DE10045093A1 - Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterschalters und Verfahren zur Bereitstellung der Ansteuerenergie für einen Leistungshalbleiterschalter - Google Patents

Abstract

Zur Verlustleistungsminimierung für die Energieversorgung einer Ansteuerschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter T wird elektrisch parallel zu einem Kondensator C1 ein Schaltnetzteil SNT oder ein anderes schaltendes Transformationsmittel angeschlossen, das ausgangsseitig elektrisch mit einem Speisespannungskondensator C¶S¶ verbunden ist und die Eingangsenergie auf das Spannungsniveau von C¶S¶ transformiert. Damit wird erreicht, dass die Last R¶L¶ (Ansteuerschaltung) ausreichend versorgt wird und durch den Symmetrierungswiderstand R¶S¶ eines Leistungshalbleiterschalters T nur der ohnehin erforderliche Symmetrierstrom I1 fließt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung eines Leistungs­ halbleiterschalters mit einer diesem elektrisch parallel ge­ schalteten Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem ersten Kondensator, welcher über den Widerstand aufladbar ist, und mit einer Parallelschaltung aus einem zweiten Kon­ densator und einem Leistungsverbraucher.

Leistungshalbleiter bieten die Möglichkeit, rohe elektrische Energie (z. B. im kW- oder MW-Bereich) mittels einer geringen Steuerenergie von wenigen Watt zu schalten. Dabei kommt der Bereitstellung der Ansteuerenergie für Leistungshalbleiter in Anwendungen mit hoher Spannung große Bedeutung zu.

Diese Steuerenergie muss auf dem Emitter- oder Source-Poten­ tial des Leistungshalbleiters zur Verfügung gestellt werden. Nach dem bekannten Stand der Technik sind als Lösungen zur Bereitstellung dieser Energie auf dem adäquaten Potential folgende Prinzipien bekannt:
Eine kostengünstige Lösung besteht in der Übertragung durch einen Transformator. Die Wechselspannung für den Transforma­ tor wird durch ein Schaltnetzteil beispielsweise aus der Zwi­ schenkreisspannung eines Umrichters für Stromrichterantriebe oder aus einer Hilfsspannung erzeugt. Diese herkömmliche Lö­ sung eignet sich jedoch nur für eine Übertragung über ver­ hältnismäßig geringe Spannungslevel, da sonst der benötigte Transformator sehr teuer wird. Oberhalb von 40 k Volt ist das Problem von Teilentladungen praktisch kaum zu beherrschen.

Eine andere bekannte Speisespannungsschaltung bedient sich der optischen Übertragung mittels einer Laserdiode und einem Energiekonverter: Diese Lösung ist sehr kostenintensiv und besitzt darüber hinaus Probleme im Hinblick auf die Lebens­ dauer einer solchen Speisespannungsschaltung. Auch ist die übertragbare Leistung auf einen Bereich unter 200 mW begrenzt.

Eine weitere bekannte Speisespannungsschaltung bedient sich daher des folgenden Prinzips einer Auskopplung aus der Be­ schaltung des Leistungshalbleiters. Eine solche Schaltungsan­ ordnung ist beispielsweise aus dem Konferenzbericht "Novel Gate Power Supply Circuit Using Snubber Capacitor Energy for Series-Connected GTO Valves", abgedruckt im Konferenzband EPE '97 Trondheim, Seiten 1.576 bis 1.581, bekannt.

Eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung eines Leistungshalbleiterschalters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der Fig. 7 näher darge­ stellt. Diese Speisespannungsschaltung für eine Ansteuer­ schaltung eines Leistungshalbleiterschalters, insbesondere eines abschaltbaren Thyristors T, weist eine Schutzbeschal­ tung in Form einer Ausschaltentlastung auf.

Gemäß dem obengenannten Konferenzbericht bilden ein Kondensa­ tor Cb und ein Widerstand Rb eine Reihenschaltung 4 und in Verbindung mit einer im Verknüpfungspunkt 6 der Reihenschal­ tung 4 anodenseitig elektrisch angeschlossenen Diode Db eine Schutzbeschaltung 10 des Leistungshalbleiterschalters T. Die Diode Db ist kathodenseitig über einen im folgenden näher erläuterten Überladeschutz 11 mit einer Parallelschaltung 2 aus einem Speisespannungskondensator C_S und einem elektri­ schen Verbraucher - hier in Form eines Lastwiderstandes R_L - elektrisch verbunden.

Am Speisespannungskondensator C_S fällt eine Speisespannung U_CS ab, die der Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterschal­ ters T zugeführt wird. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Ansteuerschaltung nicht näher dargestellt.

Die Schutzbeschaltung 10 hat die Aufgabe, den Spannungsan­ stieg auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. Durch den Kondensator Cb wird der Spannungsanstieg begrenzt. Beim Ein­ schalten des Leistungshalbleiterschalters T wird dieser Kon­ densator Cb über den Widerstand Rb entladen. Durch die erfor­ derliche Schutzbeschaltung 10 müssen bei jedem Schaltvorgang Verluste im Widerstand Rb hingenommen werden. Die dabei an­ fallende Verlustleistung ist proportional zur Schaltfrequenz des Leistungshalbleiterschalters T.

Der dabei auftretende Strom durch die Schutzbeschaltung 10 des Leistungshalbleiters T wird jedoch über den Speisespan­ nungskondensator C_S auf der Ansteuerbaugruppe (nicht gezeigt) geführt und lädt diesen auf.

Elektrisch parallel zum Speisespannungskondensator C_S ist ein Überladeschutz bzw. eine Spannungsbegrenzerschaltung 11 ge­ schaltet. Bei Überladung des Speisespannungskondensators C_S wird ein Schutzthyristor TY gezündet, der den Beschaltungs­ strom übernimmt. Der Thyristor ist mit einer gegenpoligen Diode D2 in einer weiteren Reihenschaltung 7 dem Speisespan­ nungskondensator C_S elektrisch parallel geschaltet, wobei der Verknüpfungspunkt 8 dieser Reihenschaltung 7 mit dem katho­ denseitigen Anschluss der Diode Db elektrisch verbunden ist. Der Steueranschluss des Thyristors TY ist über eine Zener­ diode Z mit dem kathodenseitigen Anschluss der Diode D2 elek­ trisch verbunden.

Diese Methode eignet sich für höchste Spannungsniveaus, da sie keine Potentialtrennung benötigt. Jedoch treten auch fol­ gende Nachteile dieser Lösung auf:

• - es muss eine Beschaltung, z. B. in Form der gezeigten Schutzbeschaltung 10, vorhanden sein.
• - diese Lösung funktioniert nicht bei Impulssperre, sondern nur im Pulsbetrieb des Leistungshalbleiterschalters T, da im Fall einer Impulssperre kein Stromfluss über die ent­ sprechende Beschaltung erfolgt und somit auch keine Aufladung des Speisespannungskondensators C_S.
• - es fließen große Ströme über die Ansteuerbaugruppe, den Speisespannungskondensator C_S und den Schutzthyristor TY, wodurch eine unerwünscht hohe Verlustleistung entsteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Speise­ spannungsschaltung zu schaffen, die ohne eine Beschaltung auskommt und bei der die Verlustleistung gegenüber dem be­ kannten Stand der Technik entscheidend minimiert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterschalters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch weitergebildet wird, dass ein schaltendes Transformationsmittel zur Trans­ formation der in dem ersten Kondensator gespeicherten Energie auf das erforderliche Spannungsniveau des zweiten Kondensa­ tors vorgesehen ist, welches eingangsseitig elektrisch mit dem ersten Kondensator verbunden ist, und das ausgangsseitig elektrisch mit der Parallelschaltung verbunden ist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn als Transformationsmittel ein Schaltnetzteil oder ein Schalt­ regler vorgesehen ist.

Für einen besonders stabilen Betrieb für den Fall, dass die Einspeisung mehr Energie liefert, als in der Ansteuerschal­ tung verbraucht wird, wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung elektrisch parallel zum ersten Kondensator eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung angeordnet.

Zur Vermeidung einer Entladung des Speisespannungskondensa­ tors wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schal­ tungsanordnung nach der Erfindung in der Reihenschaltung zusätzlich eine in Flussrichtung gepolte Diode vorgesehen, die vorzugsweise zwischen dem Widerstand und dem ersten Kondensa­ tor oder zwischen dem Knoten aus dem Widerstand mit der Span­ nungsbegrenzungsvorrichtung und dem ersten Kondensator ange­ ordnet ist.

Eine besonders vorteilhafte Spannungsbegrenzungsvorrichtung verfügt über Spannungserfassungsmittel, ein Vergleichsmittel zum Vergleich einer Messspannung mit einer Referenzspannung sowie ein Schaltmittel zum Entladen des Kondensators im Falle des Übersteigens der Referenzspannung durch die Messspannung.

Dies wird erfindungsgemäß besonders einfach und kostengünstig dadurch erreicht, dass ein dem ersten Kondensator elektrisch parallelgeschalteter Spannungsteiler zur Ermittlung der Mess­ spannung dient, womit der nichtinvertierende Eingang eines Komparators beaufschlagt wird, dessen invertierender Eingang die Referenzspannung führt, wobei der Ausgang des Komparators einen Halbleiterschalter ansteuert, welcher elektrisch in Reihe mit einem Widerstand dem ersten Kondensator elektrisch parallel geschaltet ist.

Um die Schaltfrequenz des Schaltmittels bzw. Halbleiterschal­ ters zu begrenzen, weist das Vergleichsmittel oder der Kompa­ rator nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung eine Hysterese auf.

Als besonders einfache und effektive Realisierung der Hyste­ rese hat es sich erwiesen, einen Teil der Ausgangsspannung des Vergleichsmittels oder Komparators auf die Referenzspan­ nung aufzuschalten.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schal­ tungsanordnung der Erfindung lässt sich ein besonders kompak­ ter Aufbau erreichen, indem die Spannungsversorgung des Ver­ gleichsmittels oder des Komparators aus der Spannung des zweiten Kondensators, des Speisespannungskondensators, er­ folgt.

Für eine besonders einfache Erzielung eines definierten Ein­ schaltzustands lässt sich der Ausgang des Komparators über einen Widerstand elektrisch mit dem leistungshalbleiterseiti­ gen Anschluss des ersten Kondensators verbinden.

Alternativ weist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung eine Zenerdiode als Messmittel auf, die ein Schaltmittel zum Ent­ laden des Speisespannungskondensators triggert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schal­ tungsanordnung der Erfindung lässt sich erreichen, dass auch ein Betrieb bei Impulssperre und gleichzeitig bei stark mini­ mierter Verlustleistung möglich wird, indem zwischen dem Leistungshalbleiterschalter und der Reihenschaltung eine Schutzbeschaltungsvorrichtung vorgesehen ist, insbesondere indem zwischen den Leistungshalbleiterschalter und die Rei­ henschaltung eine weitere Reihenschaltung mit einem dritten Kondensator und einem nachgeschalteten Widerstand elektrisch parallel geschaltet ist und ein die Verknüpfungspunkte der beiden Reihenschaltungen verbindenden Querzweig vorgesehen ist, der eine in Flussrichtung gepolte Diode aufweist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lässt sich eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern besonders effektiv mit einer je­ weils zugeordneten Schaltungsanordnung nach der Erfindung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung dieses Leis­ tungshalbleiterschalters betreiben, wenn jeder Leistungshalb­ leiterschalter jeweils einen parallelgeschalteten Widerstand aufweist und die elektrische Reihenschaltung dieser Wider­ stände zur statischen Symmetrierung der Sperrspannungen der Leistungshalbleiterschalter dient, indem jeder Symmetrie­ rungswiderstand zum Laden des jeweiligen ersten Kondensators der zugeordneten Schaltungsanordnung dient.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Schaltnetzteil oder der Schaltregler mit möglichst hoher Ein­ gangsspannung betrieben wird, wodurch der Eingangsstrom und damit verbunden die Verlustleistung minimiert wird.

Die Gesamtschaltung mit einer Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern mit je einer Schal­ tungsanordnung nach der Erfindung kann auch vorteilhafterwei­ se zur Übertragung von elektrischer Energie (HGÜ) dienen.

Weitere Vorteile und Details einer möglichen Ausführungsform der Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung eines Leistungshalbleiterschalters nach der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung ei­ nes vorteilhaften Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Schaltnetzteils,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zu­ sätzlicher Begrenzungsschaltung,

Fig. 4a eine mögliche Ausführung der Begrenzungsschaltung,

Fig. 4b eine alternative Ausführung einer Begrenzungsschal­ tung,

Fig. 4c eine geänderte Anordnung der Reihendiode,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Ver­ sorgung aus der Symmetrierung und einer zusätzli­ chen Beschaltung,

Fig. 6 ein Brückenzweig einer Stromrichterschaltung mit einer Reihenschaltzahl 'zwei' und

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur Energieauskopplung aus einem Beschaltungsnetzwerk nach dem Stand der Tech­ nik.

Nachdem die der Darstellung nach Fig. 7 zugrundeliegende Schaltungsanordnung zur Energieauskopplung aus einem Beschaltungsnetzwerk bereits eingangs als Stand der Technik gewür­ digt wurde, soll im folgenden eine erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung gegenübergestellt werden. Eine solche ist in der Darstellung nach Fig. 2 gezeigt.

Dabei ist einem Leistungshalbleiterschalter T eine Reihen­ schaltung 1 aus einem Widerstand R_S und einem Kondensator C1 der Kollektor-Emitter-Strecke elektrisch parallel geschaltet. Daneben weist die Reihenschaltung 1 zusätzlich eine in Fluss­ richtung gepolte Diode D_S auf, die zwischen dem Widerstand R_S und dem ersten Kondensator C1 angeordnet ist. Die Diode D_S dient dazu, eine Entladung des Kondensators C1 über R_S bei eingeschaltetem Leistungshalbleiter T zu verhindern. Sie muss die Spannung des Kondensators C1 sperren können.

Der Kondensator C1 wird durch den dem Leistungshalbleiter pa­ rallelen Widerstand R_S geladen. Der Widerstand R_S ist für An­ wendungen mit hoher Sperrspannung und somit Reihenschaltung von Leistungshalbleitern ohnehin zur statischen Spannungs­ symmetrierung erforderlich (vgl. Fig. 6). Außerdem ist eine Parallelschaltung 2 aus einem zweiten Kondensator C_S und ei­ nem Leistungsverbraucher R_L vorgesehen, die die - nicht ge­ zeigte - Ansteuerschaltung für den Leistungshalbleiter T repräsentieren.

Würde die Spannung vom Kondensator C1 direkt zur Versorgung der Last R_L verwendet, so müsste der gesamte Laststrom I2 durch R_S fließen. Da die Spannung U_CS über R_L nur ca. 1% der Sperrspannung U_CE des Bauelements beträgt, würde die Schal­ tung bestenfalls mit einem Wirkungsgrad von 1% arbeiten und in R_S sehr hohe Verluste verursachen. Um dies zu vermeiden, wird elektrisch parallel zu C1 ein Schaltnetzteil SNT oder ein anderes schaltendes Transformationsmittel angeschlossen, das ausgangsseitig elektrisch mit der Parallelschaltung 2 verbunden ist und die Energie auf das Spannungsniveau von C_S transformiert. Dadurch wird erreicht, dass die Last R_L aus­ reichend versorgt wird und durch R_S nur der ohnehin erforderliche Symmetrierstrom I1 fließt.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Schaltnetzteils SNT gezeigt. Schaltnetzteile sind getaktete Stromversorgun­ gen, d. h. sie "zerhacken" eine Gleichspannung. Wesentlich für die Betriebsweise des Schaltnetzteils SNT ist, dass ein Halb­ leiterelement, z. B. ein Transistor, ausschließlich als Schal­ ter S arbeitet. Dadurch entstehen nur Schaltverluste und Durchlassverluste, woraus ein hoher Wirkungsgrad einer getak­ teten Stromversorgung im Vergleich zu anderen Verfahren re­ sultiert.

Eine gleichgerichtete Eingangsspannung Uc1 wird durch den Schalter S zerhackt, woraus eine Wechselspannung Uz von Rechteck-, Trapez- oder gelegentlich auch Sinusform resul­ tiert. Eine Regelung über den Schalter S. in der Regel ein diskreter MOSFET-Transistor, erfolgt über eine Steuerlogik ST entweder durch eine Veränderung des Tastverhältnisses T bei konstanter Frequenz der Wechselspannung Uz, oder durch Änderung der Frequenz bei festem oder variablem Tastverhält­ nis T.

Die so zerhackte Spannung Uz kann in jede beliebige andere Spannung transformiert werden, indem die Leistung über einen Übertrager U übertragen wird und die Spannung über einen dar­ auffolgenden Gleichrichter G gleichgerichtet wird. Daraus re­ sultiert die gewünschte gewandelte Gleichspannung, hier U_CS. Der Übertrager U dient zudem einer gewünschten Netztrennung. Der Regelkreis wird geschlossen, indem diese gleichgerichtete Ausgangsspannung U_CS einem Regelverstärker RV zugeleitet wird, welcher ausgangsseitig zur Potentialtrennung beispiels­ weise mit einem Optokoppler P verbunden ist, über den die Steuerlogik ST angesteuert wird. In der Darstellung nach Fig. 2 sind die jeweils ausgangsseitig resultierenden Spannungs­ verläufe der beschriebenen Komponenten des Schaltnetzteils SNT in Form eines Diagrams der Spannung U über die Zeit t veranschaulicht. Wird ein Schaltnetzteil nicht am Netz, sondern an einer Gleichstromquelle angeschlossen, so spricht man auch von einem "Schaltregler". Auch ein einfacher Tiefsetz­ steller kommt in Betracht.

Solche Schaltnetzteile oder Schaltregler zeichnen sich unter anderem durch einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 90%, eine gute Regeldynamik und Spannungskonstanz sowie geringes Volumen und Gewicht aus.

Das Schaltnetzteil SNT ist zweckmäßigerweise mit möglichst hoher Eingangsspannung U_C1 zu betreiben, um bei gegebener Leistung in R_L mit minimalem Eingangsstrom I1 arbeiten zu können. Da im Schaltnetzteil SNT - wie erwähnt - üblicher­ weise ein diskreter MOSFET-Transistor eingesetzt wird, ist diese Eingangsspannung auf ein Niveau von etwa 1500 V be­ grenzt. Ist die Sperrspannung des Leistungshalbleiters T1 un­ ter diesem Niveau, so kann das Schaltnetzteil auch in einer Reihenschaltung direkt parallel zu dem Leistungshalbleiter T aus Fig. 1 angeschlossen werden.

Der Widerstand R_S ist vorteilhafterweise so zu dimensionie­ ren, dass gilt:

(U_CE - Uc1)/R_S).Uc1.q < Ucs.I2 (1)

Dabei bezeichnet q den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils.

Andernfalls ist die Last größer als die Einspeisung und diese kann die Last somit nicht versorgen. Liefert die Einspeisung mehr Energie, als in der Last verbraucht wird, so wird die Kondensatorspannung Uc1 ansteigen. Dies ist bei korrekter Di­ mensionierung praktisch immer der Fall, da sowohl Last als auch eingespeiste Energie sich mit den Betriebsbedingungen verändern und die obige Ungleichung (1) zu jedem Zeitpunkt erfüllt sein muss.

Aus diesem Grund ist eine Begrenzungsschaltung B für Cl nach der Darstellung gemäß Fig. 3 vorteilhaft. Diese wird parallel zu dem Kondensator C1 angeschlossen.

Eine prinzipielle Ausführungsform der Begrenzungsschaltung ist in Fig. 4a dargestellt. Über eine Spannungserfassungsein­ richtung aus einem Spannungsteiler 3 mit den Wiederständen R3, R4 wird die Spannung an C1 gemessen. Diese Messspannung Um wird mit einer Referenzspannung Uref verglichen. Die Mess­ spannung Um wird dem nichtinvertierenden Eingang + eines Kom­ parators K beaufschlagt, dessen invertierender Eingang - die Referenzspannung Uref führt, wobei der Ausgang des Kompara­ tors K einen Halbleiterschalter Tx ansteuert. Letzterer ist elektrisch in Reihe mit einem Widerstand R2 dem Kondensator C1 elektrisch parallel geschaltet.

Übersteigt die Messspannung Um den Wert der Referenzspannung Uref, so wird der Schalter Tx, z. B. ein Transistor, einge­ schaltet und C1 über den weiteren mit dem Schalter Tx elekt­ risch in Reihe geschalteten Widerstand R2 entladen. Sinkt die Spannung an C1 dadurch ab, so wird der Transistor Tx wieder abgeschaltet.

Zweckmäßigerweise ist der Komparator K mit einer Hysterese versehen, um die Schaltfrequenz von Tx zu begrenzen. Dies kann z. B. durch eine Aufschaltung eines Teiles der Ausgangs­ spannung des Komparators auf die Referenzspannung Uref ge­ schehen.

Die Spannungsversorgung des Komparators K erfolgt vorteilhaf­ terweise aus dem Speisespannungskondensator Cs. Da beim An­ lauf der Schaltung C1 und somit auch Cs noch ungeladen sind, besitzt in diesem Fall auch der Komparator K noch keine Ver­ sorgungsspannung. Durch einen weiteren Widerstand R5, welcher zwischen den Ausgang des Komparators K und den Emitter des Transistors Tx geschaltet ist, wird in diesem Betriebzustand der Transistor Tx sicher ausgeschaltet. Dadurch wird eine Aufladung des Kondensators C1 möglich.

Die Darstellung nach Fig. 4b zeigt eine einfachere Alternative zur Spannungsbegrenzung. Eine Begrenzung der Spannung des Speisespannungskondensators C1 erfolgt hier durch Triggern des Schaltmittels Tx über eine Zenerdiode Dx1, welche mit ei­ ner weiteren Zenerdiode Dx2, die beide in Sperrrichtung in Reihe geschaltet sind, einen Spannungsteiler 3' bildet, der dem Speisespannungskondensator C1 parallel geschaltet ist.

Der Verknüpfungspunkt dieses Spannungsteilers 3' ist mit dem Steueranschluss des Schaltmittels Tx elektrisch leitend ver­ bunden. Der Zenerdiode Dx1 ist außerdem in Reihe ein Wider­ stand Rx1 vorgeschaltet, der den Strom durch Dx1 begrenzt. Die Zenerdiode Dx2 begrenzt die Spannung am Steuereingang des Schaltmittels Tx, sofern dieses ein feldgesteuertes Bauele­ ment (z. B. ein MOSFET oder ein IGBT) ist. Ein der Zenerdiode Dx2 elektrisch parallel geschalteter Widerstand Rx2 verhin­ dert ein parasitäres positives Aufladen des Steueranschlusses bzw. Gates von Tx.

Ist das Schaltmittel Tx ein Bipolartransistor, so kann die Zenerdiode Dx2 entfallen. Der Widerstand Rx2 führt dann Leck­ ströme von Dx1 ab.

Die Fig. 4c zeigt nun eine weitere vorteilhafte Variante der Einbeziehung der Spannungsbegrenzungsschaltung B. Durch eine gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 geänderten Anordnung der Reihendiode Ds lässt sich eine geringere Schaltfrequenz des Schaltmittels Tx erzielen. Dazu wird das Schaltmittel Tx so­ wie der Widerstand R2 nicht nur dem Speisespannungskondensa­ tor C1, sondern auch der Reihendiode Ds elektrisch parallel geschaltet. Diese Variante ist vorteilhaft, weil während des Einschaltens des Schaltmittels Tx der Speisespannungskonden­ sator C1 nicht über den Widerstand R2 entladen wird.

In der Darstellung nach Fig. 5 ist eine Schaltungsvariante ge­ zeigt, die dann eingesetzt werden kann, wenn das beschriebene erfindungsgemäße Prinzip verwendet werden soll, obwohl eine zusätzliche Ausschaltentlastung 10 der eingangs anhand des Standes der Technik nach Fig. 7 geschilderten Art vorhanden ist.

Zwischen den Leistungshalbleiterschalter T und die Reihen­ schaltung 1 ist dann eine weitere Reihenschaltung 4 mit einem weiteren Kondensator Cb und einem nachgeschalteten Widerstand Rb elektrisch parallel geschaltet. Die Verknüpfungspunkte 5 und 6 der beiden Reihenschaltungen 1 und 4 sind durch einen Querzweig 9 aus einer in Flussrichtung gepolten Diode Db ver­ bunden.

Die Energie aus der Beschaltung 10 wird dann zusätzlich zur Energie aus der Symmetrierung R_S für die Versorgung mitge­ nutzt. Dadurch wird der Nachteil des Standes der Technik ver­ mieden, dass die Schaltung nur im Pulsbetrieb arbeitet. Mit der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsvariante kann dann auch ein Betrieb bei Impulssperre (z. B. beim Anlauf eines Stromrich­ terantriebes) erreicht werden.

Zur Veranschaulichung der Einbindung der vorangehend be­ schriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in einem Umrichter und des in diesem Zusammenhang auftretenden bereits erwähnten Problems der Symmetrierung dient die Darstellung nach Fig. 6.

Um höhere Zwischenkreisspannungen U_ZK zu realisieren, werden mehrere Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 elektrisch in Reihe geschaltet. In Fig. 6 ist ein Brückenzweig einer mehr­ phasigen Stromrichterschaltung dargestellt. Bei diesem Brückenzweig ist jeder Leistungsschalter durch zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, T4 re­ alisiert. Da hier pro Leistungsschalter nur zwei Leistungs­ halbleiterschalter verwendet werden, liegt eine Reihenschalt­ zahl von 'Zwei' für den Stromrichter vor.

Jeder Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 weist eine Freilaufdiode DF1 bis DF4 und einen Widerstand R_S1 bis R_S4 auf, dem eine erfindungsgemäße Speisespannungsschaltung nachge­ schaltet ist, welche zur Versorgung einer jeweiligen dem Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 zugeordneten Ansteuer­ schaltung A1 bis A4 dient.

Die Höhe der eingangsseitigen Zwischenkreisspannung U_ZK wird von der Sperrfähigkeit eines Leistungshalbleiterschalters T1 bis T4 begrenzt. An jedem Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 fällt eine jeweilige Spannung U_CE1 bis U_CE4 ab.

Im Taktbetrieb des Stromrichters beträgt die jeweilige Span­ nung U_CE1 bis U_CE4 über jedem Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 aufgrund der Reihenschaltzahl von 'zwei' die Hälfte der Zwischenkreisspannung U_ZK. In diesem Fall kann die Zwi­ schenkreisspannung U_ZK auf die doppelte Betriebsspannung ei­ nes Leistungshalbleiterschalters T1 bis T4 ausgelegt werden.

Die Widerstände R_S1 bis R_S4 dienen der statischen Symmetrie­ rung der Sperrspannungen U_CE1 bis U_CE4 über jeden Leistungs­ halbleiterschalter T1 bis T4. Wenn diese alle sperren, z. B. beim Hochlauf der Zwischenkreisspannung U_ZK, liegt der Last­ abgriff L auf einem Potential von U_ZK/2. Im Dauer-Aus-Betrieb beträgt die Betriebsspannung über jedem Leistungsschalter T1 bis T4 bei einer Reihenschaltzahl von 'zwei' gleich U_ZK/4.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung kann nun die Energie zur Aufladung des Speisespannungskondensators C_S aus dem jeweiligen Symmetrierungswiderstand R_S1 bis R_S4 gewonnen werden, ohne dass eine gesonderte Beschaltung des Leistungs­ halbleiterschalters T1 bis T4 erforderlich ist.

Claims (16)

1. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) mit einer diesem (T) elektrisch parallel geschalteten Reihen­ schaltung (1) aus einem Widerstand (R_S) und einem ersten Kon­ densator (C1), welcher über den Widerstand (R_S) aufladbar ist, und mit einer Parallelschaltung (2) aus einem zweiten Kondensator (C_S) und einem Leistungsverbraucher (R_L), dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltendes Transformationsmittel (SNT) zur Transforma­ tion der in dem ersten Kondensator (C1) gespeicherten Energie auf das erforderliche Spannungsniveau des zweiten Kondensa­ tors (C_S) vorgesehen ist, welches eingangsseitig elektrisch mit dem ersten Kondensator (C1) verbunden ist, und das aus­ gangsseitig elektrisch mit der Parallelschaltung (2) verbun­ den ist.

2. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Transformationsmittel ein Schaltnetzteil (SNT) oder ein Schaltregler vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch parallel zum ersten Kondensator (C1) eine Span­ nungsbegrenzungsvorrichtung (B) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung (1) zusätzlich eine in Flussrichtung gepolte Diode (D_S) aufweist, die vorzugsweise zwischen dem Wi­ derstand (R_S) und dem ersten Kondensator (C1) oder zwischen dem Knoten aus dem Widerstand (R_S) mit der Spannungsbegren­ zungsvorrichtung (B) und dem ersten Kondensator (C1) angeord­ net ist.

5. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (B) über Spannungserfas­ sungsmittel (R3, R4), ein Vergleichsmittel zum Vergleich ei­ ner Messspannung (Um) mit einer Referenzspannung (Uref) sowie ein Schaltmittel (Tx) zum Entladen des Kondensators (C1) im Falle des Übersteigens der Referenzspannung (Uref) durch die Messspannung (Um) verfügt.

6. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem ersten Kondensator (C1) elektrisch parallelgeschalte­ ter Spannungsteiler (3, R3, R4) zur Ermittlung der Messspan­ nung (Um) dient, womit der nichtinvertierende Eingang (+) ei­ nes Komparators (K) beaufschlagt wird, dessen invertierender Eingang (-) die Referenzspannung führt, wobei der Ausgang des Komparators einen Halbleiterschalter (Tx) ansteuert, welcher (Tx) elektrisch in Reihe mit einem Widerstand (R2) dem ersten Kondensator (C1) elektrisch parallel geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel oder der Komparator (K) zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Schaltmittels bzw. Halbleiterschalters (Tx) eine Hysterese aufweisen.

8. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung der Hysterese ein Teil der Ausgangsspannung des Vergleichsmittels oder Komparators (K) auf die Referenzspan­ nung (Uref) aufgeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteu­ erschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung des Vergleichsmittels oder des Kompa­ rators (K) aus der Spannung des zweiten Kondensators (C_S) er­ folgt.

10. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines definierten Einschaltzustands der Ausgang des Komparators (K) über einen Widerstand (R5) elektrisch mit dem leistungshalbleiterseitigen Anschluss des ersten Konden­ sators (C1) verbunden ist.

11. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (B) über eine Zenerdiode (Dx1) als Messmittel verfügt, die ein Schaltmittel (Tx) zum Entladen des Kondensators (C1) triggert.

12. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leistungshalbleiterschalter (T) und der Reihen­ schaltung (1) eine Schutzbeschaltungsvorrichtung (10, Cb, Rb, Db) vorgesehen ist, so dass auch im beschalteten Betrieb ein Betrieb bei Impulssperre möglich ist.

13. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine An­ steuerschaltung (A) eines Leistungshalbleiterschalters (T) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leistungshalbleiterschalter (T) und die Reihen­ schaltung (1) eine weitere Reihenschaltung (4) mit einem dritten Kondensator (Cb) und einem nachgeschalteten Wider­ stand (Rb) elektrisch parallel geschaltet ist und ein die Verknüpfungspunkte (5, 6) der beiden Reihenschaltungen (1, 4) verbindenden Querzweig (9) vorgesehen ist, der eine in Fluss­ richtung gepolte Diode (Db) aufweist.

14. Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Leistungs­ halbleiterschaltern (T1, T2, T3, T4) mit einer jeweils zuge­ ordneten Schaltungsanordnung (V1, V2, V3, V4) zur Energiever­ sorgung für eine Ansteuerschaltung (A1, A2, A3, A4) dieses Leistungshalbleiterschalters nach einem der vorangehenden An­ sprüche, wobei jeder Leistungshalbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) jeweils einen parallelgeschalteten Widerstand (R_S1, R_S2, R_S3, R_S4) aufweist und wobei die elektrische Reihenschaltung dieser Widerstände (R_S1, R_S2, R_S3, R_S4) zur statischen Symme­ trierung der Sperrspannungen der Leistungshalbleiterschalter dient, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Symmetrierungswiderstand (R_S1, R_S2, R_S3, R_S4) zum Laden des jeweiligen ersten Kondensators (C1) der zugeordneten Schaltungsanordnung (V1, V2, V3, V4) dient.

15. Verfahren zur Bereitstellung der Ansteuerenergie für ei­ nen Leistungshalbleiterschalter (T) mit einer Schaltungsan­ ordnung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung (A) des Leistungshalbleiterschalters (T) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (SNT) oder der Schaltregler mit möglichst hoher Eingangsspannung (U_C1) betrieben wird.

16. Verwendung einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe ge­ schalteten Leistungshalbleiterschaltern (T1, T2, T3, T4) mit einer jeweils zugeordneten Schaltungsanordnung (V1, V2, V3, V4) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 zur Über­ tragung elektrischer Energie.