DD288944A5 - Verlustarmes entlastungsnetzwerk fuer transistorwechselrichter mit wechselrichterfrequenzen von etwa 20 khz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verlustarmes Entlastungsnetzwerk fuer Transistorwechselrichter mit Wechselrichterfrequenzen von etwa 20 kHz. Erfindungsgemaesz besteht die Induktivitaet des Entlastungsnetzwerkes aus der Reihenschaltung einer nichtsaettigbaren linearen Induktivitaet von etwa 50-100 Mikrohenry und einer saettigbaren nichtlinearen Induktivitaet mit einer Anfangsinduktivitaet von etwa 300-700 Mikrohenry, die bei einem Strom von etwa 0,5 bis 1 Ampere in den gesaettigten Zustand uebergeht, bei dem der Induktivitaetswert etwa noch ein Zehntel betraegt. Mit der erfindungsgemaeszen Loesung gelingt es, bei vergroeszertem Anwendungsbereich und gesenktem schaltungstechnischem Aufwand die hohe Verlustleistung in den Entlastungsnetzwerken ueblicher Transistorwechselrichter auf nahezu Null zu senken. In besonders vorteilhafter Weise werden durch Anwendung der erfindungsgemaeszen Loesung nicht nur die Verluste im Entlastungsnetzwerk selbst verringert, sondern auch das Ausschaltverhalten der Wechselrichtertransistoren erheblich verbessert. Die erfindungsgemaesz eingesetzten Induktivitaeten sind mit geringem Aufwand und bei geringem Bauelementevolumen fertigbar.{Entlastungsnetzwerk; Transistorwechselrichter; Induktivitaet, linear; Induktivitaet, nichtlinear; Verlustleistung}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein verlustarmes Entlastungsnetzwerk für Transistorwechselrichter mit Wechselrichterfrequenzen von etwa 2OkHi:, die zur Speisung elsktrotechnologischer Prozesse unter stark wechselnden Lastbedingungen eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Transistorwechselrichter werden in vielfältiger Welse zur Speisung elektrotechnologischer Prozesse eingesetzt. Der Betrieb eines derartigen Wechselrichters am gleichgerichteten 380-V-Drehstromnetz erfordert zulässige Kollektor-Emltter-Spannungen der Transistoren von 1000-1200V bei abschaltbaren Strömen von einigen 10A bis etwa 100A. Die Schaltfrequenz des Transistorwechselrichters beträgt üblicherweise 20 bis 3OkHz. Zur Begrenzung der dabei auftretenden Schaltverlustleistung auf zulässige Werte ist eine Reduzierung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten bzw. der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Ausschalten der Transistoren unbedingt erforderlich.

Eine einfache, allgemein bekannte Lösung besteht im Einsatz verlustbehafteter Entlastungsnetzwerke. Offenkundiger Nachteil derartiger Anordnungen ist die Verlagerung der Verlustleistung aus dem zu schützenden Halbleiterbauelement in die Widerstände der Entlastungsnetzwerke. Der Wirkungsgrad des Gesamtgerätes ist gering, der Aufwand zur Abführung der Verlustleistung ist hoch. In jedem Falle ist die höchste erreichbare Wechselrichterfrequenz vermindert. Mit Entlastungsnetzwerken, die keine ohmschen Widerstände enthalten, werden wesentlich günstigere Ergebnisse erzielt. Durch eine geeignete Struktur dieser Schaltungen wird die beim Ein- und Ausschalten der Transistoren auftretende Energie in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist- d. h., es treten keine Energieverluste durch die ungewollte Umwandlung in Wärme auf. Derartige zumeist dreipolige Netzwerke werden zum Beispiel in den DE-OSen 2639589 und 2641183 sowie in der Dissertation Knoell, H.: „Transistoren als schnelle Schalter in Gleichstromstellern hoher Leistung", Universität Stuttgart, 1981 beschrieben. Als wesentlichen 3estandteil enthalten diese auch verlustfrei oder verlustarm genannten Entlastungsnetzwerke mindestens einen Reihenschwingkreis, der aus einem Kondensator C und einer Induktivität L besteht. Um ein Umladen in einer Stromflußrichtung zu gewährleisten, ohne dsß eine Entladung in der anderen Richtung möglich ist, enthält der Umladekreis neben dem beschriebenen Reihenschwingkreis auch eine in Reihe geschaltete Diode. Unter der Annahme, daß diese Diode ideales Schaltverhalten aufweist, treten die vorteilhaften Wirkungen der Schaltentlastung auf. Dieses ideale Schaltverhalten ist bei den gebräuchlichen Diodentypen, auch bei solchen, die vom Hersteller ausdrücklich als für höhere Frequenzen geeignet ausgewiesen werden, nicht vorhanden.

Untersuchungen mit verechiedensten Diodentypen zeigten, daß aufgrund der Sperrverzugsladung der Diode der Umladestrom des Reihenschwingkreises nicht nach einer halben Periode, d. h. nach dem Stromnulldurchgang, den Wert Null annimmt, sondern solange weiterfließt, bis die Sperrverzugsladung abgebaut ist. Diese Zeit kann im ungünstigsten Fall mehrere Mikrosekunden betragen. Nach dem Erreichen der Rückstromspitze steigt die Spannung über der Diode von nahezu Null auf den Wert der Sperrspannung, in der Regel der negativen Zwischenkreisspannung an, während der Rückstrom nur relativ langsam abnimmt. Infolgedessen tritt an tücaom Ventil eine hohe Verlustleistung auf. Versuche ergaben, daß die Diode mit einem großen Kühlkörper versehen bzw. erheblich überdimensioniert werden muß. Der Aufwand für die Schaltentlastung wächst dadurch erheblich und ihre Wirksamkeit wird in Frage gestellt. Als weiterer Nachteil derartiger Entlastungsnetzwerke tritt in der Phase des Rückstromes der Diode eine Entladung des Kondensators C auf, wodurch beim Ausschalten eines Transistors des Wechselrichters seine Kollektor-Emitter-Spannung Uce sprunghaft auf einen Wert ansteigt, der der Differenz von Zwischenkreisspannung und Kondensatorspannung entspricht. Damit ist die Wirksamkeit des Entlastungsnetzwerkes eingeschränkt und es treten erhöhte Schaltverluste am Transistor auf.

Die beschriebenen Nachteile von Entlastungsnetzwerken, dlo eine Reihenschaltung einer Induktivität, einer Kapazität und einer Diode enthalten, gelangen um so stärker zur Geltung, je größer die Frequenz des Umschwingkreises und die Steilheit des abkommutlerenden Stromes ist. Eine Verringerung der Eigenfrequenz beispielsweise durch Vergrößerung der Induktivität L Ist bei möglichst hoher Arbeitsfrequenz des Wechselrichters nur In engen Grenzen möglich, well der Unischwingvorgang bei der kleinsten möglichen Einschaltdauer der Transistoren tonmln abgeschlossen sein muß. Die Zelt tonmln liegt In der Größenordnung von einigen Mikrosekunden.

Die Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen also indereingeschränkten Anwendbarkeit für Wechselrichter mit hoher Arbeitsfrequenz, einem hohen Aufwand an Bauelementen undzu hohen Verlusten beim Einsatz üblicher Bauelemente mit nichtidealen elektrischen Eigenschaften.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ea, ein verlustarmes Entlastungsnetzwerk für Transistorwechselrichter mit Wechsitlrichterfrequenzen von etwa 20kHzzu schaffen, das bei vergrößertem Anwendungsbereich geringere Verlustleistung mit gesenktem schaltungstechnischem Aufwand gewährleistet.

Darlegung des Webens der Erfindung

Es besteht die Aufgabe, ein verlustarmes Entlastungsnetzwerk für Transistorwechselrichter mit Wechselrichterfrequenzen von etwa 2OkHz zu entwickeln, das mit wenigen einfachen Bauelementen ein sicheres Arbeiten der Transistorwechselrichter mit hohen Arbeitsfrequenzen bei schnell veränderlichen Belastungen gestattet. Die Schaltverlustleistung in den Transistoren und den Elementen der Entlastungsnetzwerkes soll gering sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Induktivität des Entlastungsnetzwerkes aus der Reihenschaltung einer nichtsättlgbaren linearen Induktivität mit einem Induktivitätswert von etwa 50 bis 100 Mikrohenry und olner sättigbaren nichtlinearen Induktivität, die eine Anfangsinduktivität von etwa 300 bis 700 Mikrohenry besitzt und die bei ei nem Strom von etwa 0,5 bis 1 Ampere in den gesättigten Zustand übergeht, bei dem der Induktivitätswert etwa 30 bis 70 Mikrohenry beträgt, besteht.

Dabei bestimmt die lineare nichtsättigbare Induktivität im wesentlichen die Amplitude des Umschwingstromes und die Eigenfrequenz des Umschwingkreises bzw. die Periodendauer des Umschwingvorganges.

Die nichtlineare sättigbare Induktivität Ist der Sperrerholzeit der In Reihe gescheiteten Dioden des Entlastungsnetzwerkes angepaßt und bewirkt einen sehr langsamen Stromanstieg bis zu ihrer Sättigung. Ebenso nimmt der Strom nach dem Umschwingen sehr langsam ab. Wegen der außerordentlich geringen Stromänderungsgeschwindigkeit ist der Sperrstrom der Diode des Entlastungsnetzwerkes gering. Seine Dauer ist unkritisch, da der Umladevorgang bereits abgeschlossen ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, die bei der Verwendung nur einer linearen Induktivität während der Sperrverzugszelt der Seriendiode auftretende hohe Verlustleistung auf nahezu Null zu senken. Dadurch ist es möglich, anstelle einer relativ teuren, auf einen Kühlkörper montierten Diode wesentlich kleinere und billigere Dioden einzusetzen. Es können sogar solche Dioden verwendet werden, die ein schlechteres Ausschaltverhalten, d. h., eine größere Sperrverzugsladung besitzen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird weiterhin der Strom in Sperrichtung der Diode während ihres Ausschaltens wesentlich verringert- damit erfolgt keine Entladung des Kommutierungskondensators. Beim Ausschalten des Transistors in einem Wechselrichterzwoig sind folglich Zwischenkreisspannung und Kondensatorspannung gleich, so daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors von Null beginnend linear ansteigt.

In besonders vorteilhafter Weise werden so durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur die Verluste im Entlastungsnetzwerkselbst verringert, sondernzusätzlich auch das Ausschaltverhalten derWechselrichtertransistoren erheblich verbessert. Dio erfindungsgemäß eingesetzten Induktivitäten sind mit geringem Aufwand und bei geringem Bauelementevolumen fertigbar.

Ausführungsbelsptel

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1: eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen verlustarmen Entlastungsnetzwerkes in einem

Transistorwechselrichter

Fig. 2: charakteristische Verläufe von Strömen, Spannungen und Leistung in einem sogenannten verlustarmen

Entlastungsnetzwerk entsprechend des Standes der Technik, Fig. 3: charakteristische Verläufe von Strömen, Spannungen und Leistung bei Anwendung des erfindungsgemäßen

verlustarmen Entlastungsnetzwerkes in einem Transistorwechselrichter und Fig.4: die konstruktive Ausführung und die Stromabhängigkeit der einzelnen erfindungsgemäß angeordneten Induktivitätensowie ihrer Reihenschaltung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung im wesentlichen aus einer Gleichspannungsquelle 1, die mit zwei gleichgroßen Kondensatoren 2 und 3 sowie den Wechselrichterzweigen 4 und 5 verbunden ist. Jeder Wechselrichterzweig besteht aus einer Reihenschaltung eines Transistors 6 und einer Diode 7. An den Verbindungspunkt des Transistors 6 mit der Diode 7 ist eine Last 8 sowie ein dreipoliges verlustarmes Entlastungsnetzwerk 9 angeschlossen. Das dreipolige verlustarme Entlastungsnetzwerk 9 besteht aus einem Kondensator 10, einer Diode 11 und einem Umschwingkreis aus der Reihenschaltung

einer Diode 12, einer linearen nichtsättigbaren Induktivität 13 und einer nichtlinearen sättigbaren Induktivität 14, die am Verbindungspunkt 16 sternförmig verknüpft sind. Weiterhin sind der Kondensator 10 mit seinem zweiten Anschluß mit dem Verbindungspunkt von Transistor 6 und Diode 7 des Wechäelrlchterzwelges 4, die Diode 11 mit dem negativen Pol der Spannungequelle 1 und der Umschwlngkrels durch den zweiten Anschluß seiner Reihenschaltung mit dem Mittenpotential zwischen den Kondensatoren 2 und 3 verbunden

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Gemäß Flg.2 erfolgt nach Einschalten des Transistors 6 des Wechselrlchterzwel&es 4 zum Zeitpunkt tO eine Aufladung des Kondensators 10 von der Spannung Null beginnend auf die doppelte Spannung des Kondensators 2 zum Zeitpunkt t3, also auf die Spannung E (Signalverlauf D). Der Aufladestrom Ist sinusförmig und geht zum Zeitpunkt t3 durch Null. Anschließend flic ßt der Strom - bedingt durch die nichtidealen Eigenschaften der Diode 12 - in entgegengesetzter Richtung bis zum Zeitpunkt t4 weiter. Die Spannung über der Diode 12 erreicht nach dem Zeitpunkt t4 in wenigen Mlkrosekunden den Wert - E/2 (Signalverlauf E). Das Produkt Iv · uv ergibt den zeitlichen Verlauf der Verlustleistung, die in diesem Falle beträchtliche Werte erreicht (Signalverlauf C). Darüber hinaus entlädt sich der Kondensator 10, beginnend vom Stromnulldurchgang zum Zeitpunkt t3. Dadurch ist beim Ausschalten des Transistors β zum Zeitpunkt 15 die Summe der Spannungen in der von Kondensator 10, Transistor 6, Diode 11 und Spannungsquelle 1 gebildeten Masche ungleich Null und die Spannung am Transistor β ändert sich sprunghaft, wodurch Schaltverluste am Transistor 6 entstehen. Die Signalverläufe gem. Fig. 2 zeigen deutlich die nachteiligen Wirkungen der bisher bekannten technischen Lösungen, die schließlich zu einer Verringerung der Arbeitsfrequenz des Transistorwechselrichters oder zu seiner Überdimensionierung, verbunden mit erhöhtem Aufwand und einer Verringerung des Wirkungsgrades der Stromquelle, führen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich die vorteilhaften Signalverläufe gem. Fig. 3. Der Umschwlngstrom durch dan Kondensator 10, die Induktivitäten 13 und 14 und die Diode 12 steigt zunächst bis zur Sättigung der nichtlinearen sättigbaren Induktivität 14 bis zum Zeitpunkt ti langsam an. Wie Signalverlauf E zeigt, wird dadurch der Verlauf des Kollektorstromes im Moment des Einschaltens des Transistors 6 nicht ungünstig beeinflußt. Der eigentliche Umschwingvorgang erfolgt in der Zeit bis t2, bestimmt durch die lineare nichtsättigbare Induktivität 13 und den Kondensator 10. Erreicht der Strom kleine Werte, so wirkt wieder die Reihenschaltung der Induktivitäten 13 und 14 und der Strom nimmt langsam ab und erreicht zum Zeitpunkt t3 den Wert Null (Signalverlauf A). Die Stromamplitude in negativer Richtung ist äußerst gering, so daß praktisch nur vernachlässigbare Verluste (Signalverlauf C) an der Diode 12 und keine Entladung des Kondensators 10 (Signalverlauf E) auftreten. So kann sich auch die Spannung am Transistor 6 beim Ausschalten nicht sprunghaft ändern. Gemäß Flg.4 lassen sich din Induktivitäten 13 und 14 in besonders vorteilhafterweise und mit geringem Aufwand fertigen. Die nichtsättigbare lineare Induktivität 13 ist beispielsweise günstig mit einem Ferrit-Rohrkern und die nicht'neare sättigbare Induktivität 14 mit einem Ferrit-Ringkern herzustellen. Die Induktivitäten 13 und 14 besitzen die ebenfalls in Fig.4 dargestellten Stromabhängigkeiten. Eine Dimensionierung im Bereich von Induktivitätswerten von 70 bis 80 Mikrohemy für die nichtsättigbare lineare Induktivität 13 und von 400 bis 500 Mikrohenry als Anfangsinduktivität bzw. 40 bis 50 Mikrohenry als Sättigungsinduktivität für die nichtlineare sättigbare Induktivität 14 führt zu einer besonders vorteilhaften Wirkung des erfindungsgemäßen Entlastungsnetzwerkes.

Es sind auch andere als die o. a. Kernformen zur Herstellung der Induktivitäten 13 und 14 denkbar - ebenso die gleichfalls sehr vorteilhaft denkbare Fertigung als ein Bauelement mit einer stromabhängigen Gesamtinduktivität. Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich weiterhin auch vorteilhaft in anderen als dem angegebenen verlustarmen Entlastungsnetzwerk anwenden, sofern diese eine Reihenschaltung eines Reihenschwingkreises mit einer Diode mit nichtidealen Eigenschaften enthalten.

Claims (3)

1. Verlustarmes Entlastungsnetzwerk für Transistorwechselrichter mit Wechselrichterfrequenzen von etwa 2OkHz, gekennzeichnet dadurch, daß die Induktivität des Entlastungsnetzwerkes aus der Reihenschaltung einer nichtsättigbaren linearen Induktivität (13) mit einem Induktivitätswert von etwa 50 bis 100 Mikrohenry und einer sättigbaren nichtlinearen Induktivität (14), die eine Anfangsinduktivität von etwa 300 bi3 700 Mikrohenry besitzt und die bei einem Strom von etwa 0,5 bis 1 Ampere in den gesättigten Zustand übergeht, bei dem der Induktivitätswert etwa 30 bis 70 Mikrohonry beträgt, besteht.

2. Verlustarmes Entlastungsnetzwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die nichtsättigbare lineare Induktivität (13) einen Induktivitätswert von 70 bis 80 Mikrohenry und die sättigbare nichtlineare Induktivität (14) einen Anfangsinduktivitätswert von 400 bis 500 Mikrohenry besitzen, wobei der Induktivitätswert der sättigbaren nichtlinearon Induktivität (14) im gesättigten Zustand 40 bis 50 Mikrohenry beträgt.

3. Verlustarmes Entlastungsnetzwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die nichtsättigbare lineare Induktivität (13) und die sättigbare nichtlineare Induktivität (14) in einem Bauelement vereinigt sind.