DE1956145B2

DE1956145B2 - Schaltungsanordnung zum schutz von induktiv belasteten schalttransistoren gegen ueberspannungen

Info

Publication number: DE1956145B2
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: 1977-11-03
Also published as: DE1956145A1; DE1956145C3; JPS5224653B1; SE363937B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz von induktiv belasteten Schalttransistoren in elektronischen Gegentakt-Umrichtern gegen Überspannungen, bestehend aus einer der Kollektor-Emitterstrecke der Schalttransistoren parallelgeschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode in Verbindung mit einem Entladestromkreis für den Kondensator, der einen Widerstand enthält.

Eine derartige Schaltung ist bekannt (DT-AS 85 283). Bei im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren können zwischen Kollektor und Emitter infolge von Schaltungsinduktivitäten unzulässig hohe Spannungen auftreten, welche die Schalttransistoren gefährden. Zur Unterdrückung dieser Spannungsspitzen ist in der genannten Schaltung der Kollektor-Emitterstrecke der gefährdeten Transistoren eine Reihenschaltung aus ⁶S Kondensator und einer in Richtung der Speisespannung des Transistors gepolten Diode parallel geschaltet. Damit für die in periodischem Betrieb arbeitenden Schalttransistoren des Wechselrichters eine ausreichende Schutzwirkung eintreten kann, muß die Kondensatorspannung, welche durch jede Spannungsspitze an der Kollektor-Emitterstrecke erhöht wird, mindestens wieder bis auf ihren Sollwert ( = mittlerer Kollektor-Emitterspannung) verringert werden, bevor die nächste Überspannungsspitze auftritt. Der Kondensator wird hierzu über die Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors auf einen Widerstand entladen. Diese Ausbildung des Entladestromkreises führt dazu, daß der Kondensator während der leitenden Phase des zu schützenden Transistors bis auf die Restspannung von dessen Kollektor-Emitterstrecke entladen wird. Die dabei entstehenden Verluste steigen mit der Schwingfrequenz des Transistors. Die bekannte Schaltung weist zwar noch einen weiteren Stromkreis auf, der in Reihenschaltung den Kondensator, die Primärwicklung eines Schwingtransformators, eine Spannungsquelle und den Entladewiderstand enthält. Ein Abbau der Kondensatorladung ist in diesem Kreis jedoch nicht möglich (Spalte 4, Zeilen 52 bis 58).

Es ist auch bereits bekannt, dem Kondensator einer Schutzschaltung für die Transistoren einer Wechselrichterschaltung, die Kollektor-Emitterstrecke eines Hilfstransistors in Reihe mit einem Widerstand parallel zu schalten, wobei der Hilfstransistor gleichzeitig mit dem zu schützenden Transistor durchgesteuert und gesperrt wird (DT-AS 11 75 740). Der Kondensator wird in dieser Schaltung während der leitenden Phase des zu schützenden Transistors ebenfalls periodisch bis auf die Restspannung der Kollektor-Emitterstrecke entladen. Die dadurch entstehenden Verluste können den Wirkungsgrad des Wechselrichters erheblich verschlechtern, da der Entladewiderstand mit steigenden Schaltfrequenzen der Transistoren niederohmiger ausgelegt werden muß. Andererseits ist die Unterdrükkung der Spannungsspitze gerade bei hohen Schaltfrequenzen besonders wichtig.

Eine andere bekannte Schutzschaltung unterscheidet sich von dieser nur dadurch, daß der Widerstand dem Kondensator fest parallel geschaltet ist (AEG-Mitteilungen Nr. 50, 1960, Seite 28). In dieser Schaltung entstehen jedoch noch zusätzliche Verluste dadurch, daß der dem Kondensator paralleigeschaltete Widerstand ständig von einem Strom durchflossen ist.

Eine Anordnung zur Begrenzung von induktiven Abschaltspannungen an einem Transistor verwendet einen Kondensator in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand, die parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors angeordnet sind (DT-AS 10 71 133). Auch diese Schaltung enthält die Nachteile der bekannten anderen Schaltungen, da der Kondensator periodisch auf die Restspannung der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors während seiner leitenden Phase entladen wird. Außerdem bildet der Kondensator mit der vom Transistor geschalteten Induktivität einen Reihenschwingkreis, der unerwünschte Schwingungen hervorrufen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste, die durch die Schaltungsanordnung zum Schutz der Schalttransistoren gegen Überspannungen entstehen, weitgehend zu vermeiden ohne die Schutzwirkung zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung dadurch gelöst, daß der Widerstand ausschließlich Bestandteil eines zum Kondensator parallelgeschalteten, aus einer Reihenschaltung mit der Versorgungsspannungsquelle

des Gegentakt-Umrichters oder der Versorgungsspannungsquelle und der Primärwicklung des Leistungsübertragers des Gegcntakt-Umrichters gebildeten Entladestromkreises ist, der während der Sperrphase der zu schützenden Transistoren wirksam ist und der eine Entladung des Kondensators höchstens bis auf den einfachen bzw. doppelten Wert der Vsrsorgungsspannung bewirkt.

Mit dbser Schaltungsanordnung wird ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand der Entladekreis für den ι ο Kondensator so geändert, daß er von der Kollektor-Emitterstrecke des zu schützenden Transistors völlig entkoppelt ist. Während der sperrenden Phase des zu schützenden Transistors entlädt sich der Kondensator unter Vermeidung unnötiger Verluste nur noch bis auf den einfachen bzw. doppelten Wert der Versorgungsspannung, wobei außerdem ein erheblicher Anteil der Energie in die Spannungsquelle zurückgespeist wird.

Um eine Verringerung der dann noch am Widerstand auftretenden Verluste zu erzielen, kann in den Entladestromkreis 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 vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nahezu verlustlos zurückgespeist werden, indem der Entlade-Vorgang 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 selbstleitend gesteuert ist, solange der zu schützende Transistor gesperrt ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an zwei Ausführungsbeispielen anhand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben.

Beide Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Transistor-Gegentaktumrichter, deren Transistoren gegen Spannungsspitzen geschützt sind. Die Anwendung der Erfindung gemäß der Schaltung ist jedoch nicht auf derartige Schaltungen beschränkt. Der in F i g. 1 dargestellte fremdgesteuerte Umrichter besteht aus den im Gegentakt arbeitenden Transistoren TsI und Ts 2, dem Leistungsübertrager Tr und der Versorgungsbatterie Ub- Die Steuerung der Schalttransistoren Ts 1 und Γ5 2 erfolgt mittels der Ansteuenxhaltung 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 Kollektor und Emitter der Schalttransistoren sind in Reihenschaltung der Kondensator Cl bzw. C 2 und eine für die am Übertrager bestehenden Überspannungen in Durchlaßrichtung gepolte Diode Dl bzw. D 2 angeschlossen. Für die wirksame Unterdrückung der Spannungsspitzen an der Emitter-Kollektorstrecke ist es erforderlich, daß der Kondensator Cl bzw. C 2, der die Energie der Spannungsspitzen aufnimmt, anschließend genügend tief und möglichst verlustfrei entladen wird. Der Entladestromkreis, der diese Forderung erfüllt, besteht aus der Reihenschaltung von Widerstand R i bzw. R 2 0$ und Versorgungsbatterie Ub, die dem Kondensator C1 bzw. C 2 parallel geschaltet ist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung wird davon ausgegangen, daß sich der Schalttransistor TsI im gesperrten und der Schalttransistor Ts 2 im leitenden Zustand befinden. Der Strom durch die Teilwicklung H der Primärwicklung des Übertragers hat eine Spannung etwa in der Höhe der Versorgungsspannung Üb an der Teilwicklung I zur Folge. Die Summe aus dieser Spannung und der Versorgungsspannung U_n ist der Mittelwert der Gleichspannung, die im gesperrten Zustand des Transistors Ts 1 im Kondensator C1 anliegt. Spannungsspitzen können dann am Transistor nicht auftreten, da sie, sobald die mittlere Kondensatorspannung überschritten wird, durch die Diode D1 abgeleitet werden. Sie führen zu einer Erhöhung der Kondensatorspannung, die in der verhältnismäßig langen Zeit, in der keine Spannungsspitzen auftreten, über den Widerstand R 1 und die Versorgungsbatterie des Umrichters wieder abgebaut wird. Dadurch, daß die Versorgungsbatterie Ub in den Entladestromkreis des Kondensators Ci 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 Ts 1 in den leitenden Zustand, dann verhindert die Diode D1 eine Entladung des Kondensators über die Kollektor-Emitterstrecke.

Durch Einfügen einer Zenerdiode Z1 bzw. Z 2 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. Ein Kondensatorentladestrom kann dann nur so lange fließen, wie nach Aufnahme der Spannungsspitze die Spannung am Kondensator Cl bzw. C 2 über die mittlere Kollektor-Emittersperrspannung hinaus erhöht ist.

Die Schaltungszweige zur Unterdrückung der Spannungsspitzen an den im Gegentakt arbeitenden Transistoren sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 symmetrisch aufgebaut. Der Schaltungsaufwand hierzu kann verringert werden, wenn unter Berücksichtigung einer entsprechend geänderten Bemessung die Kondensatoren C1, C2 sowie die Widerstände R 1, R 2 und die Zenerdioden Z1, Z2 zusammengefaßt und durch je ein entsprechendes Schaltelement ersetzt werden. Die Schaltung ändert sich dann in der Weise, daß die Kathoden der Dioden Dl, D 2 direkt zusammengeschaltet sind und ihr Verbindungspunkt über einen gemeinsamen Kondensator mit dem Verbindungspunkt der Emitterelektroden der beiden Transistoren TsI, Ts 2 verbunden ist. Dementsprechend ist auch nur ein aus einem Widerstand bzw. einem Widerstand und einer Zenerdiode bestehender Schaltungszweig zur Entladung des Kondensators erforderlich, der jetzt auf einer Seite an den Verbinclungspunkt der Kathoden von Dl, D 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 Fig.2 die Energie dieser Spannungsspitzen nahezu verlustlos verwertet werden. Mit Hilfe eines Hilfstransistors Ts 3 bzw. Ts 4 wird der Entladekreis für den Kondensator C1 bzw. C 2 nur dann freigegeben, wenn der zugehörige Umrichter-Transistor TsI bzw. Ts2 gesperrt ist, d.h.

wenn, an seinem Kollektor die doppelte Batteriespannung 2 Ub ansteht. Die Schaltung unterscheidet sich außerdem von der nach Fig. 1, daß hier der Betriebsspannungsquelle (Versorgungsbatterie U_B) noch der zugehörige Teil 1 bzw. 11 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 Umrichters abgegeben wird.

Ist nun der Kondensator Cl bzw. C2 durch eine vorher aufgenommene Spannungsspitze über den doppelten Wert der Batteriespannung 2 Ub hinaus aufgeladen worden, so entlädt er sich jetzt über den zugehörigen Hilfstransistor Ts 3 bzw. Ti 4, dessen Emitterwiderstand R 3 bzw. R 4, die zugehörige Primärwicklung des Umrichter-Transformators Tr \ und die Versorgungsbatterie Ub bis zu seinem Sollmittelwert von 2 Ub- Der Emitterwiderstand R 3 bzw. R 4 wirkt als Stromgegenkopplung für die Hilfstransistoren Ts 3 bzw. Ts 4. Beide zusammen begrenzen und nivellieren den Entladestrom. Die Aussteuerung des Hilfstransistors Ts3 bzw. 7i4 erfolgt über den Basisvorwiderstand R5 bzw. R6 mit Hilfe einer kleinen Zusatzwicklung III bzw. IV des Umrichter-Transformators Tr 1. Die Hilfstransistoren schalten deshalb

ίο synchron mit den Umrichter-Transistoren, jedoch um 180° phasenverschoben. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläutert, können auch hier die Kondensatoren C1, C 2 zusammengelegt werden.
Soweit die Schaltung nach F i g. 2 mit der nach Fig. 1

in Übereinstimmung ist, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz von induktiv belasteten Schalttransistoren in elektronischen Gegentakt-Umrichtern gegen Überspannungen, bestehend aus einer der Kollektor-Emitterstrecke der Schalttransistoren parallelgeschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode in Verbindung mit einem Entladestromkieis für den Kondensator, der einen Widerstand enthält, d a durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 1, R2; A3, R4) ausschließlich Bestandteil eines zum Kondensator (Ci, C2) parallelgeschalteten, aus einer Reihenschaltung mit der Versorgungsspannungsqnelle (Ub) des Gegentakt-Umrichters oder der Versorgungsspannungsquelle (Ub) und der Primärwicklung (I, II) des Leistungsübertragers (Tr 1) des Gegentakt-Umrichters gebildeten Entladestromkreises ist, der während der Sperrphase der zu schützenden Transistoren (Ts 1, Ts 2) wirksam ist und der eine Entladung des Kondensators (Ci, C2) höchstens bis auf den einfachen bzw. doppelten Wert der Versorgungsspannung bewirkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Entladestromkreis zusätzlich eine Zenerdiode (Zi, Z 2), deren Zenerspannung etwa der Versorgungsspannung entspricht, eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladevorgang des Kondensators CCl, C2) mittels eines Hilfstransistors C7s3, 75 4), dessen Kollektor-Emitterstrecke in Reihe mit der Primärwicklung (I₁II) des zugehörigen Übertragers (Tr 1) und der Versorgungsbatterie (Ub) den Entladestromkreis bilden, gesteuert wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (Ts3, Ts 4) leitend gesteuert ist, solange der zu schützende Transistor (Ts i, Ts 2) gesperrt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Hilfstransistors (Ts 3, 7s 4) aus einer kleinen Zusatzwicklung (III, IV) des Übertragers (Tr i) erfolgt.