DE1175740B - Einrichtung zum Schutz von Schalttransistoren gegen UEberspannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 k

Deutsche KI.: 21 al - 36/18

Nummer: 1175 740

Aktenzeichen: W 32919 VIII a / 21 al

Anmeldetag: 8. September 1962

Auslegetag: 13. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schalter, in deren Stromkreis eine induktive Last liegt. Solche Verhältnisse liegen beispielsweise bei statischen Stromrichtern, insbesondere bei Wechselrichtern vor, bei denen bekanntlich eine Gleich-Spannungsquelle mit Hilfe elektronischer Schalter mit abwechselnder Polarität an die Primärwicklung eines Ausgangstransformators geschaltet wird. Derartige Umformer bestehen je nach Schaltung aus einer oder mehreren Elementen entsprechend der Fig. 1. Hierbei ist die induktive LastLl — meist die Primärwicklung eines Transformators über die Emitter-Kollektor-Strecke (2, 3) eines Transistors TRl an eine GleichspannungsquelleE+, E— angeschlossen. Der Transistor Ti? 1 wird periodisch ein- und ausgeschaltet, meist mit Hilfe einer rechteckförmigen Steuerspannung E_ac, die der Emitter-Basis-Strecke (2, 1) des Transistors zugeführt wird. Im folgenden wird vorausgesetzt daß diese Steuerspannung so groß ist, daß der Transistor entweder voll durchgesteuert (Sättigungszustand) oder ganz gesperrt ist.

Während bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der Transistor gesperrt wird, liegt an seiner Emitter-Kollektor-Strecke die volle Speisegleichspannung. Infolge der in der induktiven Last Ll gespeicherten Energie wird jedoch der Laststrom nicht sofort Null. Die Emitter-Kollektor-Strecke wird demnach gleichzeitig mit hoher Spannung und hohem Strom beansprucht. Dies kann unter Umständen einen Spannungs- oder einen Wärmedurchbruch zur Folge haben. Solche Schäden können nur dadurch mit Sicherheit vermieden werden, daß die Transistoren in solchen Schaltungen nicht ihrer vollen Leistung entsprechend eingesetzt werden. Die maximale Schaltleistung ist hierzu ungefähr auf ein Viertel derjenigen Leistung zu beschränken, die sich aus dem Produkt der maximalen Emitter-Kollektor-Spannung und des maximalen Kollektorstromes bei rein ohmscher Belastung ergibt.

Von den Herstellern werden meist Diagramme herausgegeben, in denen der zulässige Arbeitsbereich ihrer Transistoren angegeben ist. Dieser ist im allgemeinen in das Kennlinienfeld eingetragen, das die Abhängigkeit des Kollektorstromes/,, von der Emitter-Kollektor-Spannung V_ec zeigt. Ein solches Diagramm ist in F i g. 2 dargestellt, in der der zulässige Arbeitsbereich schraffiert ist.

Eine wesentlich bessere Ausnutzung der Schalttransistoren bei induktiver Belastung läßt sich erreichen, wenn man in bekannter Weise der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors einen Kon-Einrichtung zum Schutz von Schalttransistoren
gegen Überspannung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Ian M. MacDonald, Kenmore, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. September 1961

densator über eine Diode parallel schaltet, deren Durchlaßrichtung der der Emitter-Kollektor-Strecke entspricht. Dieser Kondensator übernimmt die in der Induktivität gespeicherte Blindleistung, sobald der Transistor gesperrt wird. Bei einem periodischen Betrieb, wie er vor allem bei Wechselrichtern vorkommt, muß für eine ausreichende Entladung des Kondensators während eines begrenzten Zeitintervalls gesorgt werden. Bei den bekannten Anordnungen hat man hierzu dem Kondensator einen Widerstand parallel geschaltet, dessen Dimensionierung jedoch erhebliche Schwierigkeiten bereitet: Wird er sehr niederohmig bemessen, dann ist dadurch zwar eine schnelle Entladung gesichert, die jedoch auf Kosten eines dauernden Nebenschlusses geht. Bei einem hochohmigen Widerstand läßt sich dagegen keine ausreichende Entladung erreichen.

Eine optimale Lösung des Problems läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß dem Kondensator die Emitter-Kollektor-Strecke eines Hilfstransistors parallel geschaltet ist, der der Entladung des Kondensators dient und in demselben Takt wie der Schalttransistor gesteuert wird.

Die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators ist hierbei abhängig von der Einschaltzeit des Schalttransistors, d. h. von der Frequenz der Steuerspannung E_ac zu bemessen. Sie kann mit Hilfe eines Widerstandes eingestellt werden, der zusätzlich in dem Emitter-Kollektor-Kreis des Hilfstransistors angeordnet werden kann.

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Ein Ausführungsbeispiel ist in F i g. 3 dargestellt. Dort ist ein Schalttransistor mit TR1 bezeichnet, über dessen Emitter-Kollektor-Strecke (2, 3) eine induktive Last Ll an eine Gleichspannungsquelle E+, E— angeschlossen ist. Der Emitter-Kollektor-Strecke ist eine Diode D1 und über eine Diode D 2 der Kondensator C1 parallel geschaltet. Dieser ist wiederum von der Emitter-Kollektor-Strecke 5, 6 eines Hilfstransistors TR 2 überbrückt, in dessen Kollektorkreis noch ein Entladewiderstand R1 liegt. Dieser Hilfstransistor braucht nur für eine wesentlich geringere Leistung dimensioniert zu sein als der Schalttransistor TR1. Die Emitter-Basis-Strecke des Schalttransistors TRl ist an die Sekundärwicklung eines Steuertransformators angeschlossen, dessen Primärwicklung mit einer rechteckförmigen periodischen Steuerspannung E_ac gespeist wird. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Hilfstransistors liegt an einer Anzapfung der Sekundärwicklung dieses Transformators, und zwar so, daß beide Transistoren immer gleichzeitig durchgesteuert und gleichzeitig gesperrt werden.

Der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors TR1 liegt noch eine Diode D1 parallel, deren Durchlaßrichtung derjenigen der Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors entgegengerichtet ist. Diese Diode hat die Aufgabe, einen Rückfluß des Blindstromes zu ermöglichen.

Der Verlauf der Ströme und Spannungen an den einzelnen Bauteilen der F i g. 3 ist abhängig von der Zeit in F i g. 4 dargestellt. Die Steuerspannung E_ac hat, wie schon erwähnt, einen rechteckförmigen Verlauf. Solange diese Spannung positiv ist (erste Halbwelle) sind beide Transistoren gesperrt. Der Kondensator C1 lädt sich auf das Potential der Gleichspannungsquelle auf. Der Verlauf der Spannung am Kondensator ist in F i g. 4 mit VC1 bezeichnet. Der Verlauf dieser Spannung bestimmt auch den Verlauf der Spannung an der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors TR1, der in F i g. 4 mit V_et. bezeichnet ist.

In der folgenden Halbwelle der Steuerspannung E₀₁. werden die beiden Transistoren TA 1 und TR 2 durchgesteuert. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, steigt der Kollektor-Strom I_c des Transistors TR1 infolge der induktiven Belastung nur allmählich an. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator Cl über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors TR2 und den Widerstand R1. Diese Entladung soll möglichst bei Beginn der nächsten Halbwelle der Steuerspannung E_/<c beendet sein (wie in F i g. 4 gezeichnet).

Werden jetzt die beiden Transistoren wieder gesperrt, dann kann der entladene Kondensator Cl die in der induktiven Last C1 gespeicherte Energie übernehmen. Er verhindert so Überspannungen an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Ti? 1.

Die Erfindung wurde an Hand einer einfachen Schaltstufe (F i g. 3) erläutert. Sie ist jedoch auch bei komplizierten Stromrichteranordnungen verwendbar. So sind beispielsweise bei Wechselrichtermittelpunktschaltungen zwei Einheiten entsprechend F i g. 3 und bei Wechselrichtern in Brückenschaltung vier derartige Einheiten einzusetzen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schutz von Schalttransistoren gegen Überspannung, in deren Emitter-Kollektor-Stromkreis ein Verbraucher mit induktiver Komponente liegt, mit einem der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors über ein Ventil parallel geschalteten Kondensator, der die in der induktiven Last gespeicherte Energie aufnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß diesem Kondensator die Emitter-Kollektor-Strecke eines Hilfstransistors (TR2) parallel geschaltet ist, der zur Entladung des Kondensators dient und in demselben Takt wie der Schalttransistor gesteuert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors (TR 1) ein Blindstromventil (Dl) parallel geschaltet ist, dessen Durchlaßrichtung der der Emitter-Kollektor-Strecke entgegengerichtet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung in statischen Stromrichtern, insbesondere in Wechselrichtern, bei denen Schalttransistoren verwendet werden, die periodisch ein- und ausgeschaltet werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Entladestromkreis des Kondensators (1) ein Widerstand liegt, der so bemessen ist, daß der Kondensator während der Stromflußzeit des Schalttransistors (TR 1) nahezu völlig entladen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 071 133.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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