DE2632423A1 - Transistor-durchflussumrichter - Google Patents

Transistor-durchflussumrichter

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT '3~ Unser Zeichen Berlin und München VPA 76 P 6 6 7 7 BRD
Transistor-Durchflußumrichter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußumrichter mit einem Transistorstellglied, dessen Kollektor-Emitterstrecke ein Kondensator parallelgeschaltet ist,und mit einem übertrager im Leistungskreis, an dessen Ausgangswicklung eine Gleichrichterdiode im Längszweig und eine Freilaufdiode im Querzweig angeschlossen ist.
Eine derartige Schaltung ist bereits bekannt (VaIvo-Bericht 1974, Band XVIII, Heft 1/2, Seiten 1.4? bis 151). Der zwischen Kollektor und Emitter des Schalttransistors eines Umrichters angeordnete Kondensator kann den Schalttransistor beim Abschalten meist nur unzureichend entlasten, da der Kondensator gleichzeitig der Abmagnetisierung des Übertragers dienen soll. Für die Bemessung des Kondensators gibt es daher nur eine Kompromißlösung. Bei Umrichtern mit galvanischer Trennung des Ein- und Ausgangskreises bildet die Kapazität des Kondensators mit der Querinduktivetat des Übertragers einen Abmagnetisier-Schwingkreis. Die Kapazität muß in erster Linie an die Querinduktivität des Übertragers angepaßt werden. Die Abschaltschutzwirkung für den Schalttransistor hängt andererseits direkt von der Größe der Kapazität ab.
Ha 16 Wis / 15. Juli 1976
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Für einen optimalen Abschaltschutz des Schalttransistors müßte die erforderliche Kapazität des Kondensators um ein Vielfaches größer sein, als es für die Abmagnetisierung erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen eingangs genannten Durchfluß-Umrichter eine Absohaltentlastung für das Transistor-Stel ι glied anzugeben, die von Maßnahmen zur Abmagnetisie-1 rung des Übertragers unabhängig ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in Parallelzweigen zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistorstellgliedes Je ein Kondensator für den Abschaltschutz des Transistor-Stellgliedes und für die Abmagnetisierung des Übertragers vorgesehen ist und daß der Kondensator für den Abschaltschutz mittels eines synchron mit der Steuerspannung des Transistor-Stellgliedes gesteuerten Schalters während des Überganges des Tranästor-Stellgliedes vom leitenden in den gesperrten Zustand an die Kollektor-Emitter strecke geschaltet ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung können die Eunktionen Abschaltschutz des Transistor-Stellgliedes und Abmagnetisierung des Übertragers sauber getrennt werden. Für einen optimal ausgelegten Abschaltschutz kann der Kondensator ausreichend groß bemessen werden und mit Hilfe des Schalters nach dem beendeten Abschaltvorgang des Transistor-Stellgliedes abgetrennt werden. Anschließend kann die Abmagnetisierung des Übertragers über einen weiteren Kondensator erfolgen.
Die während'des Abschaltvorganges aufgeladene Schutzkapazität wird in der nachfolgenden Pause über einen Widerstand entladen.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung ist nicht an eine besondere Ausbildung der Regel- und Steuerschaltung des Gleichstromumrichters gebunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ergibt sich eine einfache schaltungstechnische Ausführung der Schaltung dadurch, daß zur An- bzw. Abschaltung des
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Kondensators für den Abschaltschutz ein von einem primärseitig im Kollektor-Emitterstromkreis des Transistor-Stellgliedes liegenden Stromwandler gesteuerter Schält transistor vorgesehen ist, dessen Emitter-Basisstrecke an eine Sekundärwicklung des Stromwandlers angeschlossen ist und daß eine Tertiärwicklung über eine Entkopplungsdiode mit der Freilaufdiode im Ausgangskreis des Durchflußumrichters abgeschlossen ist und daß ferner für den Kondensator ein hochohmiger Entladeweiderstand vorgesehen ist. Der Schalttransistor wird vom Emitter bzw. Kollektorstrom des Transistor-Stellgliedes eingeschaltet und nach dem Ausschalten des Kollektorstromes über die Freilaufdiode des Gleichstromumrichters durch Kurzschluß des Basis-Emitter-Kreises des Schalttransistors ausgeräumt. Der übersetzte Ausräumstrom des Schalttransistors kann über die Entkopplungsdiode und über die leitende Freilaufdiode fließen. Die Schwellenspannungen der beiden Dioden kompensieren sich gegenseitig, so daß der Ausräumvorgang einem Kurzschluß der Basis-Emitterstrecke entspricht.
Gemäß einer weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann durch einen Ausräumstrom, welcher der Schaltung für die Abschaltentlastung selbst entnommen wird, ein besonders schnelles Sperren des Schalttransistors erreicht werden. Der mit einer Klemme am Emitter des Schalttransistors liegende Kondensator ist dazu mit seiner anderen Klemme über einen Widerstand an die Basis-des Schalttransistors angeschlossen.
Die Entladung des Kondensators nach dem Abschalten des Transistor-Stellgliedes erfolgt über einen Entladewiders-fend, der in Reihenschaltung mit einer Diode der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors parallelgeschaltet ist.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der Figur ist ein Gleichstrom-Durchfluß-Umrichter mit einem Transistor-Stellglied und mit einem Übertrager im Leistungskreis
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im Prinzip dargestellt. Das Ein- und Ausschaltverhalten des Transistor-Stellgliedes im Durchflußumrichter wird durch die Schaltzeiten der Leistungshalbleiter (Transistor-Stellglied und Gleichrichterdiode) sowie durch die v/irksamen Streu- und Leitungsinduktivitäten in den Impulskreisen bestimmt. Bei der Übertragung höherer Leistungen wird der Schalttransistors periodisch sehr hohen Verlustleistungsimpulsen ausgesetzt. Der sichelte Arbeitsbereich im 1,,-Upg-Kennlinienfeld kann schon bei sehr kurzen aber hohen Impulsen überschritten werden. Der Strom- und Spannungsverlauf im !«-U/ng-Kennlinienfeld ist außerdem durch die Streuung der Einflußgrößen weitgehend unberechenbar. Die Höhe und Dauer der Verlustleistungsimpul^e ist von der zu übertragenden Leistung abhängig. Mit Rücksicht auf den sicheren Arbeitsbereich muß deshalb die statische Belastung des Transistor-Stellgliedes erheblich herabgesetzt werden. Hur durch eine vollständige Schaltentlastung des Transistorstellgliedes kann seine theoretische Leistungsgrenze ausgenutzt v/erden. Dies kann mit einem in bekannter.Weise zwischen Kollektor und Emitter des Transistor-Stellgliedes angeordneten Kondensator meist nur unzureichend erreicht werden.
Der Transistor-Durchflußumrichter gemäß der Figur wird eingangsseitig mit einer Spannung U gespeist. Die Ausgangsspannung ist mit U_ bezeichnet. Als Stellglied arbeitet ein Leistungstransistor T1, der die Primärwicklung eines Übertragers Tr1 periodisch an die Eingangsspannung U schaltet. An die Sekundärwicklung des Übertragers Tr1 ist ein in bekannter Weise ausgebildeter Ausgangskreis mit einer Diode D1 als Gleichrichterelement in Verbindung mit einer LC-Siebschaltung L1, C1 und mit einer im Querzweig angeordneten Freilaufdiode D2, die während der Durchlaßzeiten des Transistor-Stellgliedes T1 gesperrt ist.
Der Stelltransistor T1 wird von einer nicht dargestellten Ansteuer« schaltung über einen Übertrager Tr2 ein- und ausgeschaltet. Der überwiegende Anteil der Steuerenergie wird dabei mittels einer
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weiteren Wicklung des Übertragers Tr2 nach dem Rückkopplungsprinzip aus dem Emitter-Stromkreis des Stelltransistors entnommen.
Die Abschaltentlastung für den Stelltransistor T1 erfolgt durch einen Nebenschluß zum Stelltransistor, der durch eirs Reihenschaltung eines Kondensators C3 un^. der Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors T2 gebildet wird. Dsr Schalttransistor wird über einen Stromwandler Tr3, dessen Primärwicklung im Emitterkreis des Stelltransistors T1 angeordnet ist, synchron mit dem Stelltransistor leitend gesteuert. Während der Einschaltzeit des Stelltransistors T1 führt der Schalttransistor T2 nur einen vernachlässigbar kleinen Strom-.- Nach dem Ausschaltvorgang des Stelltransistors T1 übernimmt der Sehalttransistor T2im Nebenschluß den Laststrom, der über den Kondensator C3 weiterfließt. Der Kondensator C3 verhindert einen schnellen Spannungsanstieg am Stelltransistor T1. Sobald der Kondensator C3 die Höhe der Eingangsspannung erreicht hat, ist der Abschaltvorgang beendet. Das Sperren des Schalttransistors T2 im Nebenschluß erfolgt durch Kurzschliessen des Stromwandlers Tr3 über die Wicklung III mit der durch den Strom der Speicherdrossel L1 niederohmig gewordenen Freilaufdiode D2 sowie über die Entkopplungsdiode D3, deren Schwellenspannungen sich kompensieren. Nach abgeschlossenem Ausräumvorgang des Schalttransistors T2 kann der Übertrager Tr1 über einen ιKondensator C2 und einen Widerstand R2 abmagnetisiert werden» Am Schalttransistor T2 entstehen keine weiteren Schaltverluste, da der Laästrom nach dem Aufladen des Kondensators C3 von der Freilaufdiode D2 übernommen wird. Die Abschaltzeit des Schalttransistors kann durch einen Ausräumstrom vom Emitter zur Basis verkürzt werden, der aus der Abschaltentlastung selbst gewonnen wird. Dazu ist der mit der EmitterMtung des.Stelltransistors T1 verbundene Anschluß des Kondensators C3 über einen Widerstand R3 mit der Basis des Schalttransistors T2 verbunden. Während über den Mtenden Schalttransistor T2 im Nebenschluß der Kondensator C3 mit eingeprägtem Strom aufgeladen wird, wirkt
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bereits proportional zur "Spannung am Kondensator C3 der im Schalttransistor T2 über Emitter zur Basis und über den Widerstand R3 fließende Entladestrom als kräftiger Ausräumstrom. Mit der Sperrung des Schalttransistors T2 wird die Emitter-Basisstrecke hochohmig und die restliche Entladung des Kondensators C3 erfolgt über einen Widerstand R1, der in Reihe mit einer Diode D4 der Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors T2 parallelgeschaltet ist. Der Widerstand R1 ist so zu bemessen, daß einerseits eine ausreichend große Spannungs-Zeitfläche für die vollständige Rückmagnetisierung des Stromwandlers Tr3 vorhanden ist und andererseits die zulässige Emitter-Basis-Sperrspannung des Schalttransistcrrs T2 nicht überschritten wird. Die Diode D4 gewährleistet, daß der gesamte von der Wicklung II gelieferte Rückkopplungsstrom des Stromwandlers Tr3 während der Einschaltzeit zur Basis des Schalttransistors T2 fließt. Die Wicklung III des Stromwandlers übernimmt nach dem Abschalten für die Dauer des Sperrzustandes wieder die statische Sperrung des Schalttransistors T2.
Ein weiterer Vorteil der gesteuerten kapazitiven Abschaltentlastung des Transistorstellgliedes T1 besteht darin, daß die durch das Abschalten der wirksamen Streuinduktivität verursachten induktiven Spannungsspitzen unterdrückt werden. Da andererseits die Streuinduktivität eine Einschaltentlastung des Transistor-Stellgliedes zur Folge hat, kann sie bei entsprechender Dimensionierung die sonst benutzte bekannte Einschalt schutzdrossel ersetzen. Eine ausreichende Streuinduktivität kann durch entsprechende Auslegung des Übertragers Tr1 erzielt werden. In diesem Fall wird die beim Einschaltvorgang in der Streuinduktivität gespeicherte Energie vom Entladewiderstand R3 des Kondensators C3 auf genomnen.
4 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (4)

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    Pat e η t a n__s ρ r ü ehe
    1;\ Durchflußumrichter mit einem Transistor-Stellglied, dessen Kollektcr-Einitterstrecke ein Kondensator parallelgeschaltet ist und mit einem Übertrager im Leistungskreis, dessen Ausgang swicklung eine Gleichrichterdiode im Längszweig und eine Freilauf diode im Querzweig auf v/ei st, dadurch gekennzeichnet , üuß in Parallelzweigen zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistor-Stellgliedes (T1) je ein Kondensator (C3, C2) für den Abschaltschutz des Transistor-Stellgliedes und für die Abmagnetisierung des Übertragers (Tr1) vorgesehen ist und daß der Kondensator (03) für den Abschaltschutz mittels eines synchron mit der Steuerspannung des Transistor-Stellgliedes (T1) gesteuerten Schalters (T2) während des Überganges des Transistor-Stellgliedes (TI vom leitenden in den gesperrten Zustand an die Kollektor-Emitterstrecke geschaltet ist.
  2. 2. Durchflußumrichter nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i ch η e t , daß zur An- bzw. Abschaltung des Kondensators (C3) für den Abschaltschutz ein von einem primärseitig im Kollektor-Emitterstromkreis des Transistor-Stellgliedes (TI) liegenden Stromwandler (Tr2) gesteuerter SchalttrarEistor (T2) vorgesehen ist, dessen Emitter-Basisstrecke an eine Sekundärwicklung des Stromwandlers (Tr2) angeschlossen ist und .daß eine Tertiärwicklung (III) über eine Entkopplungsdiode (D3) mit der Freilaufdiode (D2) im Ausgangskreis des Durchflußumrichters abgeschlossen ist und daß ferner für den Kondensator (C3) ein hochohmiger Entladewiderstand (R3) vorgesehen ist.
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    BAD ORIGINAL
  3. 3. Durchflußunirichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der mit einer Klemme am Emitter des Schalttransistors (T2) liegende Kondensator (C3) mit seiner anderen Klemme über dun Entladewiderstand (R3) an die Basis des Schalttransistors angeschlossen, ist.
  4. 4. Burch.flußumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein v/eiterer niederohmiger Entladewiderstand (R1) in Reihenschaltung mit einer Diode (D4) der Emitter-Basisstrecke des Schalttrans istors (T2) parallelgesehaltet ist.
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