DE2716367C2 - Schutzbeschaltung für im Wechselschaltbetrieb gegen induktive Last arbeitende Transistoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schutzbeschaltung ist aus den Valvo Berichten, Band XVIII, 1974, Heft 12, Seiten 142 bis 154, bekannt.

Leistungstransistoren arbeiten im Wechselschaltbetrieb, wenn sie beispielsweise in Transistorstromrichtern eingesetzt werden. Bei diesem Schaltbetrieb entstehen im Transistor Verluste, die man in während der Durchflußphase auftretende, sogenannte statische so und während der Einschalt- und Ausschaltphase auftretende sogenannte dynamische Verluste unterteilt. Die dynamischen Verluste sind durch hohe Spitzenverlustleistungen gekennzeichnet und bilden damit bei höheren Arbeitsfrequenzen einen merklichen Teil der Gesamtverlustleistung. Beim Ein- und Ausschalten von im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren ist zusätzlich zu beachten, daß der Transistor innerhalb seines sicheren Arbeitsbereiches bleibt Die Einschaltverluste lassen sich mit verhältnismäßig einfachen Ansteuertechniken vermindern, z. B. durch kurzzeitige Übersteuerung des Transistors.

Zur Verhinderung der Abschaltverluste ist unter der Bezeichnung RCD-Beschallung eine Schutzbeschaltung der eingangs genannten Art bekannt, wobei der Widerstand des ÄC-Gliedes dem Kondensator desselben parallel liegt und in Serie mit dem ÄC-Glied ein in Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors gepoltes Stromrichterventil geschaltet ist Bei dieser ÄCD-Beschaltung kommutiert beim Abschalten des Transistors sein Kollektorstrom zuerst auf den Kondensator und das Stromrichterventil. Mit der Größe der Kapazität des Kondensators ist die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Transistor und damit der Spannungswert in dem Augenblick gegeben, in dem der Strom durch den Transistor zu Null wird. Der Kondensator wird etwas über den Wert der Anschlußspannung aufgeladen, was durch Transformatorstreuung bedingt ist Ober den parallel geschalteten Widerstand entlädt sich der Kondensator während der Leitphase des Transistors über diesen, wobei die im Kondensator gespeicherte Energie im Widerstand vernichtet wird. Die Entladung der im Kondensator gespeicherten Energie über den Transistor wird durch des Stromrichterventil verhindert Mit dieser RCD-Beschaltung können die Abschaltverluste um ein Vielfaches vermindert werden.

Die bekannten ÄCD-Beschaltungen mit parallel oder in Serie zu dem Kondensator geschaltetem Widerstand können nicht in jedem Fall eingesetzt werden. Sie führen bei einer Stromrichterschaltung, die auf eine gemeinsame induktive Last arbeitende Transistoren in ' Gegentaktschaltung enthält zu einer Erhöhung der Einschaltverluste, die im Extremfall zu einer Gefährdung der Transistoren führen kann. Außerdem wird bei diesen Schaltungen durch die Energievernichtung im Widerstand der Gesamtwirkungsgrad reduziert, was sich bei höheren Frequenzen beachtlich auswirken kann. Es besteht die Aufgabe, eine Schutzbeschaltung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unter Beibehaltung der Vorteile der ÄCD-Beschaltung bei im Wechselschaltbetrieb arbeitenden Transistoren unbegrenzte Einschaltstromspitzen und damit eine Gefährdung der Transistoren vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird das steuerbare Stromrichterventil gleichzeitig mit dem Sperren des Transistors gezündet. Wie bei der bekannten Anordnung kommutiert der Kollektorstrom des Transistors nun auf den durch den Kondensator und das Stromrichterventil gegebenen Strompfad. Anschließend werden die Zündung des steuerbaren Stromrichterventils unterbrochen und der Strom durch den Kondensator zu Null. Damit erreicht man eine strom- und verlustarme Abschaltung der jeweiligen Transistoren.

Für nachfolgend stromführende Transistoren, beispielsweise in Gegentakt- oder Brückenschaltung eines Transistorstromrichters, können wegen des gesperrten Stromrichterventils keine unbegrenzten Einschaltstromspitzen auftreten. Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Schaltung wird praktisch nicht vermindert. Außerdem entlädt sich der Kondensator, wenn dieser zu dem Widerstand des /?C-Gliedes parallel geschaltet ist, nicht — oder nur geringfügig — über den Transistor, was zu dessen Siromentlastung beiträgt.

Wenn Kondensator und Widerstand des /?C-Gliedes in Serie und der Widerstand parallel zum steuerbaren Stromrichterventil geschaltet sind, entlädt sich eine Überladung des Kondensators während der Sperrphase des Transistors über die Spannungsquelle. Aufladungen des Kondensators, die beim Aufsteuern eines anderen auf die gleiche induktive Last arbeitenden Transistors auftreten, werden während der anschließenden Leitpha-

se des zugehörigen Transistors über diesen abgebaut Für nachfolgend stromführende Transistoren werden Eüischaltstromspitzen über den Kondensator durch den in Serie ζκ diesem liegenden Widerstand herabgesetzt

Einschaltstromspitzen können praktisch g.aiz verhindert werden, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine Entkopplungsdiode in Serie mit dem Widerstand des ÄC-GUedes geschaltet wird, die entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors gepolt ist

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schutzbeschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben. Mit einem abschaltbaren Thyristor gemäß einer solchen Ausgestaltung läßt sich ein stromloses Abschalten realisieren, bei dem die Sperrenergie sehr klein und die Freiwerdezeit sehr kurz ist Damit kann die Schaltung auch bei höheren Frequenzen, beispielsweise bei 20 Hz eingesetzt werden.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Schutzbeschaltung anhand der F i g. 1 und 2 näher e. läutert In den beiden Figuren sind unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines gesteuerten Gegentaktwechselrichters. An den Eingangsklemmen 1 und 2 des Gegentaktwechselrichters nach F i g. 1 liegt eine Gleichspannung U. Die Eingangsklemrr,e 2 ist mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung3a eines Ausgangstransformators 3 verbunden, an dessen Sekundärwicklung 36 die Last angeschlossen ist Die Kollektoren zweier Transistoren 4 und 5 sind über jeweils eine Drossel 6 und 7 mit einem Anschluß der Primärwicklung 3a des Transformators 3 verbunden. Die Emitter der Transistoren 4 und 5 sind an die Eingangsklemme 1 geführt. Jedem Transistor 4 und 5 ist eine Schutzbeschaltung 8 bzw. 9 zugeordnet. In jeder Schutzbeschaltung ist dem Transistor 4 bzw. 5 ein Kondensator 10 bzw. 11 in Serie mit einem steuerbaren Stromrichterventil 12 bzw. 13 parallel geschaltet, wobei die steuerbaren Stromrichterventile 12 und 13 in Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors 4 bzw. 5 gepolt sind. Beim Ausführungsbeispiel sind als steuerbare Stromrichterventile 12 und 13 Thyristoren eingesetzt. Anstelle der Thyristoren können auch Transistoren verwendet werden. Jeder Kondensator 10 und 11 ist mit einem Widerstand 14 bzw. 15 zu einem /?C-Glied ergänzt. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 sind die Widerstände 14 bzw. 15 zu den zugehörigen Kondensatoren 10 bzw. 11 in Serie geschaltet, wobei zu jedem Widerstand 14 bzw. 15 eine Entkopplungsdiode 16 bzw. 17 in Reihe geschaltet ist und diese Reihenschaltung von Widerstand 14 bzw. 15 und Entkopplungsdiode 16 bzw. 17 zum zugehörigen steuerbaren Stromrichterventil 12 bzw. 13 oarallel geschaltet ist. Dabei ist die Durchlaßrichtung der Entkopplungsdioden 16 bzw. 17 entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung des zugehörigen steuerbaren Stromrichterventils 12 bzw. 13 und damit entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des zugehörigen Leistungstransistors 4 bzw. 5.

In der F i g. 1 ist für den Leistungstransistor 4 die Treiberstufe 18 gezeigt, die zur Aussteuerung des Transistors 4 seiner Basis vorgeschaltet ist. Die Treiberstufe für den Leistungstransistor 5 und die Zündstufen für die steuerbaren Stromrichterventile 12 und 13 wurden weggelassen, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Die Treiberstufe 18 besitzt Transistoren 19 und 20. die mit Widerständen 21 und 22 in Gegentaktschaltung angeordnet sind. Zur Aussteuerung bzw. zum Sperren des Transistors 4 werden die Transistoren 19 und 20 im Gegentakt angesteuert bzw. gesperrt

Um die Wirkung der erfindungsgemäßen Schutzbe-Schaltung näher zu erläutern, wird im folgenden ein Abschartvorgang für den Transistor 4 beschrieben. Zum Sperren des Transistors 4 wird der bis dahin leitende Transistor 19 gesperrt und der Transistor 20 ausgesteuert Nur fließt ein negativer Basisstrom aus dem Leistungstransistor 4 und seine Kollektorspannung beginnt zu steigen. Gleichzeitig mit dem Sperren des Transistors 19 wird das steuerbare Stromrichterventil 12 angesteuert bzw. gezündet Dabei ist anzumerken, daß das Stromrichterventil 12 auch bereits während der Leitphase des Transistors 4 angesteuert werden kann. Der Kollektorstrcm des Transistors 4 kommutiert nun auf den mit dem Kondensator 10 und dem gezündeten steuerbaren Stromrichterventil 12 gegebenen Strom pfad, wobei die Größe der Kapazität des Kondensators 10 wie bei der bekannten ÄCD-Beschaltung die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Transistor 4 und damit den Spannungswert definiert, der vorliegt, wenn der Strom durch den Transistor 4 zu Null wird. Anschließend wird der Strom über den Kondensator 10 zu Null und ändert wegen seiner Oberladung durch die Streuinduktivität des Transformators 3 und/oder der Wirkung der Drossel 6 seine Richtung. Der umgekehrte Strom fließt über den Kondensator 10, den Widerstand 14 und die Entkopplungsdiode 16.

Wegen der Stromumkehr sperrt das steuerbare Stromrichterventil 12 und an ihm liegt eine negative Spannung an. Der Kondensator 10 entlädt seine Oberladung nun über die Spannungsquelle.

Beim Ansteuern des Transistors 5 sperrt die Entkopplungsdiode 16 und übernimmt die an der linken Seite des Transformators induzierte Spannung. Da im Gegensatz zur bekannten RCD-Beschaltung in diesem Zeitpunkt ein Stromfluß über den Kondensator 10 nicht erfolgt kommt es weder zu unzulässig hohen Einschalt-Stromspitzen für den Transistor 5 noch zu einer hohen Aufladung des Kondensators 10 und dem damit verbundenen Energieverbrauch, der den Gesamtwirkungsgrad reduziert. Die im Kondensator 10 noch vorhandene Ladung wird während der anschließenden Leitphase des Transistors 4 abgebaut, so daß bei einem erneuten Sperren des Transistors 4 die Schutzschaltung 8 wieder vollfunktionsfähig ist.

Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Schaltung nach F i g. 1 dadurch, daß bei den RC-GWedem, die von den Kondensatoren 10 bzw. 11 und den Widerständen 14 bzw. 15 gebildet werden, die Widerstände 14 bzw. 15 zum zugehörigen Kondensator 10 bzw. 11 parallel geschaltet sind, wobei die Entkopplungsdioden 16 und 17 entfallen. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist analog zur Wirkungsweise, die oben im Zusammenhang mit F i g. 1 geschildert wurde. Die steuerbaren Stromrichterventile 12 bzw. 13 sperren, wenn sich wegen der Streuinduktivität des Transformators 3 bzw. wegen der Wirkung der Drosseln 6 oder 7 der Strom nach Sperrung eines Transistors 4 oder 5 umkehrt. Die Kondensatoren 10 bzw. 11 entladen sich dabei jedoch nicht mehr über die Spannungsquelle, sondern die Entladung erfolgt während e'er ganzen Sperrzeit des zugehörigen Transistors 4 bzw. 5 über den zugehörigen Widerstand. Damit ist am Ende der Leitphase eines Transistors 4 oder 5 der zugehörige Kondensator 10 oder 11 völlig entladen, unabhängig von der Dauer der Leitphase des zugehöri-

gen Transistors 4 oder 5. Eine Steuerung der Ausgangsspannung bis auf Null wird damit ermöglicht. Zu erwähnen ist noch, daß die steuerbaren Stromrichterventile 12 und 13 auch ausschaltbare Thyristoren, sogenannte gate turn off-Thyristoren sein können. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß wegen der stromlosen Abschaltung die Sperrenergie klein und die Freiwerdezeiten kurz gehalten werden, so daß die Schaltung auch bei relativ hohen Frequenzen eingesetzt werden kann.

Hierzu I Blatt Zeichnuncen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   L Schutzbeschaltung fur im Wechselschaltbetrieb gegen induktive Last arbeitende Transistoren z. B. in Gegentakt- oder Brückenschaltungen, bei der eine Reihenschaltung aus dem Kondensator eines RC-Gliedes und einem Stromrichterventil parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke jedes Transistors geschaltet ist und das Stromrichterventil in Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des jeweili- gen Transistors gepolt ist, und bei der der Widerstand des RC-Gliedes parallel zu dem Kondensator oder dem Stromrichterventil geschaltet ist, gekennzeichnet durch steuerbare Stromrichterventile (12, 13) und eine Steuerschalhing, die das jeweilige Stromrichterventil (12, 13) spätestens mit dem Sperren des zugehörigen Transistors (4,5) aufsteuert und anschließend sperrt, bevor ein anderer auf die gleiche induktive Last (3) arbeitender Transistor (4,5) aufgesteuert wird.
2. 2. Schutzbeschaltung, bei der jeweils ein Widerstand des ÄC-Gliedes parallel zu dem jeweiligen Stromrichterventil geschaltet ist, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in Serie mit dem jeweiligen Widerstand (14, 15) des ÄC-Gliedes geschaltete Entkopplungsdiode (16, 17), die entgegen der Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors (4,5) gepolt ist.
3. J. Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Stromrichterventil (12,13) ein Transistor ist
4. 4. Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Stromrichterventil (12,13) ein Thyristor ist
5. 5. Schutzbeschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (12,13) über seine Steuerelektrode abschaltbar ist.