DE2019779A1 - Steuerschaltung fuer Transistor-Wechselrichter - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT 8000 München 2, 2 3. APR. 197 Q Berlin und München Wittelsbacherpl. 2

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Steuerschaltung für Transistor-Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für fremdgesteuerte Transistor-Wechselrichter, deren Schalttransistor en in wenigstens zwei abwechselnd leitend bzw. nichtleitend gesteuerten Schaltungszweigen angeordnet sind, unter Verwendung eines Taktgenerators.

Bei der Ansteuerung der Sehalttransistoren von Wechselrichtern muß sichergestellt sein, daß insbesondere das Ausschalten sehr schnell erfolgt, damit die Schaltverluste möglichst klein bleiben und eine thermische Zerstörung vermieden wird.

Um auf eine aufwendige Siebung für die Ausgangsspannung von Umrichtern verzichten zu können, ist es andererseits erforderlich, den Leistungstransistor des Wechselrichters möglichst symmetrisch anzusteuern und dadurch zu verhindern, daß der Kern des Leistungstransformators in die magnetische Sättigung gesteuert wird. Da außerdem bei Transistoren grundsätzlich das Abschalten infolge ihrer Speicherwirkung langsamer erfolgt als das Einschalten, tritt bei jedem Umschaltvorgang ein Kurzschluß im primären Lastkreis auf, der entsprechend dem verbleibenden Kurzschlußwiderstand einen Stromanstieg in den Kollektor-Emitterstrecken der Schalt trans ist or en und in den Wicklungshälften des Leistungstransfprmators über den normalen Laststrom hinaus zur Folge hat« Der Abschaltvorgang fällt somit in nachteiliger Weise in die Zeit des wesentlich erhöhten Stromflüsses. Erfolgt die Abschaltung sehr schnell, so wird die Zeitspanne, in der dieser Kurzschluß gegeben ist, ver-

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kürzt, so daß auch der während dieser Zeit ansteigende Strom geringere Werte erreicht.

Andererseits verursacht das schnelle Abschalten eine abrupte Änderung der Ströme im Leistungstransformator, da der in beiden Wicklungshälften des Leistungstransformators fließende Kurzschlußstrom beendet wird und in einer Wicklungshälfte nur noch der normale Laststrom fließt. Das Streufeld des Leistungstransformators induziert dadurch Spannungsspitzen_s die an der Kollektor-Emitterstrecke des abschaltenden Transistors anstehen und diesen gefährden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für in fremdgesteuerten Wechselrichtern arbeitende Schalttransistoren anzugeben, mittels der die genannten Nachteile auch bei hohen Schaltfrequenzen vermieden werden. Gemäß der Erfindung ist im Steuerkreis beider Schalttransistoren je eine Diode vorgesehen, die für die vom Taktgeber gelieferten Einschaltimpulse in Sperrichtung gepolt sind, und die Einsehaltspannung für den Schalttransistor im gesperrten Schaltungszweig von der Kollektor-Emitterspannung des von der Durchlaßphase in die Sperrphase überwechselnden Schalttransistors des anderen Schaltungszweiges abgeleitet wird.

Bei Anwendung dieser Schaltung kann beim Umsteuern der Schalttransistoren im Primärstromkreis kein Kurzschluß mehr auftreten, weshalb sowohl die Abschaltverluste als auch die Abschaltspannungsspitzen klein bleiben.

Die Einschaltspannung für die Schalttransistoren wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung jeweils vom Kollektor des Schalttransistors des einen Schaltungszweiges über einen Widerstand an die Basis des

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Schalttransistors im anderen Schaltungszweig zugeführt. Die Punktion der Schaltung kann noch dadurch verbessert werden, daß dem Widerstand zwischen Kollektor und Basis eine Zenerdiode in Reihe geschaltet wird, über die das Einschaltsignal erst nach Anstieg der Kollektorspannung auf den durch die Zenerspannung vorgegebenen Wert weitergeleitet wird.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Verluste in den Widerständen verringert werden, wenn die Schalttransistoren über eine Verbundschaltung hochohmig angesteuert werden. Der hiermit zwangsläufig verbundene Anstieg der Sättigungsspannung der Schalttransistoren kann mit Hilfe von in den Basiskreis eingeschleifter Hilfsspannungen, die über Zusatzwicklungen am Leistungstransformator abgenommen werden, wieder gesenkt werden.

Die Verluste in den Widerständen können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch vermieden werden, daß die Einsehaltspannung aus einer von der Kollektorspannung gesteuerten Hilfsspannungsquelle zugeführt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die in den Figuren 1 bis 4 im Prinzip dargestellt sind, näher erläutert·

Alle vier Ausführungsbeispiele gehen von der gleichen Grundschaltung für fremdgesteuerte Gegentaktwechselrichter aus. Sementsprechend sind die gleichbleibenden Teile der Grundschaltung in allen Beispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die im Gegentakt arbeitenden Sehalttransistoren Ts1 und Ts2, der Leistungstransformator Tr und die Betriebsspannungsquelle U1, die zwischen der Hittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators Tr

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und dem Verbindungspunkt der Emitter der beiden Schalttransistoren angeordnet ist, bilden die gleichbleibende Grundschaltung. Die Steuerspannung wird zwischen der Basis der beiden Schalttransistoren Ts1 bzw. Ts2 und dem gemeinsamen Emitteranschluß zugeführt.

In Fig.1 ist ein Ausführungsbeispiel einer einfachen Steuerschaltung dargestellt, das die Merkmale der Erfindung aufzeigt. Die Steuerung der beschriebenen Grundschaltung erfolgt mit einer rechteckförmigen Steuerspannung aus dem Taktgeber T. Mit den positiven bzw. nega-

k tiven Impulsen der Steuerspannung können die Schalttransistoren in bekannter Weise abwechselnd in den leitenden bzw. sperrenden Zustand gesteuert werden. Abweichend von dieser Wirkungsweise besteht der Grundgedanke der neuen Steuerschaltung darin, die Umschaltung des jeweils gesperrten Schalttransistors in den leitenden Zustand nicht beim Auftreten des entsprechenden Steuerimpulses, sondern erst dann vorzunehmen, wenn der Schalttransistor im anderen Schaltungszweig an seiner Kollektor-Emitterstrecke Spannung aufnimmt, also bereits sperrt. Dies wird dadurch erreicht, daß von der gegenüber dem Minuspol _fler Betriebsspannung U1 symmetrischen Steuerspannung des Taktgebers T mit kleinem Innenwiderstand jeweils

^ nur das Abschaltsignal ausgenutzt wird, während das Einschaltsignal durch die in die Basiszuleitung eingeschleiften Dioden D1, D2 gesperrt ist. Wird angenommen, daß z.B. der Transistor Ts1 den Laststrom zum Minuspol der Spannungsquelle U1 führt, so wird der entsprechende Steuerimpuls, der diesen Transistor leitend steuern würde, durch die Diode D1 gesperrt und liefert somit keinen Basisstrom, während die Steuerspannung für den Transistor Ts2 am Widerstand R3, der seiner Basis-Emitterstrecke parallelgeschaltet ist, einen Spannungsabfall verursacht,

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der als Sp'errpotential für den Transistor Ts2 wirkt.

Der Transistor Ts1 erhält seinen Basisstrom über den Widerstand R1 aus der Koliektor-Bmitterspannung des gesperrten Transistors Ts2 und ist deshalb solange eingeschaltet, bis sich die niederohmige Steuerspannung des Taktgenerators umpolt und diesen Basisstrom absaugt. Gleichzeitig liefert sie dabei einen großen Ausräumstrom für den Transistor TsI, so daß das Sperren schnell erfolgt, während der bis dahin gesperrte Transistor Ts2 erst dann eingeschaltet wird, wenn die Kollektor-Emitterspannung des Transistors Tst ansteigt und ein Basisstrom über den Widerstand R2 in den Transistor Ts2 fließen kann. Die Diode D2 verhindert ein vorzeitiges Einschalten durch die Steuerspannung. Dieser Vorgang wiederholt sich jeweils beim Umpolen der Steuerspannung wechselweise für die Schalttransistoren Ts1 und Ts2.

Die Funktion dieser Schaltung kann verbessert werden, wenn in Serie zu den Widerständen R1 bzw. R2 je eine Zenerdiode Zl bzw. Z2 geschaltet wird. Es wird dadurch erreicht, daß der Transistor, der eingeschaltet werden soll, erst dann angesteuert wird, wenn die Kollektor-Emitterspannung des anderen Transistors bereits auf einen Wert angestiegen ist, der größer ist als die Zenerspannung. Die Zenerspannung muß jedoch unter der niedrigsten vorkommenden Eingangsspannung U1 Ifegen, damit das Anschwingen der Schaltung gewährleistet ist.

Pig.2 zeigt eine verbesserte Steuerschaltung, bei der die in den Widerständen R1 bzw. R2 zwangsläufig auftretenden Verluste verringert werden. Für die unveränderten Teile der Steuerschaltung werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.1 beibehalten. Die vorteilhaften Eigenschaften der beschriebenen Schaltung bleiben uneingeschränkt er-

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halten, da hier das Einschalten der Transistoren ebenfalls durch die Kollektor-Emitterspannung veranlaßt wird. Die Steuerschaltung unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel durch die Verwendung von den Schalttransistören vorgeschalteten Verbundtransistoren Ts3 bzw. Ts4. Die Steuerung der Verbundtr-ansistoren erfordert nur einen geringeren Basisstrom, der über entsprechend hochohmige Widerstände R11 bzw. R12 verlustarm zugeführt wird. Diese Maßnahme führt zwar zu erhöhten Durchlaßverlusten der Schalttransistoren, da deren Sättigungsspannung hierbei um die Basis-Emitterspannung des Verbundtransistors höher liegt. Durch Einführen einer kleinen Hilfsspannung in die Basiszuleitungen der Schalttransistoren Ts1 und Ts2 können die Verluste gesenkt werden. Die Hilfsspannung wird in einfacher Weise an kleinen Zusatzwicklungen des Leistungsübertragers Tr abgenommen. Diese Schaltungserweiterung ist. in Fig^ nicht dargestellt.

Die Steuerschaltung nach Fig.3 verwendet keine Verbundtransistoren und Hilfsw.icklungen» Die Steuerenergie für die Schalttransistoren wird hler einer Hilfsspannungsquelle Ujt mit niedrigem Absolutwert entnommen, die über die Tranaistorstufen Ts5, R5 bzw«, Ts6₉ R6 an die Schalttransistoren geschaltet wird» Die Transistoren Ts5 und Ts6 werden über die hochohmigen Widerstände R21 und R22 von der Kollektorspannung der Schalttransistoren Ts1 bzw. Ts2 verlustarm gesteuert«,

Das Ausführungsbeispiel nach Figo4 zeigt eine weitere Maßnahme, wie die Verluste in den Widerständen zwischen Kollektor und Basis unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung verringert werden lz<5inien<, Zu diesem Zweck ist je ein MltJcopplungs-Stromwandler V/1 und W2 mit seiner Primärwicklung in den Kollektorstromkreis und seine Sekundärwicklung in den Basis-Emitterkreis der Schalttran-

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sistoren eingeschaltet. Die Wandler sind so bemessen, daß sie, nachdem der Kollektorstrom zu fließen begonnen hat, an den Augenblickswert des Kollektorstromes angepaßt über die Sekundärwicklung des Wandlers immer den gerade notwendigen Basisstrom liefern, ohne, den Transistor zu stark zu übersteuern. Die Widerstände R9 bzw. R10, über die bei fehlendem Mitkopplungswandler W1 bzw* W2 der gesamte Steuerstrom für die Schalttransistoren fließen würde, führen nur einen kleinen Steuerstrom und weisen deshalb nur geringe Verluste auf.

Die Anwendung der Steuerschaltung ist nicht auf Gegentaktwechselrichter beschränkt. Sie ist grundsätzlich auch bei Wechselrichtern in Halbbrückenschaltung mit "den gleichen Vorteilen anwendbar. Hierbei müssen jedoch die beiden Kollektor-Basis-Verbindungskreise unterschiedlich bemessen werden. .

7 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Steuerschaltung für fremdgesteuerte Transistor-Wechselrichter, deren Schalttransistoren in wenigstens zwei abwechselnd leitend bzw. nichtleitend gesteuerten Schaltungszweigen angeordnet sind, unter Verwendung eines Taktgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis beider Schalttransistoren (Ts1, Ts) je eine Diode (D1, D2) vorgesehen ist, die für die vom Taktgeber (T) gelieferten. Einschaltimpulse in Sperrichtung gepolt sind, und daß die Binsehaltspannung für den Schalttransistor (Ts1, Ts2) im gesperrten fc . Schaltungszweig von der Kollektor-Emitterspannung des von der Durchlaßphase in die Sperrphase überwechselnden Schalttransistors des anderen Schaltungszweiges abgeleitet ist.
2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Schalttransistors (TsI, Ta2) jedes der beiden Schaltungszweige über einen Widerstand (R1, R2) wechselweise mit der Basis des Schalttransistors im anderen Schaltungszweig verbunden ist.
3. 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

   gekennzeichnet, daß mit dem Widerstand (R1 bzw. R2) je eine für den Basisstrom in Zenerdurchlaßrichtung gepolte Zenerdiode (Z1 bzw. Z2) in Reihe geschaltet ist.
4. 4. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehalttransistoren (Ts1, Ts2) in den Schaltungszweigen in je einer Verbundschaltung mit den Transistoren (Ts3, Ts4) arbeiten.

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5. 5. Steuerschaltung nach Anspruchs, dad u r c h g ek β η η zeichne t, daß in die Basisleitung der Schalttransistoren der Verbundschaltung mittels ;je einer Zusatzwicklung des Leistungsübertragers (Tr) eine Hilfespannung eingekoppelt ist.
6. 6. Steuerschaltung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e η η ζ eic h η e t, daß die Einschaltspannung für die Schalttransistoren (Ts1, Ts2) nacheinander aus je einer Hilfsschaltung, bestehend aus einer Spannungsquelle (Ujt) und einer von der Kollektor-Emitterspannung am Schalttransistor des in die Sperrphase übergegangenen Schaltungszweiges gesteuerten Transistorstufe (Ts5, Ts6), zugeführt wird.
7. 7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d adur ch gekennz e i chnet, daß parallel zur Basis-Emitterstrecke der Sehalttransistoren (TsI ,· Ts2) gegebenenfalls in Reihe mit einem Widerstand die Sekundärwicklung und in den Kollektorkreis die Primärwicklung eines Mitkopplungswandlers (WT, W2) eingeschaltet ist.

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