DE1956145A1

DE1956145A1 - Schaltung zur Unterdrueckung von Spannungsspitzen an Transistoren

Info

Publication number: DE1956145A1
Application number: DE19691956145
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl-Ing Preis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-11-07
Filing date: 1969-11-07
Publication date: 1971-05-19
Also published as: DE1956145B2; DE1956145C3; JPS5224653B1; SE363937B

Description

Schaltung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen an Transistoren an Transistoren Bei im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren können zwischen Kollektor und Emit-ter infolge von Spannungsinduktivitä-ten unzulässig hohe Spannungen auftreten, welche die Schalttransistoren gefährden. Zur Unterdrückung dieser Spannungsspitzen kann der Kollek-tor-Emitterstrecke der gefährdeten Transistoren eine Reihenschaltung aus Kondensator und einer in Richtung der Speisespannung des Transistorv gepoltm Diode parallelgeschal-tet werden. Damit eine ausreichende Schu-tzwirkung eintreten kann, muß die Kondensatorspannung, welche durch jede Spannungsspitze an der Kollektor-Emitterstrecke erhöht wird, mindestens wieder bis auf ihren Sollwert (= mit-tlere Kollektor-Emitterspannung) entladen werden, bevor die nachste Spannungsspitze auftritt.
Es ist bekannt, dem Kondensator zu diesem Zweck einen Widerstand parallel zu schalten. Diese Maßnahme hat den großen Nachteil, daß der Entladewiderstand in Reihe mit der Diode ständig von einem Verluststrom durchflossen wird. Danu ist eine erhebliche Verschlechterung des Wirkungsgrades der Transistorschaltung verbunden, da der Entladewiderstand mit steigenden Schaltfrequenzen der Transistoren nieder@hmiger ausgelegt werden muß. Andererseits ist die Unterdrückung der Spannungsspitzen gerade bei hohen Schaltfrequenzen besonders wichtig.
Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung durch eine solche Ausbildung des Entladestromkreises behoben, daß die nach Beginn der Sperrpha-se des zu schützenden Transistors abfließende Entladeenergie in geeigneter Weise gespeichert und/ oder an den Ausgang der Schal-tung abgegeben wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die abfließende Energie in die Versorgungsbatterie bzw. in den Speicherkondensator des Stromversorgungsgerätes zurückgespeist. In einfacher Weise kann das dadurch erreicht werden, daß die Versorgungsbatterie in Reihe mit einem Widerstand den Entladestromkreis bildet.
Um eine Verringerung der dann noch am Widerstand auftretenden Verluste zu erzielen, kann in den Entlades-troinkreis zusätzlich eine Zenerdiode eingeschaltet werden, deren Zenerspannung etwa gleich der Versorgungsspannung ist und die so gepolt ist, daß sich der Kondensator in jedem Schaltzyklus des zu schützenden Transistors etwa bis auf die doppelte Höhe der Versorgungsspannung entladen kann. In Schaltungen für große Leistungen entstehende sehr energiereiche Spannungsspitzen können gemäß einer weiteren vor-teilhaf-ten Weise terbildung der Erfindung nahezu verlustlos zurückgespeist werden, indem der Entladevorgang des Kondensators mittels eines Hilfstransistors, dessen Kollektor-Emitterstrecke in Reihe mit der Primärwicklung bzw. eines Teiles der Primärwicklung des zugehörigen Übertragers und der Versorgungsbatterie den Entladestromkreis bilden, gesteuert wird, der selbst leitend gesteuert ist, solange der zu schützende Transistor gesperrt ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an zwei Ausfuhrungsbeispielen anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
Beide Äusführungsbeispiele beziehen sich auf transistors Gegenta]tumrichter, deren Transistoren gegen Spannungsspitzen geschützt sind. Die Arnvendung der Erfindung gemäß der SchaltUllg ist jedoch nicht auf derartige Schaltungen beschränkt.
Der in Pig.1 dargestellte fremdgesteuerte Umrichter besteht aus den im Gegentakt arbeitenden Transistoren Tsl und Ts2, dem Leistungsübertrager Tr und der-Versorgungsbaiiterie UB.
Die Steuerung der Schalttransistoren Ts1 und Ts2 erfolgt mit-tels der Ansteuerschaltung A. Die Sekundärwicklung des Übertragers Tr führt über einen Ausgangskreis B, der z.B.
aus einer Gleichrichterschaltung bestehen kann, an einen nicht dargestellten Verbraucher. Zwischen Kollekter und Emitter der Sehalttransistoren sind in Reihenschaltung der Kondensator C1 bzvrO C2 und eine für die am Übertrager bestehenden Überspannungen in Durchlaßrichtung gepolte Diode D1 bzw. D2 angeschlossen. Für die wirksame Unterdrücjcung er Spannungsspitzen an der Emitter-Kollektorstrecke ist es erforderlich, daß der Kondensator Cl bzw. C2, der cie Energie der Spannungsspitzen aufnimmt, anschließend genügend tief und möglichst verlustfrei entladen wird. Der Entladestromkreis, der diese Forderung erfüllt, besteht aus der Reihensehaltung von Widerstand R1 bzw. R2 und Versorgungsbatterie UB, die dem Kondensator Ci bzw. C2 parallelgeschaltet ist.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung wird davon ausgegangen, daß sich der Schalttransistor s7 im gesperrten und der Schalttransistor Ts2 im leitenden Zustand befinden. Der Strom durch die Teilwicklung II der Primärwicklung des Übertragers hat eine Spannung etwa in der Höhe der Versorgungsspannung U3 an der Teilwicklung I zur Folge.
Die Summe aus dieser Spannung und der Versorgungsspannung UB ist der Mittelwert der Gleichspannung, die im gesperrten Zustand des Transistors Tsl im Kondensator C1 anliegt. Spannungsspitzen können dann am Transistor nicht auftreten, da sie, sobald die mittlere Kondensatorspannung überschritten wird, durch die Diode Di abgeleitet werden. Sie führen zu einer Erhöhung der Kondensatorspannung, die in der verhältnismäßig langen Zeit, in der keine Spannungsspitzen auftre--ten, über den Widerstand R1 und die Versorgungsbatterie des Umrichters wieder abgebaut wird. Dadurch, daß die Versorgungsbatterie UB in den Entladestromkreis des Kondensators Cl miteinbezogen ist, kann sich im Entladestromkreis gegenüber bekannten Schaltungen nur ein wesentlich kleinerer, ständig fließender Verluststrom einstellen; Die Verlustleistung wird dadurch klein gehalten, daß ein Teil der Energie in die Stromversorgungsquelle UB zurückgespeist wird. Gelangt der Transistor Tsl in den leitenden Zustand, dann verhindert die Diode Dl eine En-tladung des Kondensators über die Kollektor-Emitterstrecke.
Durch Einfügen einer Zenerdiode Z1 bzw. Z2 in den Entladestromkreis, wie in der Figur gestrichelt angedeutet, können die Verluste beim Entladevorgang weiter verringert werden, wenn die Zenerspannung etwa gleich der Versorgungsspannung UB gewählt wird. Bin Kondensatorentladestrom kann dann nur solange fließen, wie nach Aufnahme der Spannungsspitze die Spannung am Kondensator C1 bzw. C2 über die mittlere Kollektor-Emittersperrspannung hinaus erhöht ist.
Die Sehaltungszweige zur Unterdrückung der Spannungsspitzen an den im Gegentakt arbeitenden Transistoren sind im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 symmetrisch aufgebaut. Der Schaltungsaufwand hierzu kann verringert werden, wenn unter Berücksichtigung einer entsprechend geänderten Bemessung die Kondensatoren Cl, C2 sowie die Widerstände R1, R2 und die Zenerdioden Z1, Z2 zusammengefaßt und durch je ein entsprechendes Schaltelement ersetzt werden. Die Schaltung ändert sich dann in der eise, daß die Kathoden der Dioden D1, D2 direkt zusammengesehaltet sind und ihr Vebindungspunkt über einen gemeinsamen Kondensator mit dem Verbindungspunkt der Emitterelektroden der beiden Transistoren Tsi, Ts2 verbunden ist. Dementsprechend ist auch nur nur ein aus einem Widerstand bzw. einem Widerstand und einer Zenerdiode bestehender Sehaltungszweig zur Entladung des Kondensators erforderlich, der jetzt auf einer Seite an den Verbindungspunkt der Kathoden von D1, 1)2 angeschlossen ist.
Bei Umrichtern mit großer Ausgangsleistung sind die Spannungsspitzen in der Regel sehr energiereich, was selbst bei Anwendung der Zenerdioden zu unnötigen Verlusten in der Schaltung zur Beseitigung dieser Spannungsspitzen führen würde. In diesen Fällen kann durch. Anwendung der Schaltung nach Figur 2 die Energie dieser Spannungsspiten nahezu verlustlos verwertet werden. Mit Hilfe eines Hilfstransistors Ts3 bzw. Ts4 wird der Entladekreis für den Kondensator C1 bzw. C2 nur dann freigegeben, wenn der zugehörige Umrichter-Transistor Tsi bzw. Ts2 gesperrt ist, d.h. wenn an seinem Kollektor die doppelte Batteriespannung 2U3 ansteht. Die Schaltung unterscheidet sich außerdem von der nach Iiour 1, daß hier der Betriebsspan-nungsquelle (Versorgungsbatterie UB) noch der zugehörige Teil I bzw. II der Primärwicklung in den Entladestromkreis einbezogen ist, so daß die Entladeenergie zu einem Teil in die Versorgungsbatterie zurückgespeist und zum anderen Teil direkt an den Ausgang des Umrichtern abgegeben wird.
Ist nun der Kondensator Cl bzw. C2 durch eine vorher aufgenommene Spannungsspitze über den doppelten Wert der Batteriespannung 2UB hinaus aufgeladen worden, so entlädt er sich jetzt über den zugehörigen Hilfstransistor Ts3 bzw.
Ts4, dessen Emitterwiderstand R3 bzw. R4, die zugehörige Primärwicklung des Umrichter-Transformators tUr, und die Versorgungsbatterie UB bis zu seinem Sollmittelwert von 2UB.
Der Emitterwiderstand R3 bzw. R4 wirkt als Stromgegenkopplung für die Hilfstransistoren Ts3 bzw. Ts4. Beide zusammen begrenzen und nivellieren den Entladestrom. Die Aussteuerung des Hilf.stransistors Ts3 bzw. Ts4 erfolgt über den Basisvorwiderstand R5 bzw. R6 mit Hilfe einer kleinen Zusatzwicklung III bzw. IV des Umrichter-Transformators.
Die Hilfstransistoren schalten deshalb synchron ulit den Umrichter-Transistoren, jedoch um 180° phasenverschoben. Wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erläutert, können auch hier die Kondensatoren Cl , C2 zusammengelegt werden.
Soweit die Schaltung nach Figur 2 mit der nach Figur 1 in Übereinstimmung ist, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
7 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen an Transistoren in Induktivitäten, insbesondere Übertrager, enthaltenden Schaltungen, z.B. elektronischen Umrichtern, unter Verwendung einer zwischen Kollektor und Emitterstrecke der Transistoren angeschlossenen Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode in Verbindung mit einem Entladestromkreis für den Kondensator, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine solche Ausbildung des Entladestromkreises für den Kondensator, daß die nach Beginn der Sperrphase des zu schützenden Transistors abfließende Entlade energie in geeigneter Weise gespeichert und/oder an den Ausgang der Schaltung abgegeben wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t daß die Entladeenergie in die Versorgungsbatterie bzw. in den Speicherkondensator des Stromversorgungsgerätes zurückgespei st wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Entladestromkreis aus einer Reihenschaltung von Versorgungsbatterie und einem Widerstand besteht.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Entladestromkreis zusätzlich eine Zenerdiode, deren Zenerspaltung etwa der Versorgungsspannung entspricht, eingeschaltet ist.
5o Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der En-tladevorgang des Kondensators mittels eines Hilfstransistors, dessen Kollektor -Emitterstrecke in Reihe mit der Primärsvicklung des zugehörigen Übertragers und der Versorgungsbatterie den Entladestromkreis bilden, gesteuert wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5, "d a d ü r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß der Hilfstransistor leitend gesteuert ist, solange der zu schützende Transistor gesperrt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die Steuerung des Hilfstransistors aus einer kleinen Zusatzwicklung des Übertragers erfolgt.