DE2606960C3

DE2606960C3 - Steuerschaltung für Transistor-Gegentaktwechselrichter

Info

Publication number: DE2606960C3
Application number: DE19762606960
Authority: DE
Inventors: Walter Ing.(Grad.) 8013 Haar Haberzeth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-20
Filing date: 1976-02-20
Publication date: 1978-08-10
Also published as: DE2606960A1; DE2606960B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für Transistor-Gegentaktwechselrichter mit einem Leistungstransformator und mit einer Steuerübertra· ho ger-Anordnung zur transformatorischen Rückkopplung des Laststromes auf die Steuerkreise der Schalltransistoren sowie mit einem Taktgeber zur Stabilisierung der Schaltfrequenz der Schalttransistoren.

Eine derartige Wechselrichterschaltung, bei der die t,i Stelltransistoren mittels eines Magnetverstärkers, der aus zwei sättigbaren Übertragern im Steuerkreis der Transistoren besteht, impulsbreitengesteuert sind, ist bereits bekannt(US-PS 30 78 380),

Es ist auch bereits ein ungeregelter selbstgesteuerter Transistor-Wechselrichter bekannt, bei dem die SchaJttransistoren von einem periodisch in den Sättigungszustand gelangenden Steuerübertrager gesteuert werden (DE-PS 12 44 281), Bei einer derartigen Spannungsrückkopplung mit einem Sättigungs-Steoerübertrager ist eine dem Laststrom optimal angepaßte Ansteuerung der Schalttranistoren nur bei konstanten Werten von Eingangsspannung und Last möglich, da sich zum Beispiel bei der Änderung der Eingangsspannung auch die Basisströme der Schalttransistoren im gleichen Sinne ändern. Ebenso variiert die Schaltfrequenz des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, dem Laststrom und von Streuungen des Kernmaterials des Steuerübertragers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Transistor-Gegentaktwechselrichtern mit einer Stromrückkopplung die Konstanz der Schaltfrequenz zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Wechselrichter der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß ein zur Durchführung der Rückkopplung vorgesehener, betriebsmäßig nicht sättigbarer Steuerübertrager eine zusätzliche der Primärwicklung des Leistungstransformators über einen Widerstand parallelgeschaltete Primärwicklung aufweist, die an den Ausgang des Taktgebers angeschlossen und durch diese periodisch kurzschließbar ist, und daß der Steuerübertrager über eine weitere Wicklung mit einer Sättigungsdrossel beschaltet ist

Das Teilmerkmal, wonach der Primärwicklung des Leistungstransformators über einen Widerstand eine zusätzliche Primärwicklung des Steuerübertragers parallel geschaltet ist ist aus der US-PS 33 08397 an sich bekannt Jedoch handelt es sich dort nicht um eine Wechselrichter-Steuerschaltung mit einem besonderen Taktgeber.

Im normalen Betriebsspannungsbereich des Wechselrichters arbeitet der Steuerübertrager, der nicht in die Sättigung gelangt, zusammen mit das Taktgeber wie eine Steuerschaltung mit einem Sättigungs-Steuerübertrager: Die Spannung an der Primärwicklung des Steuerübertragers wird durch den Taktgeber periodisch kurzgeschlossen. Dabei ist die Sättigungsdrossel so dimensioniert, daß ihre Betriebsinduktion im getakteten Betrieb des Wechselrichters unterhalb des Sättigungsinduktion bleibt Eine Beeinflussung der Ansteuerung der Schalttransistoren kann daher nicht eintreten. Fällt bei zu geringer Betriebsspannung des Wechselrichters der Taktgeber aus, dann wird in der Sättigungsdrossel die Sättigungsinduktion erreicht, und die Ansteuerung der Schalttransistoren erfolgt wie bei Verwendung eines Sätl'gungs-Steuerübertragers. Die Schwingfrequenz kann dann so gewählt werden, daß eine Sättigung des Leistungstransformators vermieden wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der Taktgeber aus einem Sägezahngenerator in Verbindung mit einer von der Sägezahnspannung periodisch gesteuerten bipolaren Halbleiterschalter-Anordnung, deren Einschaltdauer jeweils durch eine Stromrückkopplung des Kurzschlußstromes be* stimmt ist.

Die Sägezahnspannung zur Steuerung des bipolaren Halbleiterschalters kann dabei durch Konstantstromladung eines Kondensators und Entladung eine Schwing-, kreisdrossel über eine Trigger-Diode mit definierter Durchbruchspannung erzeugt werden.

Die Halbleitersehalter-Anardnung ist dabei gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Ausfuhrungsfcirm der Erfindung so ausgebildet, daß sie zwei symmetrisch ausgebildete ausgangsseitig durch Dioden entkoppelte paralJelgeschaltete stromrflckgekoppelte Transistorschalter mit je einem Schalttransistor und je einem Steueröbertrager umfaßt und daß die Primärwicklung beider Stromübertrager in Reibenschaltung mit der Schwingkreisdrossel im Entladestromkreis des Kondensators angeordnet ist und daß ferner je eine Stromrückkoppluogswicklung der Steuerübertrager in Reihenschaltung mit der Kollektor-Emitterstrecke des zugehörigen Schalttransistors und der zugehörigen Diode den der Primärwicklung des Steuerübertragers parallelgeschalteten Ausgang bildet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert

F i g. 1 ist ein Transistor-Gegentaktwechselrichter in Halbbrückenschaltung dargestellt;

F i g. 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines Taktgebers.

Die Halbbrückenschaltung des Gegentaktwechselrichters (F i g. 1) wird von Schalttransistoren Ti und Γ2 sowie Kondensatoren C3 und CA gebildet Im Diagonalzweig der Brückenschaltung liegt die Primärwicklung eines Leistungstransformators Tr, der sekundärseitig durch einen Lastwiderstand Rl abgeschlossen ist Die Steuerschaltung des Wechselrichters besteht im wesentlichen aus einem Steuerübertrager Ü, der eine größere Anzahl von Wicklungen aufweist und aus einem Taktgeber S. Die Steuerwicklungen des Steuerübertragers, die unmittelbar an die Basis-Emitterstrecke der beiden Schalttransistoren angeschlossen sind, tragen die Bezeichnungen Ia und \b. Zwei Wicklungen Ha und Ub, die der Rückkopplung des Laststromes auf den Steuerkreis der Schaittransistoren dienen, sind jeweils im Emitterstromkreis der beiden Schalttranistoren 71, TI angeordnet Eine weitere Eingangswicklung des Steuerübertragers ist die Wicklung III, die über einen hochohmigen Widerstand /73 der Primärwicklung des Leistungstransformators Tr parallel geschaltet ist. Über eine Wicklung IV ist der Steuerübertrager mit einer Sättigungsdrossel Dr 2 beschaltet Der Steuerübertrager selbst besitzt keinen Sättigungskern. Der Taktgeber S, der lediglich eine Funktion als bipolarer Schalter ausübt, ist ausgangsseitig mit seinen Klemmen A und B der Wicklung III des Steuerübertragers Ü parallel geschaltet

Die Ansteuerung des Wechselrichters soll zunächst unter der Annahme beschrieben werden, daß der Taktgeber 5 nicht vorhanden ist. Die Schaltung arbeitet dann wie ein Wechselrichter mit einem Sättigungs-SteuerUbertrager. Zwischen dem Kollektor und der Basis der beiden Schalttransistoren Ti und Tl liegende Widerstände R 1 und R 2 bewirken das Anschwingen des Wechselrichters beim Anschalten. Im stationären Betrieb hält die über den Widerstand /73 hochomig angesteuerte Wicklung III des Steuerübertragers i7den Schwingungszustand aufrecht. Ein sich zum Lastwiderstand proportional einstellender Emitterstrom transformiert von der Wicklung Ha bzw. 116 auf die Wicklung la bzw. \b in den Basis-Emitter-Steuerkreis der Schalttransistoren. Die Schalttransistoren werden somit mit einem dem Emitterstrom proportionalen Basisstrorn angesteuert. Diese Schaltung arbeitet mit einer geringen jeweils der Last angepaßten Steuerleistung. Im Hinblick auf die Erzielung minimaler Steuerverluste variiert die Schaltfrequenz des Wechselrichters insbesondere bei hohem und induktivem Laststrom sowie bei großen

ίο

Toleranzen des Kernmaterials des Steuerttbertragers in einem noch unerwünscht weitem Bereich, Schaltfrequenslnderungen können einerseits zur Folge haben, daß die Frequenz bei ober dem Hörfrequenzbereieb arbeitendem Wechselrichter (z.B, 2OkHz) in den hörbaren Bereich absinkt und daß andererseits eine ansteigende Frequenz zu erhöhten SchaJtverlusten in den Schalttransistoren und zu erhöhten Ummagnetisierungsverlusten im Leistungstransformator Tr führt Außerdem ändert sich auch der Spannungsabfall an den unvermeidlichen Streuinduktivitäten des Leistungstransformators, so daß der Mittelwert der Ausgangsspannung unerwünschten Schwankungen unterliegt

Durch Hinzufügen des den Steuerübertrager O periodisch kurzschließenden Taktgebers S wird die angestrebte Frequenzkonstanz des Wechselrichters erreicht Ein Ausführungsbeispiel für eine vorteilhafte Ausgestaltung des Taktgebers S wird anhand der F i g. 2 näher beschrieben.

Der Taktgeber besteht im wesentlichen aus einem Sägezahngenerator und einem von diesem gesteuerten bipolaren Halbleiterschalter. Die Sägezahnspannung wird mittels einer Konstantstromqueifc in Verbindung mit einem Kondensator und einer Trigger-Diode erzeugt Die Konstantstromquelle besteht aus einer Stromstabilisierungsschaltung mit den Widerständen /74, /75, einer Bezugsspannungsquelle ZD und einem Stelltransistor TS, dessen konstanter Kollektorstrom den Kondensator CS als Teil des Schwingkreises auflädt, wobei an diesem linearer Spannungsanstieg auftritt Bei Erreichen der Durchbruchspannung einer in einem Parallelzweig zum Kondensator CS angeordneten Trigger-Diode D 5 in Reihenschaltung mit einer Schwingkreisdrossel Dr 1 entlädt sich der Kondensator. Die Dauer der Entladung wird bestimmt durch die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, der von dem Kondensator CS und der Schwingkreisdrossel Dr 1 gebildet wird. Da die Trigger-Diode DS den Strom nur in Durchlaßrichtung führen kann, ist der Schwingungsvorgang nach eine Halbschwingung beendet und die Trigger-Diode geht wieder in ihren Sperrzustand über. Der Kondensator CS ist dann durch die teilweise Rückspeisung der in der Schwingkreisdrossel DrI gespeicherten Energie auf eine kleine negative Spannung aufgeladen. Danach beginnt durch den vom Transistor TS gelieferten Konstantstrom ein neuer linearer Spannungsanstieg am Kondensator CS. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, wobei am Kondensator eine sägezahnförmige Spannung entsteht, deren Abfallzeit klein ist gegen die Anstiegszeit. Der als bipolarer Halbleiterschalter bezeichnete weitere Teil des Taktgebers S besteht aus zwei symmetrisch ausgebildeten Transistorschaltern mit den Schalttransistoren 73 und 74 sowie den Stromübertragern 01 und Ü2. Die Primärwicklungen II, 12 dieser Übertrager sind in Reihenschaltung mit der Schwingkreisdrossel Dr 1 im Entladestromkreis des Kondensators C5 angeordnet Ihre Sekundärwicklungen Il 1, und II 2 sind jeweils im Basis-Emitterkreis der zugehörigen Schaittransistoren 73 und T4 angeordnet, jeder der Stromübertrager Ü1, Ü2 weist darüber hinaus eine Stromrückkopplungswicklung IHl bzw. IH 2 auf, die in den Emitterkreis der Schaittransistoren eingefügt ist.

Der von der Reihenresonanzschaltun? erzeugte sinusförmige Halbschwingungsstromiimpuls der eine Zeitdauer aufweist, die kürzer ist als der Umschaltvorgang der SchalttransVoren 71, 72 des Wechselrichters, durchfließt die Erregerwicklungen 11,12 der

Stromübertrager Üi, Ü2 und transformiert sich über die Sekundärwicklungen II 1, Il 2 in den Basis-Emitter-Steuerkreis der Schalttransistoren T3, T4, worauf deren Kollektor-Emitterstrecken kurzzeitig leitend werden. Damit wird für jede Polarität der von der Primärwicklung III des Steuerübertragers L/ (Fig. 1) gelieferten Spannung ein Kurzschluß zwischen den Punkten A und B gebildet. Wenn z. B. am Punkt A Plus-Potential herrscht, koppelt sich der Kurzschluß-Strom über die Sekundärwicklung Il 1 des Stromübertragers Üi in den Basissteuerkreis der Schalttransistors 7"3 und hält diesen stromdurchlässig für die Dauer des Fortbestehens der augenblicklichen Polarität des Steuerübertragers Ü. Der Kurzschluß-Strom entspricht dem transformierten Augenblickswert des Emitterstromes des jeweils stromführenden Schalttransistors, z. B. Tl, im Steuerübertrager Ü entsprechend der Windungszahl der Primärwicklung III zusätzlich eines kleinen Stromes über den Widerstand A3. Da die als der über die Übertrager ÜI. Ü2 des Taktgebers gelieferte Erregerstromimpuls. Nach dem Umpolen der Spannung an den Punkten A und B fällt der Transistor TZ im Taktgeber wieder in den Sperrzustand zurück. Der Transistor TA des Taktgebers ist vor diesem Zeitpunkt bereits wieder gesperrt. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich mit dem nächsten Stromimpuls des Sägezahngenerators in der negativen Halbschwingung des Wechselrichters, wobei nunmehr der Transistor T4 die Spannung an der Wicklung III des Steuerübertragers Ü\m Wechselrichter kurzschließt.

Bei einer Eingangsspannung des Wechselrichters, die weit unterhalb des Toleranzbereiches liegt und bei der der Sägezahngenerator noch nicht arbeitet, würde der Wechselrichter frei mit einer Frequenz schwingen, die durch die Dimensionierung des Steuerübertragers Ü vorgegeben ist. Um aber sicherzustellen, daß der Steuerübertrager Ü bei Taktbetrieb nicht in die Sättigung gelangt, andererseits aber im Falle der

Spannung an aen runiaen /\ unu ο dci
gung der Schwellwerte der Diode D3 und des Transistors Γ3 als kurzgeschlossen angesehen werden kann, ist auch die Spannung an den Rückkopplungswicklungen Ha, 116 des Steuerübertragers Ügleich Null. Der damit beginnende Übergang des Schalttransistors Tl in den sperrenden Zustand erfolgt in der gleichen Weise wie bei einem frei schwingenden Wechselrichter, dessen Steuerübertrager in den Sättigungszustand übergeht. Sobald die Spannung an der Wicklung Ia des Steuerübertragers Ü gleich Null ist, bewirkt die Spannung eines im Basisemitterkreis des Schalttransistors Tl angeordneten Kondensators CI einen Basis-Emitterausräumstrom für die Dauer der Speicherund Abfallzeit des Schalttransistors Π. Indem der Schalttransistor Tl jetzt beginnt Spannung aufzunehmen, polt die Spannung am Leistungstransformator Tr um, und der Laststrom kommutiert auf den Schalttransistor T2. Die Zeit vom Einleiten des Kurzschlusses an den Punkten A und ßdes Taktgebers bis zum Umpolen der Spannung am Leistungstransformator ist, bedingt durch die Ausschaltzeit des Schalttranistsors Tl, länger 13CIUS131CUCI UIIg Hill CIIICI IIUI WCIItg TUII uCT ΐαΚίΐΓΐ' quenz abweichenden Schaltfrequenz freischwingt, ist dem Steuerübertrager über die Wicklung IV die Sättigungsdrossel Dr2 mit Z-Charakteristik nachgeschaltet. Die Sättigungsdrossel ist über die Wicklung IV nur mit dem magnetischen Wechselfluß des Steuerübertragers Ü gekoppelt, während die Gleichstromvormagnetisierung ferngehalten wird. Die Sättigungsdrossel isi dabei so dimensioniert, daß im Taktbetrieb des Wechseh ,chters die Betriebsfunktion unterhalb der Sättigungsinduktion bleibt und damit eine Beeinflußung des Schaltverhaltens verhindert wird. Bei Betrieb des Wechselrichters mit zu geringer Eingangsspannung, bei der der Sägezahngenerator des Taktgebers S nicht arbeitel, wird in der Sättigungsdrossel Dr2 die Sättigungsinduktion erreicht, und es setzt für den Wechselrichter der selbstgesteuerte Betrieb ein, wie er durch die Sättigungssteuerung gegeben ist. Die Schwingfrequenz kann dann so gewählt werden, daß eine Sättigung des Leistungstransformators Tr vermieden wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

X, steuerschaltung fflxTransistor-Gegentaktwech' selrichter mit einem Leistungstransformator und mit ·» einer Steoerübertrager-Anordnung zur transformatorischen Rückkopplung des Laststromes auf die Steuerkreise der Schalttransistoren sowie mit einem Taktgeber zur Stabilisierung der Scbaltfrequenz der Schalttransistoren, dadurch gekennzeich- in net, daß ein zur Durchführung der Rückkopplung vorgesehener, betriebsmäßig nicht sättigbarer Steuerübertrager (O) eine zusätzliche der Primärwicklung des Leistungstransformators (Tr) über einen Widerstand (R 3) parallelgeschaltete Primär- H wicklung (III) aufweist, die an den Ausgang des Taktgebers (S) angeschlossen und durch diesen periodisch kurzschließbar ist, und daß der Steuerübertrager (O) über eine weitere Wicklung (IV) mit einer Sättigungsdrossel (Dr 2) beschaltet ist >n
2. Steuerschaltung für Transistor-Gegentaktwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (S) aus einem Sägezahngenerator in Verbindung mit einer von der Sägezahnspannung periodisch gesteuerten bipolaren Halbleiterschalter-Anordnung besteht, deren Einschaltdauer jeweils durch eine Stromrückkopplung des Kurzschlußstromes bestimmt ist
3. Steuerschaltung für Transistor-Gegentaktwechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, )o daß die Sägezahnspannung durch Konstantstromladung eines Kondensators (CS) und Entladung auf eine Schwingkreisdrossel (Dr 1) über eine Trigger-Diode (DS) mit definierter Ditrchbruchspannung erzeugt ist H
4. Steuerschaltung fürTransistor-Gegentaktwechselrichter nach Anspruch 3, dadurcirgekennzeichnet, daß die bipolare Halbleiterschalter-Anordnung zwei symmetrisch ausgebildete ausgangsseitig durch Dioden (D 4, D5) entkoppelte parallelgeschaltete stromrückgekoppelte Transistorschalter mit je einem Schalttransistor (Γ3, TA) und je einem Stromübertrager (Oi, U2) umfaßt und daß die Primärwicklung (11,1 2) beider Stromübertrager in Reihenschaltung mit der Schwingkreisdrossel (DrI) im Entladestromkreis des Kondensators (CS) angeordnet ist und daß ferner je eine Stromrückkopplungswicklung (IH 1, IH 2) der Steuerübertrager in Reihenschaltung mit der Kollektor-Emitterstrecke des zugehörigen Schalttransistors (T3, T4) V) und der zugehörigen Diode (D 4, D 5) den der Primärwicklung des Steuerübertragers (U) parallelgeschalteten Ausgang bildet.