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Schaltungsanordnung für einen Gegentakt-Wechselrichter mit
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einer Regeleinrichtung für den Gegentakt.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter,
bei dem an einer Gleichspannungsquelle mindestens zwei Schalter liegen, die im Gegentakt
angesteuert werden und wechselweise Strom führen, wobei ein zeitliches Überschneiden
des gleichen Schaltzustandes der beiden Schalter durch eine Regeleinrichtung verhindert
wird.
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Das Problem eines zeitlichen tberschneidens des gleichen Schaltzustandes
der beiden Gegentaktschalter tritt insbesondere dann auf, wenn als Schalter Leistungstransistoren
verwendet werden und wenn die beiden eistungstransistoren in Reihe geschaltet sind.
In dieser Schaltung liegt dann die Reihenschaltung an der Gleichspannungsquelle;
der Verbindungspunkt der beiden Leistungatransistoren führt ein Wechselpotential.
Wird ein solcher Leistungstransistor abgeschaltet, d.h. gesperrt, dann ist er für
die sog. Ausräumzeit der Basis, oder auch Speicherzeit genannt, noch
weiter
leitend. Wenn gleichzeitig mit dem Sperren des einen Leistungstransistors der andere
Leistungstransistor leitend gesteuert wird, dann sind für eine kurze Zeit beide
leistungstransistoren der Reihenschaltung leitend. Dadurch können Ströme fließen,
die bis zur Zerstörung der beiden Transistoren führen. Damit nun sichergestellt
ist, daß der eine Leistungstransistor erst dann leitend gesteuert wird, wenn der
andere leistungatransistor mit Sicherheit gesperrt ist, gibt es die eine Möglichkeit,
während der Ansteuerimpulse Pausen einzulegen. Eine andere bessere Möglichkeit ist
beispielsweise aus der Zeitschrift "Electronic Design", Nr. 11, 24. Mai 1975, S.
82 bis 86, insbesondere aus der dortigen Figur 6 bekannt und besteht darin, über
eine Logik zu verhindern, daß ein Deistungstransistor leitend geschaltet wird, solange
der andere innerhalb der Speicherzeit noch leitend ist, obwohl er an sich schon
für seine Sperrung angesteuert worden ist. Als Indikator für den Schaltzustand der
Leistungstransistoren ist bei der bekannten'Schaltung die Ausgangsspannung des die
Leistungstransistoren enthaltenden Schaltverstärkers verwendet, die der Kollektor-Emitterspannung
der eistungstransistoren entspricht. Bei hoher Leistung ist dieser Indikator unzuverlässig
und kann ein zeitliches überschneiden der Stromführung nicht garantiert verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
für einen Wechselrichter anzugeben, die ausgehend von diesem bekannten Prinzip,
mit einer Logik das zeitliche überschneiden des Schaltzustandes der beteiligten
Gegentaktschaler zu verhindern, eine zuverlässig arbeitende Regeleinrichtung enthält.
Dabei ist insbesondere an die Realisierung bei einem Wechselrichter in Brückenschaltung
für hohe Leistungen gedacht, bei dem nicht nur an die Sicherheit der Gegentaktschalter
hohe Anforderungen gestellt werden, sondern bei dem auch die Lösung über die Kollektor-Emitter-Spannung
als Indikator, wie sie bei der bekannten Schaltung verwendet wird, nicht möglich
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Schalter mit ihren Steuerstrecken
an Sekundärwicklungen eines Steuertransformators liegen, der über eine Primärwicklung
eine primäre Steuerspannung wechselnder Polarität bekommt, daß als Stellglieder
der Regeleinrichtung parallel zu der Primärwicklung für beide Polaritäten jeweils
die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Regeltransistors mit einer
Diode gleicher Leitungsrichtung und mit einem ohmschen Widerstand liegt, daß als
Meßglieder der Regeleinrichtung an jeden Schalter die Primärseite jeweils eines
Stromwandlers liegt, dessen Sekundärseite mit der Emitter-Basis-Strecke jeweils
eines der beiden Regeltransistoren verbunden ist, und daß die Zuordnung der Schalter
zu den Regeltransistoren in der Weise erfolgt, daß der Stromwandler am jeweils geschlossenen
Schalter denjenigen Regeltransistor leitend steuert, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
durch die primäre Steuerspannung in Sperrichtung gepolt ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen beispielsweise
den Fall, wo die Gegentaktschalter Leistungstransistoren sind, und sehen für die
Meßglieder, die eine für den geschalteten Strom ohne mögliche zeitliche Verschiebung
repräsentative Größe erfassen müssen, vor, daß die Stromwandler entweder in Reihe
jeweils zur Emitter-Kollektor-Strecke des zugehörigen Leistungstransistors liegen,
also den Kollektorstrom vorteilhaft direkt erfassen, oder daß sie parallel zur Emitter-Basis-Strecke
liegen, wobei der durch die Emitter-Basis-Spannung fließende Strom als repräsentative
Größe genommen wird. Die Basis-Emitter-Spannung ist mit dem geschalteten Kollektorstrom
über die Sättigung des Leistungstransistors einschließlich der Speicher- bzw. Ausräumzeit
der Basis weitgehend verkoppelt und kann zuverlässiger den Schaltzustand angeben
als die Kollektor-Emitter-Spannung.
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Andere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betreffen
die Ansteuerung des Steuertrsnsfortnators selbst, der entweder eine einfache Primärwicklung
oder eine Primärwicklung mit Mittelanzapfung hat. Im Fall der Mittelanzapfung liegen
dann die beiden Regeltransistoren zueinander und zu den beiden Hälften der Primärwicklung
ausgehend von der Mittelanzapfung parallel.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
betrifft die Ausführung des Wechselrichters als Brückenschaltung von vier Schaltern,
bei denen jeweils einander gegenüberliegende Schalter gleich geschaltet sind. Gleich
geschaltete Schalter sind dann jeweils mit der Steuerelektrode eines der beiden
Regeltransistoren verbunden. Eine Möglichkeit besteht darin, diese Verbindung mit
der Funktion eines ODER-Gatters für je zwei Schalter über eine Diode pro Schalter
herzustellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Regeltransistoren jeweils
durch Parallelschalten eines weiteren Regeltransistors zu je einem Paar zu erweitern.
Die Ansteuerung eines Paares durch die gleich geschalteten Schalter erfolgt dann
jeweils an den Basen der beiden zusammengeschalteten Regeltransistoren.
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Ferner sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemaßen
Schaltungsanordnung die Erweiterung zu einer Regelschaltung vor für den Fall, wo
dem Wechselrichter ein Gleichrichter nachgeschaltet ist, wo also eine Gleich-Gleich-Wandlung
bewerkatelligt werden soll. In diesem Fall können die Regeltransistoren zur Regelung
der Gleichspannung hergezogen werden. Zu diesem Zweck ist eine weitere Steuerung
der Regeltransistoren über einen Regler vorgesehen, der die Höhe der gewonnenen
Gleichspannung ausregelt.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt mit einfachen Mitteln
eine praktikable Lösung der gestellten Aufgabe dar, insbesondere für einen Wechselrichter
hoher Leistung, bei dem wegen der erforderlichen hohen Schaltströme die Ansteuerung
der Gegentaktschalter über einen Transformator erfolgt und von Vorteil ist, die
Gegentaktschalter durch Leistungstransistoren zu realisieren und die Gegentaktschaltung
in einer Brückenschaltung auszuführen. Durch die Regeleinrichtung wird garantiert,
daß ein für die Schalter bzw. für die Leistungstransistoren schädliches und Verlustleistung
erzeugendes Überlappen ihres leitenden Zustandes verhindert wird.
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Anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 1 als Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter, bei dem vier
Leistungstransistoren als Gegentaktschalter in einer Brückenschaltung angeordnet
sind. Die Ansteuerung erfolgt über einen Transformator mit Mittelanzapfung. Die
Fig. 2 zeigt als Variante die Ansteuerung über einen Transformator ohne Mittelanzapfung,
die Fig. 3 die Erweiterung der Regeltransistoren zu Regeltransistorpaaren. In der
Fig. 4 ist die zweite Möglichkeit zur Erfassung des Schaltzustandes der Beistungstransistoren
dargestellt, wo die Stromwandler parallel zu den Basis-Emitter-Strecken der Leistungstransistoren
liegen. Die Fig. 5 zeigt die Erweiterung eines Wechselrichters mit einer erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung zu einem Gleichspannungswandler, bei dem die Höhe der gewonnenen
Gleichspannung über die Regeltransistoren ausgeregelt wird.
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In der Fig. 1 sind mit t bis 4 vier Beistungstransistoren vom npn-Iyp
bezeichnet, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Dazu liegen die Kollektoren
der beiden Beistungstran-
sistoren 1 und 2 über die Primärseiten
jeweils eines Stromwandlers 5 bzw. 6 an einer Klemme 9, die gegenüber einem Bezugspotential
eine Gleichspannung +UB führt. Die Emitter der beiden Beistungstransistoren 1 und
2 führen jeweils über die Primarseite eines Stromwandlers 7 bzw. 8 und über die
Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungatransistors 3 bzw. 4 zum Bezugspotential.
Die Emitter der beiden Leistungotransistoren 1 und 2 sind mit einem Ausgang 10 verbunden,
der eine Wechselspannung führt. Die Sekundärseiten der Stromwandler 5 bis 8 haben
jeweils zwei Ausgangsklemmen, die in der Reihenfolge der Stromwandler 5 bis 8 mit
a bis h bezeichnet sind. Zur Ansteuerung sind die Emitter-Basis-Strecken der Leistungstransistoren
1 bis 4 jeweils über einen ohmschen Widerstand 11 bzw. 12 bis 14 an je eine Sekundärwicklung
15 bzw. 16 bis 13 eines Steuertransformators 19 angeschlossen.
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Eine Primarwicklung 20 des Steuertransformators 19 besitzt zwei Anschluß.
klemmen, die zu zwei Ausgängen x und z eines Steuerteils 21 führen, und eine Nittelanzapfung,
die zu einem Ausgang y des Steuerteils 21 führt. Parallel zu dem einen Teil der
Primäre wicklung 20 und zwischen den Klemmen y und x des Steuerteiles 21 liegt die
Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-S-trecke eines Regeltransistors 22 mit einer
Diode 23 und mit einem ohmschen Widerstand 24. Parallel zu dem anderen Teil der
Primärwicklung 20 und zwischen den Klemmen y und z des Steuerteils 21 liegt die
Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Regeltransistors 25 mit einer
Diode 26 und mit einem ohmschen Widerstand 27. Beide Regeltransistoren 22 und 25
sind vom pnp-Typ.
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Die Basen der beiden Regeltransistoren 22 und 25 sind mit dem Ausgang
y des Steuerteils 21 jeweils über einen ohmschen Widerstand 28 bzw. 29 verbunden.
Die Basis des Regeltransistors 22 führt über eine Diode 30 zur Klemme e des Spannungswandlers
7 und über eine Diode 31 zur Klemme c des Spannungswandlers 6. Die Basis des Regeltransistors
25 führt über eine Diode 32 zur
Klemme g des Spannungswandlers
8 und über eine Diode 33 zur Klemme a des Spannungswandlers 5. Die Mittelanzapfung
ist mit den Klemmen d,f,b und h der Spannungswandler 5 bis 8 verbunden. Die Leitungsrichtung
der Diode 23 ist dieselbe wie die der in Reihe geschalteten Emitter-XolleRtor-Strecke
des Regeltransistors 22, entsprechend die der Diode 26 zum Regeltransistor 25. Die
Leitungarichtung der Dioden 30 bis 33 ist dieselbe wie die der Emitter-Basis-Dioden
der angeschlossenen Regeltransistoren 22 und 25. Durch Einzeichnung von Punkten
bei den Wicklungen des Steuertransformators 19 ist gekennzeichnet, daß bei positiver
Polarität des an dem Ausgang z des Steuerteils 21 liegenden Anschlusses der Primärwicklung
20 die beiden Leistungstransistoren 1 und 4 leitend gesteuert werden, bei positiver
Polarität des am Ausgang x des Steuerteils 21 liegenden Anschlusses der Primärwicklung
20 die beiden Leistungstransistoren 2 und 3.
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Es sei angenommen, daß die beiden Leistungstransistoren 1 und 4 leitend
gesteuert sind und die beiden Leistungstransistoren 2 und 3 gesperrt. Dann sind
im Steuerteil 21 der Ausgang x auf Bezugapotential geschaltet, der Ausgang y positiver
als x und der Ausgang z positiver als y. Es fließt dann ein Strom durch die Stromwandler
5 und 8, die über die beiden Dioden 32 und 33 den Regeltransistor 25 leitend zu
steuern versuchen. Durch die in Sperrichtung vorgespannte Diode 26 bleibt jedoch
der Regeltransistor 25 ohne Strom. Der Regeltransistor 22 wäre durch die leitend
vorgespannte Diode 23 leitend, ist jedoch wegen der fehlenden Ansteuerung der beiden
Dioden 30 und 31 gesperrt. Die beiden Stromwandler 6 und 7 führen keinen Strom.
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Wird nun die Ansteuerung umgeschaltet, d. h. der Ausgang z des Steuerteils
21 auf Bezugspotential gelegt, der Ausgang y positiver als der Ausgang z und der
Ausgang x positiver als
der Ausgang y, so kehren sich die Spannungen
am Steuertransformator 19 um. Die Diode 23 wird gesperrt, die Diode 26 leitend.
Führen nun die beiden Leistungstransistoren 1 und 4 trotz der sie sperrenden Ansteuerung
aufgrund ihrer Speicherzeit weiter Strom, dann bleibt der Regeltransistor 25 weiter
leitend angesteuert und führt wegen der leitendmachenden Vorspannung der Diode 26
nun Strom. Durch Dimensionierung des ohmschen Widerstandes 27 - entsprechend des
ohmschen Widerstandes 24 - wird erreicht, daß die Sekundärwicklungen 16 und 17 des
Steuertransformators 19 nur eine solche Spannung bekommen, daß die Lei s tungstransi
storen 2 und 3 noch nicht leitend werden. Solange noch ein Kollektorstrom durch
die beiden Leistungstransistoren 1 und 4 fließt, bleibt der Regeltransistor 25 leitend,
und die Sekundärspannungen in den Wicklungen 16 und 17 können den Wert von beispielsweise
0,5 V nicht übersteigen. Die Leistungatransistoren 2 und 3 bleiben solange gesperrt.
Erst wenn die Kollektorströme der beiden Leistungatransistoren 1 und 4 auf einen
so kleinen Wert abgesunken sind, daß der Regeltransistor 25 gesperrt wird, können
die Sekundärspannungen in den Sekundärwicklungen 16 und 17 über 0,5 V ansteigen
und die Leistungstransistoren 2 und 3 leitend steuern. Das Entsprechende gilt bei
dem nächsten Umschalten, wo das Leitendateuern der beiden Leistungstransistoren
1 und 4 entsprechend verzögert wird. Die magnetische Energie des Steuertransformators
19, die sich als Stromeinprägung bemerkbar macht, wird während der Strompausen in
den ohmschen Widerständen 24 und 27 verbraucht und kann die Sekundärspannungen nicht
über 0,5 V anheben.
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Wird bei dem Steuertransformator 19 keine Primärwicklung 20 mit Mittelanzapfung
verwendet, so sind die Regeltransistoren 22 und 25 zwischen die Anschlußklemmen
der Primärwicklung 20 geschaltet.
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Dieses Detail ist in der Fig. 2 dargestellt. Ein Steuertransformator
19 hat wieder die Primärwicklung 20, diesmal ohne Mittel-
anzapfung,
und vier Sekundärwicklungen 15 bis 18. Das Steuerteil 21 hat nur die~Ausgänge x
und z, die mit den beiden Anschlüssen der Primärwicklung 20 verbunden sind. Die
Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors 25 mit der Diode
26 und mit dem ohmschen Widerstand 27 liegt dann parallel zu den Anschlüssen der
Primärwicklung 20; entsprechend für den Regeltransistor 22. Als Variante sind diesmal
keine pnp-Transistoren dargestellt, sondern npn-Transistoren für die beiden Regeltransistoren
22 und 25. Dementsprechend kehren sich die Polaritäten der Dioden 23 und 26 um und
die der an den Basen liegenden ansteuernden Dioden 30 bis 33. Weiter liegt hier
die Diode 26 am Kollektor des Regeltransistors 25 und die Diode 23 am Kollektor
des Regeltransistors 22. Der Emitter des Regeltransistors 25 ist mit den Klemmen
b und h des Stromwandlers 5 bzw. 8, der Emitter des Regeltransistors 22 mit den
Klemmen d und f des Stromwandlers 6 bzw. 7 verbunden.
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In der Fig. 3 ist eine andere Ansteuerung der Regeltransistoren 22
und 25 dargestellt. Wieder ist ein Steuertransformator 19 mit einer Primärwicklung
20 und mit Sekundärwicklungen 15 bis 18 verwendet. Die Primärwicklung 20 ist mit
ihrer Mittelanzapfung mit einem Ausgang y und mit den beiden äußeren Anschlüssen
mit den Ausgängen x und z des Steuerteils 21 verbunden. Zwischen den Ausgängen y
und z liegen wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Reihenschaltung der Emitter-tollektor-Strecke
des Regeltransistors 25 mit der Diode 26 und mit dem ohmschen Widerstand 27. Zwischen
den Ausgängen y und x liegt die Reihenschaltung der Emitter-tollektor-Strecke des
Regeltransistors 22 mit der Diode 23 und mit dem ohmschen Widerstand 24. Parallel
zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors 22 ist diejenige eines Regeltransistors
34 und parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors 25 diejenige
eines Regeltransistors 35 geschaltet. Dadurch werden Regeltransistorpaare
gebildet,
die die bei den vorigen Ausführungsbeispielen durch die Dioden 30 bis 33 gebildeten
ODER-Gatter ersetzen. In diesem Fall sind die Klemmen der Stromwandler 5 bis 8 direkt
mit den Basen der Regeltransistoren 22,25,34 und 35 verbunden. Und zwar liegen die
Klemme a des Stromwandlers 5 an der Basis des Regeltransistors 35, die Klemme g
des Stromwandlers 8 an der Basis des Regeltransistors 25, die Klemme c des Stromwandlers
6 an der Basis des Regeltransistors 22 und die Klemme e des Stromwandlers 7 an der
Basis des Regeltransistors 34. Alle Regeltransistoren sind von demselben Typ. Die
Klemmen b,d,f und h der Stromwandler 5 bis 8 sind wie beim Ausführungsbeispiel nach
der Fig. 1 mit dem Ausgang y und mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung 20 verbunden.
Der Vorteil dieser direkten Ansteuerung der Regeltransistoren nach diesem Ausführungsbeispiel
gegenüber der Ansteuerung über Dioden liegt darin, daß von den Stromwandlern 5 bis
8 geringere Ausgangsspannungen verlangt werden und dadurch der Wirkungsgrad des
Wechselrichters verbessert wird.
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Eine weitere Möglichkeit, die Regeltransistoren 22 und 25 bzw.
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nach der Variante der Fig. 3 auch die Regeltransistoren 34 und 35
anzusteuern, besteht darin, die Stromwandler 5 bis 8 nicht in den Kollektorstromlcreis
der Leistungatransistoren 1 bis 4 zu schalten, sondern in deren Steuerkreis. Dies
ist in der Figur 4 dargestellt. Wieder enthält der Steuertransformator 19 die Primärwicklung
20 und Sekundärwicklungen 15 bis 18, die mit den Emittern und über jeweils einen
der ohmschen Widerstände 11 bis 14 mit den Basen eines der Leistungstransistoren
I bis 4 verbunden sind. Die Primärseiten der Stromwandler 5 bis 8 sind hier zwischen
die Basis und den Emitter jeweils eines der Leistungatransistoren 1 bis 4 geschaltet.
Dabei wird die Tatsache ausgenützt, daß die Basis-Emitter-Spannung erst nach Ablauf
der Speicherzeit von etwa +0,7V auf einen negativen Wert absinkt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in der Fig. 5 dargestellt. Dort ist ein erfindungsgemäßer Wechselrichter mit
Regeleinrichtung erweitert zu einem Gleichspannungswandler. Die primäre Gleichspannung
entspricht der Gleichspannungsquelle 9. Sie wird über die blockmäßig dargestellte
Wechselrichterschaltung 36 wechelgerichtet und steht über eine Glaichrichterschaltung
37 in der gewünschten Höhe an einem Ausgang 38 für eine Last 39 zur Verfügung. Die
Ansteuerung des Wechselrichters 36 ist dieselbe wie nach der Fig. 1 über den Steuertransformator
19 mit den entsprechenden Wicklungen und mit den Regeltransistoren 22 und 25 sowie
mit dem Steuerteil 21. Die Wdhe der am Ausgang 7 stehenden Gleichspannung wird in
einem Differenzverstärker 40 mit einem SolLwert verglichen. Eine Abweichung führt
über einen Regler 41 zu einer entsprechenden Stellgröße. Diese wird über jeweils
eine Diode 42 bzw. 43 auf die Basis des Regeltransistors 25 bzw. 22 gegeben. Auf
diese Weise läßt sich die Höhe der gewonnenen Gleichspannng über die bereits vorhandene
Regeleinrichtung ausregeln. Ist die Ausgangsgleichspannung größer als der Sollwert,
so bleiben die Regeltransistoren 22 und 25 durchgeschaltet, auch wenn die entsprechenden
Stromwandler 6,7 und 5,8 die Regeltransistoren 22 und 25 freigegeben hätten. Dadurch
sinkt die Ausgangsgleichspannung, bis sie ihren Sollwert unterschreitet. Ist dies
der Fall, werden die Regeltransistoren 22 und 25 über die Dioden 43 und 42 gesperrt;
der Wechselrichter 36 schaltet wieder ein und vergrößert die Ausgangsgleichspannung
wieder. Eine solche Schaltung entspricht einem Gleichspannungswandler mit Impulabreitensteuerung.
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9 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e