DE2757463A1

DE2757463A1 - Transistorwechselrichter mit einem leistungstransformator

Info

Publication number: DE2757463A1
Application number: DE19772757463
Authority: DE
Inventors: Elio Dipl Ing Lupatin; Luigi Dipl Ing Rizzi
Original assignee: Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens SpA
Current assignee: Italtel SpA
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1978-07-06
Also published as: SE7713941L; FR2375749B1; NZ186016A; US4233658A; MX144444A; FR2375749A1; AU3033477A; IT1074198B; NO773207L; GB1556342A; BR7707779A; AU512336B2

Description

Transistorwechselrichter mit einem Leistungstransformator.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorwechselrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wechselrichter, d.h. Einrichtungen zur Erzeugung einer Wechselspannung, normalerweise einer Rechteckspannung, aus einer Gleichspannung, werden häufig zur Stromversorgung oder Fernspeisung für Nachrichtensysteme verwendet; in einen Rückkopp lung skr eis geschaltet, können sie als Regelelement der Stromversorgungseinrichtung benutzt werden. Transistor-Wechselrichter des hier behandelten Typs enthalten einen Leistungstransformator, dessen Primärwicklung einen Mittenabgriff aufweist, der mit einem Pol der Gleichspannungs-Stromversorgung verbunden ist. Der zweite Pol der Stromversorgung ist mit dem anderen Ende der beiden Primärhalbwicklungen über zwei Transistoren verbunden, die abwechselnd im Sättigungs- und Sperrzustand arbeiten. Die (symmetrische) Last liegt an den Enden der Sekundärwicklung. Die Steuersignale für die Transistoren können von einem externen Generator erzeugt werden oder, wie bekannt ist, im Wechselrichter selbst mittels eines Selbstsättigungs-HiIfstransformators, dessen Primärwicklung parallel zur Primärwicklung des Leistungstransformators geschaltet ist. Die an den Enden der mit dem Mittenabgriff versehenen Sekundärwicklung vorliegenden Signale steuern die Traneistoren.

Eines der schwierigsten Probleme, die bei derartigen Wechselrichtern auftreten, ist die Unsymmetrie der Spannungen am Leistungstransformator, die durch unterschiedliche Werte einiger Parameter der Transistoren bedingt sind (hauptsächlich unterschiedliche "Speicherzeit", d.h. die beim Sperren des

98 2^/08

Transistors bis zum Abklingen der Basis- und Kollektorströme verstreichende Zeitspanne, und, in geringerem Ausmaß, unterschiedliche Werte von V_c„ . und V„_E .). Dies verursacht im Leistungstransformator einen Gleichstromanteil, der je nach seiner Bemessung, der Speisespannung usw. ihn in den Sättigungszustand versetzen kann. In einem der beiden Transistoren tritt somit am Ende der DurchlaBhalbperiode ein hoher Spitzenstrom auf, der oft zu hohen Umschaltungsverlusten führt und den Transistor sogar aus dem Sicherheitsbereich und zum Durchbruch bringen kann. Das Problem wird noch durch thermische Instabilität erschwert,weil im Transistor mit hohen (Anschaltung sverlusten die Temperatur so stark ansteigt, daß seine Parameter verschlechtert werden.

Die Gefahr, daß es nach einer gewissen Betriebszeit zur Zerstörung des Transistors kommt, kann dadurch vermieden werden, daß man den Gleichstromanteil im Kern des Leistungstransformators mit Widerständen beschränkt und den Transformator so bemißt, daß er nicht den Sättigungszustand erreichen kann. Diese Maßnahme ist aber praktisch nicht anwendbar bei Wechselrichtern, die bei Frequenzen von 10 bis 20 kHz arbeiten, weil die Differenzen zwischen den Speicherzeiten der Transistoren in der Größenordnung der Mikrosekunden liegen und der Gleichspannungsanteil am Transformator 5 bis 20% der Speisespannung beträgt.

Eine weitere Maßnahme besteht darin, Transistoren mit gleichen Parametern auszuwählen (Speicherzeit, V_CEsat, usw.). Abgesehen von den Schwierigkeiten, die eine solche Auswahl mit sich bringen würde, gewährleistet diese Maßnahme aber keineswegs eine Betriebsbeständigkeit auf lange Sicht.

Eine andere Lösung des Problems besteht darin, einen Synchron-HiIfstransformator mit Rückkopplung vorzusehen, durch

8098 2^/08

welche die infolge Sättigung des Transformators auftretenden Differenzen zwischen den Streitwerten beider Transistoren eine Verringerung der DurchlaBzeit des Transistors bewirken sollen, der die längste Durchlaßperiode hat. Zu diesem Zweck enthält der Hilfstransformator eine weitere Wicklung, die von dem Differenzstrom beider Transistoren durchflossen wird und den Kern des Hilfstransformators vormagnetisiert, wodurch das Amplitudenverhältnis (normalerweise 1/1) der Steuerimpulse der beiden Transistoren verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistorwechselrichter mit Mittenabgriff anzugeben, der unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile zur Gewährleistung einer dauerhaften Betriebssicherheit ohne Gefährdung der Transistoren mit einem vollständig elektronischen, also integrierbaren Steuerkreis für die Transistoren auskommt und keinen Hilfstransformator benötigt.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Wechselrichter gelöst.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Wechselrichters bekannter Art;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 in der Schaltung nach Fig. 2 auftretende Schwingungsformen;

Fig. 4 die teilweise Darstellung einer zweiten AusfUhrungsform der Erfindung; und

Fig. 5 Schwingungsformen in der Schaltung nach Fig. 4.

8 0 9 8 2f* 0 8 3 7

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Wechselrichter sind mit T₁ und T₂ die Schalttransistoren, mit t₁ die beiden Teile der Primärwicklung des Leistungstransformators, mit t₂ die Wicklungen eines Hilfstransformators, mit t*₂ eine Vormagnetisierungswicklung des Hilfstransformators und mit K eine Induktivität hohen Wertes bezeichnet, welche so bemessen ist, daß in der Vormagnetisierungswicklung t'₂ nicht die Ströme mit der Umschaltfrequenz des Wechselrichters (10 bis 20 kHz), sondern nur der Differenzstrom fließen kann. Ferner sind die positiven und negativen Anschlußklemmen der Gleichstrom-Speisequelle erkennbar.

Die schaltungstechnischen Einzelheiten einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wechselrichters mit den Schalttransistoren T., T₂ und der Primärwicklung t. des Leistungstransformators sind Fig. 2 zu entnehmen.

Aus den an den Enden der beiden gleichen Widerstände R gemessenen Emitterspannungen der Transistoren werden durch Tiefpaßfilter F., F₂ die der Umschaltfrequenz des Wechselrichters entsprechenden Frequenzkomponenten ausgefiltert. Die dadurch gewonnenen Gleichstromanteile sind einem Differenzverstärker A zugeführt, der das Differenzsignal d erzeugt. Das Differenzsignal d wird durch zwei Summierglieder S₁, S₂ algebraisch zu bzw. von einem Bezugssignal e addiert bzw. subtrahiert. Wird der Wechselrichter als Regelelement im Rückkopplungskreis einer Stromversorgungseinrichtung benutzt, so ist das Bezugssignal e das in dem Rückkopplungskreis vorliegende Fehlersignal.

Die Summensignale (e + d) und die Differenzsignale (e - d), die durch die Summierglieder S₁, S₂ erzeugt werden, gelangen zu einer Tast-Steuerschaltung M, welche die Steuerimpulse h, i für

8098 2^0837

die Schalttransistoren T₁, T₂ erzeugt. Zur Steuerschaltung M gelangen ferner ein Sägezahnsignal a und ein Rechtecksignal f, das mit dem Sägezahnsignal a phasengleich ist, und dessen Periode doppelt so groß ist wie die des Sägezahnsignals. Zur Erzeugung der Signale a und f können an sich bekannte Schaltungen verwendet werden.

Bei der in FIg. 2 dargestellten Ausführungsform enthält die Steuerschaltung M zwei Vergleichsschaltungen C,, C₂, die das Sägezahnsignal a mit dem Summensignal (e + d) bzw. mit dem Differenzsignal (e - d) vergleichen. Eine Wechselschaltung, die darstellungsgemäß durch die Torglieder G, , G~ und den Inverter I. gebildet und durch das Rechtecksignal f gesteuert ist, läßt abwechselnd zu den Transistoren die Impulse der am Ausgang der beiden Vergleichsschaltungen C,, C₂ vorliegenden Signale c, b durch und begrenzt außerdem deren Rückflanken. Das vom Inverter I. dem zweiten Torglied G₂ zugeführte Signal g ist das Komplement des Rechtecksignals f.

In Fig. 3 sind einige Schwingungsformen für die Steuerschaltung M nach Fig. 2 dargestellt. Fig. 3a betrifft den Fall, daß das Differenzsignal d Null ist. Die Steuerimpulse i, h der Transistoren T₁, T₂ haben die gleiche Zeitdauer, und die Transistoren sind für die gleiche Zeit abwechselnd leitend.

Fig. 3b betrifft den Fall, daß ein Differenzsignal d vorhanden ist. In diesem Fall wird bewirkt, daß die beiden Transistoren unterschiedlich lange Durchlaßzeiten haben; die entsprechende Differenz ist in Fig. 3b zur Verdeutlichung größer dargestellt, als sie in Wirklichkeit ist.

Eine zweite Ausführungsform der Tast-Steuerschaltung M soll nun mit Bezug auf Fig. 4 und 5 beschrieben werden. Sie enthält wieder zwei Vergleichsschaltungen C₁, C_, die die Summensignale (e + d) und die Differenzsignale (e - d) mit zwei Sägezahn-

8 0 9 8 2%/ 0 8 3 7

Signalen a¹, a" vergleichen, welche von einer durch das Rechtecksignal £ gesteuerte Wechselschaltung, bestehend aus den in der dargestellten Heise geschalteten Torgliedern G₃, G. und dem Inverter I₂, aus dem oben genannten Sägezahnsignal a gewonnen werden. Die an den Ausgängen der Vergleichsschaltungen C₁, C₂ erscheinenden Impulse h, i können unmittelbar als Steuersignale für die Transistoren T., T₂ benutzt werden. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung möglich, die Impulse h, i und insbesondere deren Rückflanken z.B. mittels einer ähnlichen Schaltung wie die nach Fig. 2 (Vergleichsschaltungen C₁, C₂,und Inverter I₁) zu begrenzen.

Ähnlich wie bei den Schwingungsformen nach Fig. 3 betrifft Fig. 5a den Fall, daß das Differenzsignal d Null ist, während nach Fig. 5b ein Differenzsignal d vorhanden ist.

Die angegebenen Schaltungen können sowohl in Bezug auf die verwendeten Bauelemente (NAND- oder NOR-Glieder usw.) als auch in Bezug auf die Erzeugung der Signale g, a¹, a" abgewandelt werden, die unter Verwendung externer Generatoren oder andersartiger Schaltungen aus dem Signal f bzw. a gewonnen werden können.

8098 2^/0837

rf _%

Leerse 11

Claims

10174/H/Ro. ««««« (OB 373) Qfm pis{er v Ital.Anm.Nr.3O81 A/76 Dip! ·■·■ ■ vom 23. Dezember 1976 DIpl\·., ΐ; 8 MüncrsGu So, f osüacii &606Θ8 Societa Italiana Teleccmunicazioni Siemens s.p.a. Piazzale Zavattari, 12, Mailand/ItaIien Patentansprüche

1. )j Transistorwechselrichter mit zwei Schalttransistoren und InIt einem Leistungstransformator, dessen Primärwicklung einen mit einem ersten Pol der Gleichstrom-Speisequelle verbundenen Mittenabgriff hat und mit ihren freien Klemmen an die Kollektoren (oder Emitter) der beiden Schalttransistcren geschaltet sind, deren Emitter (bzw. Kollektoren) mit dem zweiten Pol der Speisequelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzschaltung (F,, F₂# A) zur Erzeugung eines der Differenz zwischen den Emitterströmen (bzw. Kollektorströmen) der Transistoren (T₁, T₂) entsprechenden Gleichstrom-Differenz-Signals (d) vorgesehen ist, das von zwei Summiergliedern (S₁, S₂) algebraisch zu bzw. von einem Bezugssignal (e) addierbar bzw. subtrahierbar ist, und daß an den Ausgang der Summierschaltungen (S₁, S₂) eine Steuerschaltung (M) geschaltet ist, die durch ein Sägezahnsignal (a) und ein Rechtecksignal (f), dessen Periode doppelt so groß ist wie die des Sägezahnsignals (a), gesteuert ist und die Steuerimpulse (h, i) für die Transistoren (T₁, T₂) erzeugt.

80982^0837

2.) Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Differenzschaltung zwei Tiefpaßfilter (F₁, F₂) enthält, die zwischen die Emitter (bzw. Kollektoren) und die Eingänge eines Differenzverstärkers (A) geschaltet sind, welcher das Differenzsignal (d) erzeugt.

3.) Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung (M) zwei Vergleichsschaltungen (C₁, C₂)/ die die Summensignale (e + d) bzw. Differenzsignale (e - d) der Summierglleder (S₁, S₂) mit dem Sägezahnsignal (a) vergleichen, sowie eine Wechselschaltung (G₁, G₂) enthält, die an den Ausgang der Vergleichsschaltungen geschaltet und durch das Rechtecksignal (f) gesteuert ist und die von den Ausgängen der Vergleichsschaltungen abgeleiteten Steuerimpulse (i, h) für die Transistoren (T₁, T₂) abwechselnd sperrt.

4.) Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wechselschaltung zwei Torglieder (G₁, G₂) enthält, von denen das eine durch das Rechtecksignal (f) und das andere durch das hierzu inverse Signal (g) aufgetastet wird.

5.) Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung (M) zwei Vergleichsschaltungen (C₁, C₂) , die an einem ersten Eingang die Summensignale (e + d) bzw. Differenzsignale (e - d) der Summierglieder (S₁, S₂) empfangen, sowie eine Schaltung enthält, die durch das Rechtecksignal (f) gesteuert ist und das Sägezahnsignal (a) abwechselnd an die Vergleichseingänge der beiden Vergleichsschaltungen (C₁, C₂) anlegt.

80982^/083

6.) Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die durch das Rechtecksignal (f) gesteuerte Schaltung eine Wechselschaltung 1st, die den Vergleichsschaltungen (C,, C₂) vorgeschaltete Torglieder
(G₃, G₄) enthält.

7.) Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er zwei Torglieder (G₁, G₂) enthält, welche an die Ausgänge der Vergleichsschaltungen
(C,, C₂) geschaltet sind, und von denen das eine durch das Rechtecksignal (£) und das andere durch das hierzu inverse Signal (g) aufgetastet wird.

R η t< Η?ψ/ 08 3 7