DD241510A1

DD241510A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR SWITCH LOSS REDUCTION OF A CONTROLLABLE ELECTRONIC SWITCH

Info

Publication number: DD241510A1
Application number: DD28133485A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Gens; Norbert Michalke; Juergen Petzoldt
Original assignee: Dresden Elektromaschinenbau
Priority date: 1985-10-02
Filing date: 1985-10-02
Publication date: 1986-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung eines steuerbaren elektronischen Schalters insbesondere mit Transistoren. Sie ist anwendbar bei allen elektronischen Schaltern insbesondere in Pulssteller- und Wechselrichteranordnungen. Mit der erfindungsgemaessen Schaltungsanordnung soll eine mit relativ geringem Aufwand realisierbare und funktionssichere Schaltverlustentlastung geschaffen werden. Erfindungsgemaess wird die Entladung des zur Entlastung des elektronischen Schalters vorgesehenen Abschaltkondensators durch einen parallel zum elektronischen Schalter angeordneten Entladestromkreis erreicht, das vorteilhaft aus einer Reihenschaltung von Thyristor, Kondensator und Induktivitaet und einem parallel zu diesem Kondensator angeordneten Widerstand sowie einem Freilaufkreis fuer die Induktivitaet besteht. FigurThe invention relates to a circuit arrangement for switching loss reduction of a controllable electronic switch, in particular with transistors. It is applicable to all electronic switches, especially in pulse controller and inverter arrangements. With the inventive circuit arrangement to be realized with relatively little effort and functionally reliable switching loss relief to be created. According to the invention, the discharge of the turn-off capacitor provided for relieving the electronic switch is achieved by a discharge circuit arranged parallel to the electronic switch, which advantageously consists of a series connection of thyristor, capacitor and inductance and a resistor arranged parallel to this capacitor and a freewheeling circuit for the inductance. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der Erfindung 'Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, mit der eine Reduzierung der Schaltverluste in steuerbaren elektronischen Schaltern, insbesondere mit Transistoren möglich ist. Die Anwendbarkeit ist bei allen ein- und abschaltbaren leistungselektronischen Schaltern, vorzugsweise in Pulssteller-und Wechselrichteranordnungen gegeben.The invention relates to a circuit arrangement with which a reduction of the switching losses in controllable electronic switches, in particular with transistors is possible. Applicability is given for all power electronic switches that can be switched on and off, preferably in pulse controller and inverter arrangements.

Characteristic of the known technical solutions

Bei leistungselektronischen Schaltern müssen für die Halbleiterbauelemente außer den Größen Durchlaßstrom und Sperr- bzw. Blockierspannung auch deren Änderurigsgeschwindigkeit beim Ein- und Abschaltvorgang begrenzt werden, um die Schaltverluste zu reduzieren oder die Arbeitsweise der Bauelemente in bestimmten Arbeitspunkten überhaupt zu ermöglichen.In power electronic switches must be limited for the semiconductor devices except the sizes forward current and blocking or blocking voltage and their speed of change when switching on and off to reduce the switching losses or to allow the operation of the components at certain operating points.

Eine bekannte Schaltungsanordnung ist in der DE-OS 2128454 beschrieben. Sie arbeitet prinzipbedingt mit hohen Wärmeverlusten, da die in den zur Schaltverlustentlastung der leistungselektronischen Schalter notwendigen induktiven und kapazitiven Blindelemente gespeicherte Energie bei jedem Schaltvorgang in Wärme umgesetzt wird, d.h., die Schaltverlustenergie verlagert sich in die ohmschen Widerstände.A known circuit arrangement is described in DE-OS 2128454. It works in principle with high heat losses, since the energy stored in the inductive and capacitive reactive elements necessary for the switching loss relief of the power electronic switches is converted into heat during each switching operation, that is, the switching loss energy shifts into the ohmic resistances.

Weiterhin sind in den Erfindungsbeschreibungen DE-OS 2639589 und DE-OS 2641183 Lösungen für die Schaltverlustentlastung bekannt, die prinzipbedingt ohne Abschaltverluste arbeiten. Dabei erfolgt im eingeschalteten Zustand des Transistorschalters während eines Schwingungsvorganges ein Ladungsaustausch zwischen zwei Kondensatoren, wobei derfür ein Abschalten des Transistorschalters notwendige Ausgangszustand eingenommen wird.Furthermore, in the invention descriptions DE-OS 2639589 and DE-OS 2641183 solutions for the switching loss relief are known to work principle without shutdown losses. In this case, in the switched-on state of the transistor switch during a vibration process, a charge exchange between two capacitors, wherein the necessary for a shutdown of the transistor switch output state is taken.

Während des Abschaltens fließt der Laststrom über beide jetzt parallel wirkende Kondensatoren weiter, wodurch sich der Spannungsanstieg der sogenannten Blockierspannung verzögert. Die während des Abschaltens anfallende Energie wird dem Zwischenkreiskondensator zugeführt. In der DE-OS 2644175 sind Netzwerke zur Einschaltentlastung von leistungselektronischen Bauelementen angegeben, die auch in Kombination mit den Ausschaltentlastungsnetzwerken entsprechend den DE-OS 2639589 und DE-OS 2641183 ausgeführt werden können. Nachteilig ist bei allen diesen Lösungen zur Schaltverlustentlastung von leistungselektronischen Schaltern, daß die Einschaltentlastungen verlustbehaftet arbeiten.During switch-off, the load current continues to flow through both capacitors now acting in parallel, which delays the voltage increase of the so-called blocking voltage. The energy generated during switch-off is supplied to the DC link capacitor. In DE-OS 2644175 networks for Einschaltentlastung of power electronic components are specified, which can also be performed in combination with the Ausschaltentlastungsnetzwerke according to DE-OS 2639589 and DE-OS 2641183. A disadvantage of all these solutions for switching loss relief of power electronic switches that work Einschaltentlastungen lossy.

Eine weitere der Erfindung nahestehende Lösung wird in der DE-OS 3120469 dargelegt. In dieser Anordnung werden sowohl die Einschalt- als auch die Abschaltverluste reduziert. Das Entlastungsnetzwerk enthält einen Abschaltkondensator, eine Einschaltdrossel, drei schnelle Dioden und einen größeren Speicherkondensator. Der Speicherkondensator nimmt während des Einschaltvorganges die Energie des Abschaltkondensators und während des Abschaltvorganges die Energie der Einschaltdrossel auf. Im ausgeschalteten Zustand des elektronischen Schalters entlädt sich der Speicherkondensator über dieAnother related to the invention solution is set forth in DE-OS 3120469. In this arrangement, both the turn-on and turn-off losses are reduced. The relief network includes a shutdown capacitor, a turn-on choke, three fast diodes and a larger storage capacitor. The storage capacitor takes during the switch-on the energy of the shutdown capacitor and during the shutdown on the power of the turn-on. In the off state of the electronic switch, the storage capacitor discharges via the

Nachteilig ist an dieser Lösung zur Schaltverlustentlastung, daß der elektronische Schalter während des Einschaltvorganges den Ladestrom, den Umschwingstrom des Abschaltkondensators und den Rückstrom der Freilaufdiode führen muß, d. h., er muß für diesen Summenstrom ausgelegt werden.The disadvantage of this solution for switching loss relief that the electronic switch during the switch-on the charging current, the Umschwingstrom the turn-off capacitor and the return current of the freewheeling diode must lead, d. h., He must be designed for this total current.

Weiterhin ist von Nachteil, daß während des Abschaltvorganges der Abschaltkondensator über eine Diode parallel zum elektronischen Schalter liegt, die eine bestimmte Zeit zum Einschalten benötigt, während der im Schaltelement Schaltverluste auftreten.Another disadvantage is that during the shutdown of the shutdown capacitor via a diode is parallel to the electronic switch, which requires a certain time to turn on, while the switching element switching losses occur.

Eine weitere bekannte Lösung ist in dem DD-WP 214733 dargelegt. In dieser Schaltungsanordnung sind ein Abschaltkondensator und eine Diode direkt parallel zum elektronischen Schalter und ein Entladenetzwerk für den Abschaltkondensator, bestehend aus einem Hilfsthyristor, Induktivitäten und einem Kondensator parallel zur Freilaufdiode angeordnet.Another known solution is set out in DD-WP 214733. In this circuit arrangement, a turn-off capacitor and a diode are arranged directly parallel to the electronic switch and a discharge network for the turn-off capacitor, consisting of an auxiliary thyristor, inductors and a capacitor in parallel with the freewheeling diode.

Während des Einschaltvorganges übernimmt der Thyristor das Ausschalten der Freilaufdiode und die Entladung des Abschaltkondensators, so daß der elektronische Schalter verlustfrei einschalten kann. Nachteilig an dieser Anordnung ist erstens, daß sich die Dimensionierung der L- und C-Elemente des Entladenetzwerkes nach der Freiwerdezeit des ThyristorsDuring the switch-on process, the thyristor takes over the turn-off of the freewheeling diode and the discharge of Abschaltkondensators so that the electronic switch can turn on lossless. A disadvantage of this arrangement is, first, that the dimensioning of the L and C elements of the discharge after the recovery time of the thyristor

richtet und deshalb diese Elemente, insbesondere die Induktivität, relativ große Werte annehmen. Zweitens wird die Funktionsweise der Schaltung von Schwankungen der Zwischenkreisspannung beeinflußt, so daß mit ausreichender Sicherheit ausgelegt werden muß, was zu einer Verlängerung der minimalen Einschaltdauer des elektronischen Schalters führt, und drittens führt ein durch Überstrom bedingtes vorzeitiges Ausschalten des elektronischen Schalters im Zeitbereich, in dem der Thyristor noch nicht wieder blockierfähig ist, zu einem Wiederzünden des Thyristors. In diesem Fall kommt es in der Schaltungsvariante nach Fig.2 des WP 214733 zu einer hohen Spannungsbelastung des elektronischen Schalters oder in der Schaltungsvariante nach Fig.3 des gleichen Patents zu einem unzulässig hohen Stromanstieg des Laststromes.and therefore these elements, in particular the inductance, assume relatively large values. Second, the operation of the circuit is affected by DC link voltage variations, so that it must be designed with sufficient safety, resulting in an increase in the minimum on-time of the electronic switch, and thirdly, an overcurrent premature switch-off of the electronic switch results in the time domain in which the thyristor is not yet able to block again, to a reignition of the thyristor. In this case, in the circuit variant according to FIG. 2 of WP 214733, a high voltage load of the electronic switch or in the circuit variant according to FIG. 3 of the same patent an unacceptably high current increase of the load current occurs.

Object of the invention

Durch die Erfindung soll eine derartige Schaltungsanordnung zur Schaltverlustentlastung von elektronischen Schaltern eine höhere Funktionssicherheit erhalten und der Aufwand für Beschaltungselemente gesenkt werden.The invention provides such a circuit arrangement for switching loss relief of electronic switches to obtain a higher reliability and the cost of wiring elements are reduced.

Explanation of the essence of the invention

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung eines steuerbaren elektronischen Schalters, der gemeinsam mit einer Freilaufdiode zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle angeordnet ist, welche einen die Anstiegsgeschwindigkeit der Blockierspannung begrenzenden Abschaltkondensator und eine antiparallel gepolte Diode, die direkt parallel zum elektronischen Schalter liegen, sowie ein Entladenetzwerk für den Abschaltkondensator aufweist, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das Entladenetzwerk so anzuordnen, daß die darin enthaltene Induktivität ein geringes Bauvolumen und eine geringe Masse aufweist, daß die Zuverlässigkeit der Schaltung erhöht wird und daß im Störungsfall oder auch Kurzschlußfall keine unzulässige Bauelementebelastung auftritt.Starting from a circuit arrangement for switching loss reduction of a controllable electronic switch, which is arranged together with a freewheeling diode between the poles of a DC voltage source having a blocking rate of the blocking voltage limiting Abschaltkondensator and an antiparallel polarized diode, which are directly parallel to the electronic switch, and a Entladenetzwerk for has the shutdown capacitor, the object of the invention is to arrange the Entladenetzwerk so that the inductance contained therein has a low volume and a low mass, that the reliability of the circuit is increased and that in case of failure or short circuit no undue component loading occurs.

Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung dadurch, daß das Entladenetzwerk parallel zum elektronischen Schalter einen Entladestromkreis für den Abschaltkondensator bildet. Zweckmäßigerweise besteht das Entladenetzwerk aus einer Reihenschaltung von Thyristor, Kondensator und Induktivität und einem parallel zu diesem Kondensator angeordneten Widerstand sowie einem Freilaufkreis für die Induktivität. Dieser Freilaufkreis kann aus einem parallel zur Induktivität angeordneten Widerstand oder einer parallel zum Thyristor angeordneten Reihenschaltung von einem Kondensator mit einem Widerstand bestehen. Zur Auskopplung und anderweitigen Nutzung der im Abschaltkondensator anfallenden Energie ist es vorteilhaft, die Induktivität als Primärwicklung eines Transformators auszubilden, dessen Sekundärwicklung über eine Diode mit einem Gleichspannungsverbraucher verbunden ist.The object of the invention is achieved in that the discharge network forms a discharge circuit parallel to the electronic switch for the shutdown capacitor. Conveniently, the Entladenetzwerk consists of a series circuit of thyristor, capacitor and inductor and a resistor arranged parallel to this capacitor and a freewheeling circuit for the inductance. This freewheeling circuit may consist of a resistor arranged in parallel with the inductance or a series arrangement of a capacitor with a resistor arranged parallel to the thyristor. For decoupling and other use of the costs incurred in the shutdown capacitor energy, it is advantageous to form the inductance as a primary winding of a transformer whose secondary winding is connected via a diode to a DC consumer.

Zur Bedämpfung von durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten entstehenden Schwingungen ist es günstig, daß in Reihe zum Abschaltkondensator mindestens eine Bedämpfungsschaltung angeordnet ist.To dampen parasitic inductances and capacitances resulting oscillations, it is favorable that in series with the turn-off capacitor at least one damping circuit is arranged.

Im einfachsten Fall genügt dafür ein Widerstand. Es ist aber auch möglich, dafür eine Parallelschaltung von Widerstand und Diode oder eine Parallelschaltung des Widerstandes mit einer Reihenschaltung von einer Diode mit einem Widerstand einzusetzen. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird erreicht, daß die erforderlichen Beschaltungsinduktivitäten klein bleiben, im Störungs- oder Kurzschlußfall ohne unzulässige Bauelementebeanspruchung die Lastspannung zu Null und damit die Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung erhöht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Zusammenschalten von zwei Grundanordnungen von elektronischem Schalter und Freilaufdiode zu einem rückspeisefähigen Pulssteller oder einer Phase eines Spannungswechselrichters keine zusätzlichen Maßnahmen zur funktionellen Entkopplung der beiden Grundanordnungen notwendig sind.In the simplest case, a resistance is sufficient. But it is also possible to use a parallel circuit of resistor and diode or a parallel connection of the resistor with a series circuit of a diode with a resistor. The circuit arrangement according to the invention ensures that the required Beschussinduktivitäten remain small, the load voltage to zero and thus the reliability of the circuit arrangement is increased in case of failure or short circuit without undue component stress. Another advantage is that no additional measures for the functional decoupling of the two basic arrangements are necessary when connecting two basic arrangements of electronic switch and freewheeling diode to a regenerative pulse controller or a phase of a voltage inverter.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die minimale Ausschaltzeit, d. h. die Zeit zwischen zwei Einschaltvorgängen, extrem klein gemacht werden kann, wodurch z. B. beim Pulssteller ein gleichmäßiges Anliegen der Spannung ohne Pausen erreicht wird.An additional advantage is that the minimum turn-off time, i. H. the time between two switch-on, can be made extremely small, causing z. B. the pulse controller a uniform concern of the voltage is achieved without pauses.

embodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.The invention will be explained below using an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt auf eine günstige Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The accompanying drawing shows a favorable variant of the circuit arrangement according to the invention.

An einer Spannung U_z, welche die Zwischenkreisspannung eines Spannungswechselrichters sein kann, ist ein Transistor S als elektronischer Schalter und eine Diode D1 als Freilaufdiode für eine an den Ausgangsklemmen A und B der Schaltung anschließbare nicht näher dargestellte ohmsch-induktive Last angeordnet.At a voltage U _z , which may be the intermediate circuit voltage of a voltage inverter, a transistor S as an electronic switch and a diode D1 is arranged as a freewheeling diode for a connectable to the output terminals A and B of the circuit not shown ohmic inductive load.

Parallel zum elektronischen Schalter befindet sich eine Diode D₂, eine Reihenschaltung aus einem Abschaltkondensator C₃ und einem Bedämpfungswiderstand R, und das Entladenetzwerk bestehend aus einer Reihenschaltung von einer Induktivität L, einem Kondensator C und einem Thyristor T. Zur Induktivität L und zum Kondensator C sind jeweils die Widerstände R₂ und R₃ parallel geschaltet. Die Funktionsweise der Schaltung wird nachfolgend beschrieben. Als Ausgangszustand der Schaltung wird davon ausgegangen, daß der Transistor S und der Thyristor T sich im gesperrten Schaltzustand befinden und die Freilaufdiode D1 vom vorhergehenden Schaltzyklus noch Strom führt.Parallel to the electronic switch is a diode D ₂ , a series circuit of a shutdown capacitor C ₃ and a damping resistor R, and the Entladenetzwerk consisting of a series circuit of an inductor L, a capacitor C and a thyristor T. To the inductance L and the capacitor C. each of the resistors R ₂ and R _{3 are} connected in parallel. The operation of the circuit will be described below. As the initial state of the circuit, it is assumed that the transistor S and the thyristor T are in the locked switching state and the freewheeling diode D1 still carries current from the previous switching cycle.

Dabei ist der Abschaltkondensator C₃ auf den Wert der Spannung U_z aufgeladen und der Kondensator C ist vollständig entladen.In this case, the turn-off capacitor C _{3 is} charged to the value of the voltage U _z and the capacitor C is completely discharged.

Zum Einschalten des Transistor S wird zunächst der Thyristor T gezündet. Der Strom durch das Entladenetzwerk steigt an bis zur Höhe des Laststromes und der Rückstromspritze der Freilaufdiode D1. Die Induktivität L begrenzt den Stromanstieg durch den Thyristor. Der Kondensator C ist so ausgelegt, daß dabei dessen Spannung auf etwa 30 V ansteigt. Nach dem Rückstromabriß in der Freilaufdiode D1 beginnt sich der Abschaltkondensator C_a über die Induktivität L, den Kondensator C, den Thyristor T und den Widerstand R₁ zu entladen.To turn on the transistor S, the thyristor T is first ignited. The current through the discharge network increases up to the level of the load current and the backflow syringe of the freewheeling diode D1. The inductance L limits the current increase through the thyristor. The capacitor C is designed so that its voltage increases to about 30 V. After the Rückstromabriß in the freewheeling diode D1, the turn-off capacitor C _a via the inductance L, the capacitor C, the thyristor T and the resistor R ₁ begins to discharge.

Im Verlauf dieses gedämpften Schwingungsvorganges erreicht die Spannung am Transistor S den Wert Null, und die Diode D2 beginnt zu leiten. Der Transistor S kann nun verlustfrei eingeschaltet werden.In the course of this damped oscillation process, the voltage at the transistor S reaches zero, and the diode D2 starts to conduct. The transistor S can now be turned on without loss.

Der auf einen relativ geringen Spannungswert aufgeladene Kondensator C schwingt bei leitendem Transistor S über die Induktivität L, den Transistor S und den Thyristor T um, bis der durch den ThyristorTsich einstellende Rückstrom abreißt und derThe charged to a relatively low voltage value capacitor C oscillates when the transistor S via the inductance L, the transistor S and the thyristor T until the adjusting by the thyristor Tsich reverse current and the

ThyristorT verlöscht. Im Anschluß daran erhält derThyristorTSperrspannung, da sich der Kondensator C über den Widerstand R₃ entlädt und der Strom durch die Induktivität L durch den Widerstand R₂ bis zu Null weiterfließen kann.ThyristorT goes out. Thereafter, the thyristor receives reverse voltage as the capacitor C discharges through the resistor R ₃ and the current through the inductor L can continue to flow through the resistor R ₂ to zero.

Die Zeitkonstante CR3 muß deshalb auf die Freiwerdezeit des Thyristors T abgestimmt sein. Die Freiwerdezeit des Thyristors T bestimmt auch die minimale Einschaltzeit des elektronischen Schalters.The time constant CR3 must therefore be matched to the recovery time of the thyristor T. The recovery time of the thyristor T also determines the minimum on-time of the electronic switch.

Das Entladenetzwerk wird strommäßig sehr gering belastet, da hier nur für einige Mikrosekunden Strom fließt.The discharge network is charged very low current, since current flows only for a few microseconds.

Schaltet sich der Transistor S z. B. bei Kurzschluß über die Last ab, bevor der Thyristor T wieder blockierfähig ist, so fließt der gesamte Laststrom durch das Entladenetzwerk weiter, wodurch der Kondensator C auf den Spannungswert U₂ aufgeladen wird und die Ausgangsspannung an den Klemmen A und B gegen Null geht.Does the transistor S z. B. on short circuit on the load before the thyristor T is again blocked, the entire load current flows through the discharge further, whereby the capacitor C is charged to the voltage value U ₂ and the output voltage at the terminals A and B goes to zero ,

Ein unzulässig hoher Kurzschlußstrom kann sich demzufolge nicht ausbilden. Da in dem Widerstand Rain diesem Fall eine erhebliche Verlustleistung umgesetzt wird, ist es möglich, z. B. dessen Temperatur zu erfassen, um die gesamte Anlage abzuschalten.An impermissibly high short-circuit current can not be formed accordingly. Since in the resistor Rain this case, a significant power loss is implemented, it is possible, for. B. to detect its temperature to turn off the entire system.

Es ist aber auch denkbar, den Strom durch den Widerstand R₃ mittels einer in Reihe geschalteten Sicherung zu unterbrechen.But it is also conceivable to interrupt the current through the resistor R ₃ by means of a series fuse.

Führt der Transistor S im Normalbetrieb den Laststrom, so fließt dieser, wenn der Transistor ausschaltet, über den Abschaltkondensator C_a und den Widerstand Ri weiter bis die Freilaufdiode D1 den Laststrom übernimmt.If, during normal operation, the transistor S carries the load current, then when the transistor switches off, the latter flows via the switch-off capacitor C _a and the resistor Ri until the freewheeling diode D1 takes over the load current.

Claims

Invention claim:

Has a circuit arrangement for switching loss reduction of a controllable electronic switch which is connected together with a freewheeling diode between the poles of a DC voltage source and a slew rate of the blocking voltage limiting turn-off capacitor and an antiparallel polarized diode directly parallel to the electronic switch and a Entladenetzwerk, characterized in that the Entladenetzwerk parallel to the electronic switch forms a discharge circuit for the shutdown capacitor.

2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the Entladenetzwerk consists of a series connection of thyristor, capacitor and inductance and parallel to the capacitor, a resistor and a freewheeling circuit for the inductance consisting of a parallel resistor to the inductance or from a series circuit of capacitor and resistor in parallel is arranged to the thyristor.

3. Circuit arrangement according to item 2, characterized in that the inductance is designed as a primary winding of a transformer whose secondary winding is connected via a diode with a DC voltage consumer.

4. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that a damping circuit is arranged in the discharge circuit in series with the turn-off capacitor.

5. Circuit arrangement according to item 4, characterized in that the damping circuit is a resistor.

6. Circuit arrangement according to item 4, characterized in that the damping circuit is a parallel circuit of resistor and diode.

7. Circuit arrangement according to item 4, characterized in that a parallel circuit of a resistor with a series circuit of diode and resistor is used as a damping circuit.