, daß der Leistungsschalttransistor Ts im gesperrten Zustand gehalten wird. Gleichzeitig wird in dieser Phase der Ableittransistor Ta durch den Steuersignalausgang SS so angesteuert, daß er leiten würde, wenn an seinem Kollektor eine positive Spannung gegenüber seinem Emitter vorhanden wäre. Da der Spannungsabfall am Ausräumwiderstand R in dieser Phase aber ein negatives Potential erzeugt, kann durch den Ableittransistor Ta nur der geringe Basisstrom fließen, den der Steuersignalausgang SS liefert, was aber für die Wirkungsweise bedeutungslos ist.

Infolge der während jeder Leitphase auftretenden Stromimpulse aus der Sekundärwicklung Ws des Steuerübertragers Üs hat sich am Kondensator C eine Spannung ausgebildet, deren Höhe sich bei 3edem Impuls nur geringfügig ändert. Die Polung der Diode D ist so festgelegt, daß sie die Spannung am Kondensator C während der in ihrer Dauer sehr variablen Leitphasen begrenzt· Die Spannung am Kondensator entspricht in ihrer Höhe im Mittel der Flußspannung dieser Diode. Der Kondensator C ermöglicht, daß der Entmagnetisierungsstrom in umgekehrter Richtung, also bei gesperrter Diode D, durch die Sekundärwicklung Ws des Steuerübertragers Üs fließen kann und verkürzt durch die Polarität seiner Spannung die notwendige Zeit zur vollständigen Entmagnetisierung. Die gespeicherte Ladung des Kondensators C bewirkt nach erfolgter Entmagnetisierung des Steuerübertragers Üs eine zusätzliche Aufrechterhaltung eines negativen Potentials an der Basis des Leistungsschalttransistors Ts, wodurch dessen Sperrverhalten weiterhin verbessert wird.

Nun wird ein kritischer Betriebsfall betrachtet, bei dem zwischen dem Beginn eines Startimpulses und dem Beginn des darauffolgenden Stopimpulses ein sehr geringer Abstand besteht. Bei den LeTtphasen des Leistungsschalttransistors Ts besteht gegenüber den vorangehenden Ausführungen zum unkritischen Betriebsfall kein Unterschied. Folgt jedoch ein Stopimpuls so dicht auf den Beginn einer Leitphase, daß wegen der Kürze dieser Leitphase die sich dabei ausbildende Spannungszeitfläche klei-ner bleibt als die Spannungszeitfläche, die der nachfolgende Stopimpuls erzeugt, dann hat sich während der Leitphase im Steuerübertrager Üs weniger Energie angesammelt, als der Stopimpuls während seiner Dauer wieder ausräumt. Die Folge davon ist, daß der überschüssige Teil des Stopimpulses wiederum Energie im Steuerübertrager Üs speichert. Nach Ablauf des Stopimpulses ruft diese Energie einen Entmagnetisierungsstrom hervor, der am Ausräumwiderstand R einen positiven Spannungsabfall erzeugt, der an sich den Leistungsschalttransistor Ts vorzeitig wieder einschalten würde. Gleichzeitig wird aber jetzt der Ableittransistor Ta leitend und verhindert damit, daß dieser

positive Spannungsabfall am Leistungsschalttransistor Ts wirksam werden und diesen vorzeitig wieder einschalten kann.

Störsignale, die von außen eindringen und den Leistungsschalttransistor Ts während der Sperrphasen ebenfalls wieder einschalten könnten, werden vom Ableittransistor Ta ebenfalls kurzgeschlossen, so daß sie wirkungslos bleiben.

Dadurch, daß alle schädlichen Störsignale wirkungslos bleiben, kann der Stopimpuls beliebig dicht an den Beginn des Startimpulses heranrücken, ohne daß dies schädliche Auswirkungen auf den Sperrzustand des Leistungsschalttransistors Ts und somit auf einen einwandfreien Betrieb hat.

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Claims (1)

1. - 10 Erfindungsanspruch

   Steuerschaltung für ruhende Umformer, in deren Eingangsstromkreis in Reihe zur Primärwicklung des Leistungsübertragers ein Leistungsschalttransistor als Stellglied und die Primärwicklung eines Steuerübertragers angeordnet sind, mit einer Steuer- und Regelstufe, deren Startimpulse das periodische Einschalten des Leistungss-chalttransistors einleiten und deren im veränderbaren Abstand folgende Stopinjpulse jeweils dessen Sperrzustand wieder herstellen, wobei die Einschaltzustände des Leistungsschalttransistors durch Strommitkopplung aus der Sekundärwicklung des Steuerubertragers aufrecht erhalten wer-, den, die ebenso wie ein Ausräumwiderstand parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß zur unmittelbaren Ansteuerung des Leistungsschalttransistors (Ts) aus der Steuer- und Regelstufe (SR) deren Steuerimpulsausgang (SI) mit der Basis des Leistungsschalttransistors (Ts) verbunden ist, daß der Steuerübertrager (Üs) nur eine Primärwicklung (Wp) enthält, daß in die Verbindungsleitung zwischen seiner Sekundärwicklung (Ws) und der Basis des Leistungsschalttransistors (Ts) eine Parallelschaltung aus einem Kondensator (C) und einer Diode (D) eingefügt ist, wobei die Polung der Diode (D) der Polung der Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors (Ts) entspricht, daß an dessen Emitter der Emitter eines Ableittransistors (Ta) angeschlossen ist, daß dessen Kollektor mit der Basis des Leistungsschalttransistors (Ts) verbunden ist, daß die Basis des Ableittransistors (Ta) an den ein phasengetreu zu den Steuerimpulsen verlaufendes rechteckförmiges Steuersignal abgebenden Steuersignalausgang (SS) der Steuer- und Regelstufe (RS) angeschlossen ist und daß der Ableittransistor (Ta) von demselben Leitfähigkeitstyp wie der Leistungsschalttransistor (Ts) ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnung,