DE3036619C2

DE3036619C2 - Schaltungsanordnung für den Kurzschlußschutz von Transistoren

Info

Publication number: DE3036619C2
Application number: DE3036619A
Authority: DE
Inventors: William Frederick Ithaca N.Y. Wirth
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1985-08-22
Also published as: GB2060298B; JPS5656180A; DK400780A; AU6200880A; ES495150A0; KR830003954A; ES8105898A1; US4331994A; JPS6361879B2; CA1152151A; FR2466891B1; KR830002152B1; AU536810B2; FR2466891A1; DE3036619A1; GB2060298A; BR8006093A

Description

a) die Drossel (29) liegt parallel zur Gieichspannungsquelle und in Reihe zum Filterkondensator (22),

b) der Entladezweig besteht aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators (56) und eines gesteuerten Halbleitergleichrichters (57) parallel zur Gieichspannungsquelle, wobei der Löschkon^ensator durch eine gesonderte Gleichspannungsquelle mit einer zur Polarität des Filterkondensators entgegengesetzten Polarität aufgeladen wirti,

c) bei Kurzschluß wird der geswuerte Halbleitergleichrichter(57) vom Fehlersignal der Meßeinrichtung (64) durchgesteuert,

d) der Löschkondensator ist derart bemessen, daß die bei Kurzschluß auftretende Anfangsamplitude des Löschstroms des Löschkondensators (56) größer ist ab der Entladestrom des Filterkondensators (22), wobei durch die Umkehr der Stromflußrichtung durch die kurzgeschlossenen Transistoren deren Minoritätsträger ausgeschwemmt und die Transistoren abgeschaltet werden, worauf nach Abklingen des Löschstroms und Ansteigen des Kurzschlußstroms auf gleiche Werte der resultierende Strom den Nullwert erreicht und anschließend der Löschkondensator vom ansteigenden resultierenden Strom mit einer dem Filterkondensator gleicher Polarität aufgeladen wird,

e) der Filterkondensator (22) wird vor Inbetriebsetzen des Wechselrichters durch die gesonderte Gieichspannungsquelle umgeladen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (64) die Änderungsgeschwindigkeit der Gleichspannung überwacht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladezweig einen in Reihe mit dem Löschkondensator (56) geschalteten Widerstand (58) aufweist, durch welchen der Maximalwert des Löschstroms begrenzt ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Kurzschlußschutz der Transistoren eines von einer steuerbaren Gieichspannungsquelle gespeisten Wechselrichters mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Bei einer derartigen bekannten Schutzschaltung (DE-OS 26 32 380), von der die Erfindung ausgeht, werden im Kurzschlußfall die Leistungstrensistoren des Wechselrichters gesperrt und wird der Filterkondensator pulsierend entladen, jidem durch eine Steuerschaltung die Sperrung der Leistungstransistoren mehrmals kurzzeitig aufgehoben wird.

Es ist ferner bekannt (DE-AS 14 88 859), zur Entladung des Filterkondensators im Kurzschlußfall einen fintladezweig vorzusehen, indem ein Schaltelement geöffnet wird, das im Normalbetrieb immer gesperrt ist. Ein Thyristor, der erheblich besser als Transistoren Stromspitzen aufnehmen kann, läßt sich als Schaltelement verwenden. Da jedoch der Spannungsabfall am Thyristor von mehr als 1 V größer ist als der Spannungsabfall an zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren des Wechselrichters von beispielsweise 03 + 03 = 0,6 V, fließt ein Teil des Kurzschlußstroms immer noch durch die Transistoren, so daß diese nicht vollständig geschützt sind Außerdem muß der Thyristor eine hohe PT-Auslegung haben, da er den Filterkondensator entladen muß.

Die der Erfindung z? grundeliegende Aufgabe besteht darin, die Schaltungsanordnung so vorzusehen, daß bei Kurzschluß im Wechselrichter die Transistoren zuverlässig gegen Durchschlagen geschützt werden sollen.

Die genannte Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst

Die Schutzschaltung spricht somit beim Auftreten eines Kurzschlusses derart an, daß ein durch die kurzgeschlossenen Leistungstransistoren des Wechselrichters fließender rückwärlsgerichteter Löschstrom erzeugt wird, der dem Kurzschlußstrom entgegengesetzt ist und diesen somit neutralisiert so daß die kurzgeschlossenen Transistoren rasch abgeschaltet werden und deren Zerstörung verhindert wird. Die in Reihe zum Filterkondensator geschaltete Drossel begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlußstromes.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines über eine Gleichrichterbrücke gespeisten Wechselrichters, und eines Kurzschlußschutzes für die Transistoren des Wechselrichters:

F i g. 2 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes verschiedener Ströme in der in F i g. 1 gezeigten Schaltung bei Auftreten eines Kurzschlusses und

F i g. 3 eine abgewandelte Form der steuerbaren Halbleiterschalter des Wechselrichters von Fig. 1.

In Fig. 1 sind drei Netzleiter L\. Li und Li wiedergegeben, welche mit dem Drehstromnetz verbunden sind und somit drei um 120° gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen bereitstellen. Die über die Netzleiter zugeführte Wechselspannung wird von einer phasengesteuerten Gleichrichterbrücke 10 in eine Gleichspannung umgesetzt. Die Gleichrichterbrücke weist sechs Thyristoren 11—16 auf, weiche in vorgegebener Abfolge von einer Steuerschaltung 17 in den leitenden Zustand geschaltet werden und so die eingangsseitige Wechselspannung in eine Gleichspannung um-

setzen, wobei in der Zeichnung 18 die positive Ausgangsklemme und 19 die negative Ausgangsklemme der Gleichrichterbrücke darstellt. Die Amplitude der gleichgerichteten Spannung hängt von den Schließwinkeln der Thyristoren 11 —16 innerhalb eines jeden Halbzyklus der angelegten Wechselspannung ab.

Die von der steuerbaren Oleichrichterbrücke 10 abgegebene gleichgerichtete Spannung wird von einer Filterdrossel 21 und einem Filterkondensator 22 geglättet und man erhält jo eine gefilterte Gleichspannung, deren Amplitude z. B. 300 V betragen kann und welche über Gleichspannungsschienen 26 und 27 an einen insgesamt mit 25 bezeichneten Spannungs-Wechselrichter abgegeben wird. Für die vorliegende Beschreibung sei angenommen, daß der Wechselrichter 25 eine Leistung von 14 kW hat, also eine Last mit 15 kW antreiben kann.

Durch Steuern der Schließwinkei der Thyristoren 11—16 läßt sich die auf den Wechselrichter 25 gegebene Gleichspannung in ihrer Amplitude einstellen. Die Gleichrichterbrücke 10, die Drossel 21 und der Filterkondensator 22 bilden somit eine steuerbare Spannungsqueüe zum Speisen des Wechselrichters 25.

In Reihe zum Filterkondensator 22 ist eine Urossel 29 geschaltet, die ihrerseits von einer Freilaufdiode 31 überbrückt ist Warum die Drossel 29 und die Freilaufdiode 31 vorgesehen sind, wird später noch genauer beschrieben. Hier soll zunächst nur darauf hingewiesen werden, daß die Drossel 29 verhältnismäßig klein ist und vorzugsweise eine Induktanz von etwa 8 Mikrohenrie aufweist Damit hat die Drossel nur eine minimale Auswirkung auf die Filtereigenschaften des durch die Filterdrossel 21 und den Filterkondensator 22 gebildeten Glättungskreises. Durch die Drossel 29 werden auch keine nennenswerten Oberwellen auf der auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 anstehenden Gleichspannung erhalten.

Der Wechselrichter 25 weist drei Paare bipolarer NPN-Leistungstransistoren 31—36 auf. Ein jedes der Transistorpaare weist zwei in Reihe über die Gleichspannungsschienen 26 und 27 geschaltete Transistoren auf. Die zwischen den einzelnen Transistoren der drei Transistorpaare liegenden Netzwerksknoten 37, 38, 39 sind mit den Wicklungen eines Wechselstrom-Asynchronmotors 41 verbunden. Die Abfolge und Synchronisierung der von einer Steuerschaltung 42 abgegebenen Steuerströme ist so gewählt daß man die für den Asynchronmotor 41 richtige Wechselspannungsbeaufschla· gung erhält

Die Drossel 29 und dit Freilaufdiode 31 legen die Spannung der Gleichspannungsschienen 26 und 27 an die Spannung am Filterkondensator 22. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 überschwingt, wenn die Leistungstransistoren des Wechselrichters eingeschaltet und ausgeschaltet werden.

Ober die Emitter-Kollektor-Strecke eines jeden der sechs Leistungstransistoren 31—36 ist jeweils eine in entgegengesetzter Richtung gepolte Freilaufdiode 44—49 geschaltet Diese Freilaufdiode'i dienen dazu, den Motorblindstrom zurück zum Filterkondensator 22 zu führen. Die Freilaufdioden 44—49 sorgen ferner dafür, daß die Motorklemmenspannung derart verriegelt wird, daß sie nie über der Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 liegt.

Für einen jeden der Transistoren 31—36 ist ferner vorzugsweise jeweilr ein in der Zeichnung nicht wiedergegebener Saugkreis vorgesehen, der verhindert, daß die in der Last gespeicherte induktive Energie den Leistungstransistor beschädigt, wenn er durch die Steuerschaltung 42 beim normalen Arbeiten ausgeschaltet wird. Derartige Saugkreise dienen zum Speichern und Vernichten von Energie und sind dem Fachmanne an sich bekannt

In F i g. 1 ist jeder Leistungstransistor 31 —36 als herkömmlicher NPN-Transistor eingezeichnet um die Zeichnung übersichtlich zu halten. In Wirklichkeit verwendet man jedoch vorzugsweise Darlington-Lei-

to stungstransistorstufen, wie sie in F i g. 3 wiedergegeben sind. In F i g. 3 weist der Leistungstransistor 31 zwei in der wiedergegebenen Weise zusammengeschaltete Transistoren 31a und 31 b auf. Die Leistungssiufe hat aber immer noch nur drei Anschlußklemmen, nämlich eine Basisklemme, eine Emitterklemme und eine Kollektorklemme, wie dies auch beim Transistor 31 von F i g. 1 der Fall war. In der Praxis sind die Transistoren 31a und 316 sowie die zugeordnete.· Freilaufdiode 44 vorzugsweise auf einem Halbleiterchip integriert

Durch die Steuerschaltung 42 werden die Leistungstransistoren 31 bis 36 in vorprograrviierter Weise mit Baäissteuerströinen beaufschlagt Dk.; führt dazu, daß der Wechselrichter 25 den Asynchronmotor 41 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Amplitude direkt proportional zur Amplitude der Spannung zwischen den Gleichsnannungsschienen 26 und 27 ist. Die Frequenz der vom Wechselrichter 25 ausgangsseitig bereitgestellten Wechselspannung ist durch die Frequenz der von der Steuerschaltung 42 auf die Basisklemmen der Leistungstransistoren 31 —36 gegebene Steuerströme vorgegeben. Man kann diese Frequenz der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 zuordnen und durch diese vorgeben lassen, wozu man in der Steuerschaltung 42 dann einen spannungsgesteuerten Oszillator vorsieht, dessen Frequenzsteuerklemme über Leitungen 51 und 52 mit der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 beaufschlagt ist. Damit ändert sich dann die Frequenz des am Oszillatorausgang bereitgestellten Signales gemäß der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27, und auf diese Weise wird das Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz der vom Wechselrichter 25 erzeugten Wechselspannung im wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl des Asynchronmotors 41 ist direkt proportional zur Arbeitsfrequenz des Wechselrichters 25. Dadurch, daß man ein festes Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 25 aufrecht erhält, kann der Asynchronmotor 41 an seiner Welle stets ein konstantes Drehmoment bereitstellen, ganz gleich wie groß die Motordrehzahl ist.

Um die Motordrelizahl einzustellen, kann man das Arbeite« der Thyristoren 11 — 16 in bekannter Weise über ^A\e Steuerschaltung 42 und die Steuerschaltung 17 derart verändern, daß man zwischen den Gleichspannungsschienen 26 :nd 27 eine Gleichspanßung mn jeweils einer solchen ausgewählten Amplitude erhält, wie dies im Hinblick auf den gewünschten Strom zum Wechselrichter ?5 und Induktionsmotor 41 erwünscht wird. Hierzu kann in der Steuerschaltung 42 eine Sollspannung für die Gleichspannung eingestellt werden. Diese Sollspannung wird in der Steuerschaltung 42 mit der Istspanriung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 verglichen, und man erhält so ein Fehlersignal, welches auf den Leitungen 54 und 55 abgegeben wird und sich in Abhängigkeit zwischen dem Sollwert der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 und dem Istwert der Amplitude der Gleich-

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spannung zwischen den Gleichspannungsschienen ändert, mit welchem der Wechselrichter 25 beaufschlagt ist.

Die Gleichrichterbrücke 10 kann auch aus einem einphasigen Wechselstromnetz gespeist werden anstelle der Versorgung durch das Drehstromnetz, wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1.

Mit der Drossel 29 und mit einer zwischen die Gleichspannungsschienen 26 und 27 geschalteten Schutzschaltung wird ein Schutz der Leistungstransistoren 31—36 bei Kurzschlüssen im Wechselrichter 25 und an seinen Ausgangsklemmen sichergestellt. Zu der Schutzschaltung gehört ein Löschkondensator 56. ein hierzu in Reihe geschalteter gesteuerter Halbleitergleichrichter 57 b/vv. Thyristor 57. sowie ein den Strom begrenzender Widerstand 58. Vorzugsweise hat der Löschkondensator 56 eine Kapazität von 20 Mikrofarad und der Widerstand 58 einen Wert von einem Ohm. Liegt keine KurzschluUsituation vor. so bleibt der I hynstor 57 in seinem nicht leitenden Normalzustand, so daß die Schutzschaltung nicht arbeitet. In diesem Bereitschaftszustdnd wird der Löschkondensator 56 mit der Polarität des Filterkondensators 22 entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Anders gesagt ist die positive Klemme des Filterkondensators 22 an die positive Gleichspannungsschiene 26 angeschlossen, während die nach dem Voraufladen negative Klemme des Löschkondensators 56 mit der positiven Gleichspannungsschiene 26 verbunden ist. Der Löschkondensator 56 ist somit in zur Polarität der Gleichspannungsschienen 26 und 27 gerade entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Das Aufladen des Löschkondensators 56 mit entgegengesetzter Polarität und das Halten des Löschkondensators 56 in diesem Ladezustand während des Bereitstehens der Schutzschaltung bis zum Eintreten einer Kurzschlußsituation erfolgt durch einen getrennten Ladekreis, zu welchem Wider-

Slcxnuc UI üilu UA üüu eine opannürigSijüCiiü r gCiiGrCP.

Die Widerstände 61 und 62 können jeweils einen Wert von 10 k Ohm haben, und die Gleichspannungsquelle kann eine Gleichspannung von 300 V bereitstellen. Auf diese Weise ist der Löschkondensator 56 normalerweise mit der in F i g. 1 eingezeichneten Polarität auf 300 V aufgeladen, während der Filterkondensator 22 normalerweise ebenfalls auf 300 V, nämlich die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 aufgeladen ist. allerdings mit entgegengesetzter Polarität, wie ebenfalls in F i g. 1 eingetragen. Es ist nicht notwendig, daß die nach dem Aufladen des Speicherkondensators 56 an diesem anliegende Spannung genau gleich der Gleichspannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 ist Aus den nachstehend noch genauer zu beschreibenden Gründen ist es jedoch vorteilhaft, den Setrag der Spannungen am Speicherkondensator 56 und am Filterkondensator 22 gleich groß zu wählen.

Beim normalen Arbeiten des Wechselrichters 25 wird keiner der Leistungstransistoren 31—36 eingeschaltet, wenn der ihm zugeordnete, zu ihm in Reihe geschaltete Leistungstransistor ebenfalls leitet Wird jedoch einer der Leistungstransistoren eines Paares fehlcrhafterweise in den leitenden Zustand geschaltet, was z. B. durch eingestreute Störsignale oder Hitzeeinwirkung erfolgen kann, v/enn der andere Leistungstransistor des Paares durch die Steuerschaltung 42 in den leitenden Zustand geschaltet worden ist, oder werden beide Transistoren eines Paares gleichzeitig durch Störsignale oder aus anderem Grund in den leitenden Zustand geschaltet, so sind die beiden Gleichspannungsschienen 26 und 27 praktisch kurzgeschlossen. Nun besteht die Gefahr eines Durchschlages in den betrachteten Leistungstransistoren, da der Filterkondensator 22 versucht, sich über die Kurzschlußstrecke zu entladen.

Es sei z. B. angenommen, daß die Leistungstransistoren 31 und 34 fehlerhafterweise zum gleichen Zeitpunkt in den leitenden Zustand gebracht worden sind. Diese beiden Transistoren werden dann gemeinsam als »fehlerhafte Transistoren« bezeichnet, obwohl möglicherweise einer ordnungsgemäß durch die Steuerschaltung

ίο 42 eingeschaltet wurde. Zum Zeitpunkt eines Kurzschlusses hat man aber fehlerhafte Arbeitsbedingungen in beiden Leistungstransistoren, wie sich aus den späteren Darlegungen noch genauer ergeben wird, so daß man zurecht beide Transistoren als fehlerhaft leitend bezeichnen kann.

Zu Beginn eines Kurzschlusses fällt die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 praktisch auf Null Volt ab. da die Gleichspannungsschienen 26 und 27 praktisch kurzgeschlossen sind. Die gesamten 300 V auf dem Filterkondensator 22 fallen nun sofort an der Drossel 29 ab. welche so verhindert, daß sich der Filterkondensator 22 sofort entlädt. Beträgt die Induktanz der Drossel 29 acht Mikrohenrie. wie oben angedeutet, so kann man unter Verwendung der Formel

Z.d//df

die GröLts des Entladestromes des Filterkondensators 22 und damit die Größe des durch die fehlerhaft leitenden Leistungstransistoren 31 und 34 fließenden Stromes berechnen und sieht, daß der Anstieg dieses Kurzschlußstromes durch die Drossel 29 verlangsamt wird. Bei den bevorzugten Schaltkreisparametern beträgt die Anstiegsgeschwindigkeit des aus dem Filterkondensator 22 fließenden Kurzschlußstromes 37 Ampere pro Mikrosekunde. Durch die kleine Drossel 29 wird somit *ile\ λ tutiancnAcnkiuinj4inlrail rl^tC \ί l»*^cr»hli iRc t I¹ARIIiC Vi«\. riiuin.glgi.nnniiivigni.ii **■». ^ ■-* %*· ■..»...wv.,». v...·».» begrenzt, und zwar derart, daß der Kurzschlußstrom linear sägezahnförmig anwächst, wie dies in Fig.2 durch die entsprechend »Kurzschlußstrom« bezeichnete Kurve gezeigt ist. Wäre dagegen die Drossel 29 nicht vorgesehen, so würde der Kurzschlußstrom praktisch im selben Augenblick auf eine extrem hohe Amplitude anwachsen.

In F i g. 2 stellt der Zeitpunkt to den Beginn des Kurzschlusses dar, und der ab dann fließende, linear zunehmende Kurzschlußstrom fließt durch die Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Leistungstransistoren 31 und 34 und zwar in Richtung vom Kollektor zum Emitter. Zwischen den Zeitpunkten /₀ und t\ (dieses Zeitintervall beträgt weniger als 1 Mikrosekunde)_ spricht eine dv/df-Meßeinrichtung 64 an, welche die Anderungsgeschwindigkeit der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 überwacht Durch die Meßeinrichtung 64 wird der Thyristor 57 zum Zeitpunkt ii in den leitenden Zustand geschaltet. Es versteht sich, daß das Zeitintervall fo — ii nur die für das Ansprechen der Meßeinrichtung 64 notwendige Verzögerungszeit darstellt Wird zum Zeitpunkt ii der Thyristor 57 durchgeschaltet, so fließt durch die fehlerhaften Transistoren 31 und 34 eine zum Kurzschlußstrom entgegengesetzter Löschstrom, welcher den Kurzschlußstrom neutralisiert und ein rasches Abschalten der fehlerhaft leitenden Transistoren sicherstellt Auf diese Weise wird eine Zer-Störung der Transistoren verhindert

Befindet sich der Thyristor 57 im leitenden Zustand, so ist der Löschkondensator 56 abgesehen vom Widerstand 58 direkt über die Gleichspannungsschienen 26

iind 27 geschaltet. Der Löschkondensator 56 war zuvor auf 300 V aufgeladen worden, und zwar mit entgegengesetzter Polarität wie der Filterkondensator 22. Nach dem Durchschalten des Thyristors 57 entlädt sich nun der Löschkondensator 57 rasch über die Leistungstransistoren 31 und 34, und man erhält auf diese Weise einen Löschstrom hoher Amplitude, der in zum Kurzschlußstrom entgegengesetzter Richtung vom Emitter zum Kollektor durch einen jeden der Leistungstransistoren 31 und 34 fließt. Die zum Zeitpunkt t\ sofort erhaltene Amplitude des I.öschstromes liegt bei iOO Aimpere. wenn der Löschkondensator 56 auf 300 Volt aufgeladen wurde und der Widerstand 58 einen Wert von 1 Ohm hat. Der Löschstrom ist somit erheblich größer als der Fehlerstrom, so daß der Gesamtstrom durch die Transistoren, dessen Amplitude gleich der Amplitude des Löschstromes minus der Amplitude des Kurzschiuli stromes ist. ein rückwärts gerichteter Strom ist. wie dies in F ι g. 2 ebeniaiis durch die entsprechend gekennzeichnete Kurve graphisch dargestellt ist.

Zwischen den Zeitpunkten r> und r.< nimmt der Lösch strom exponentiell ab. während der Kurzschlußstrom sägezahnförmig zunimmt. Der in Richtung vom Emitter zum Kollektor durch die Transistoren fließende Gesamtstrom fällt bis zum Zeitpunkt f. auf den Wert 0 ab. Durch einen bipolaren Leistungstransistor kann deshalb ein rückwärts gerichteter Strom fließen, da ein solcher Leistungstransistor ein Ladungsspeicherungsvermögen hat. Wird ein solcher Leistungstransistor in Sättigung geschaltet, indem man ihn mit einem entsprechenden Basissieuerstrom beaufschlagt, was hier zum Zeitpunkt to erfolgt, so werden im Basisbereich und im Kollektorbereich Minoritätsträger gespeichert. Diese Ladungsträger müssen nach Beendigung des auf die Basis gegebenen Steuerstromes erst ausgeschwemmt werden (z. B. durch Rekombination oder Absorption), bevor der

Troneicifti· Aan aacätiiatan 7nctansi uArläftt unrl alle.

schaltet Dieses Herausschwemmen der Minoritätsträger benötigt ein endliches Zeitintervall, welches man auch als »Speicherzeit« bezeichnet. Der rückwärts gerichtete Transistorstrom, welcher unmittelbar nach dem Zeitpunkt /ι durch die Leistungstransistoren 31 und 34 fließt, stellt einen rückwärts gerichteten Erholungsstrom dar, durch welchen die Minoritätsträger ausgeschwemmt werden und durch welchen die Transistoren rasch abgeschaltet werden, so daß die Gefahr einer Beschädigung ausgeräumt ist. Innerhalb dieser Zeitspanne kann ein Teil des rückwärts gerichteten Erholungsstromes durch die über die Emitter-Kollektor-Strecken geschalteten Freilaufdioden 44 und 47 fließen.

Nach dem alle Minoritätsträger ausgeschwemmt worden sind, werden die Leistungstransistoren 31 und 34 ausgeschaltet Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt irgendwo zwischen den Zeitpunkten /i und i2, und von diesem Zeitpunkt an fließt der gesamte abnehmende Transistorstrom (Schutzstrom minus Kurzschlußstrom) über die Freilaufdioden 44 und 47. Sind der Kurzschlußstrom und der entgegengesetzt gerichtete Löschstrom amplitudenmäßig gleich, was zum ZeitD-nkt /2 der FpII ist, so wird der Transistorstrom zu Null, wie aus F i ^. 2 ersichtlich ist Dann hören auch die Freihufdioden 44 und 47 auf zu leiten, wobei angenommen ist, daß es sich bei den Freilaufdioden um sich rasch erholende Dioden handelt Wird der Transistorstrom zum Zeitpunkt fj Null, so kehrt die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 25 und 27 wieder auf den Wert von 300 V zurück. Nach dem Zeitpunkt h ist der aus dem Filterkondensator 22 fließende Kurzschlußstrom größer als der exponentiell abnehmende Löschstrom, welcher vom Löschkondensator 56 bereitgestellt ist. Dies führt nun dazu, daß der gesamte Kurzschlußstrom nun durch die Schutzschaltung fließt, und der Löschkondensator 56 ä wird wieder auf die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 aufgeladen, allerdings nun mit der gleichen Polarität wie der Filtcrkondensator 22, d. h. die mit der positiven Gleichspannungsschiene verbundene Platte des Löschkondensators 56 wird bezüglieh der mit der Anode des Thyristors 57 verbundenen Platte positiv aufgeladen. Dieser Lisdungsaufbau am Loschkondensator 56 führt zu einer Verminderung des Stromes durch den Schutzkreis, und dieser Strom fällt dann unter den Haltestrom des Thyristors 57. worauf letzter abschaltet und den Strompfad zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 über den Entladezweig unterbricht. Falls dies gewünscht wird, kann man ?ugleich mit dem Eintreten einer Kurzschlußsituation einen Nutnait der Anlage heiucifühtcii, ^u weicher der Wechselrichterantrieb gehört, so daß die Anlage nur manuell neu in Gang gesetzt werden kann. Auf jeden Fall sorgt jedoch die Spannungsquelle Vzusammen mit den Widerständen 61 und 62 dafür, diiß der Löschkondensator 56 wieder in seinen normalen Ladezustand zurückgebrachi ist, in welcher er die in der Zeichnung angegebene Polarität aufweist. Damit ist die Schutzschaltung wieder in den Ausgangszustand zurückgebracht worden, in welcher sie zum Verhüten nachteiliger Folgen eines Kurzschlusses im Wechselrichter 25 bereitsteht.

Durch den oben im einzelnen beschriebenen Schutzkreis wird auch ein Schutz der Leistungstransistoren des Wechselrichters 25 bei einem Kurzschluß zwischen seinen Ausgangsklemmen, also einem Kurzschluß in der durch den Wechselrichter gespeisten Last erhalten.

Es sei z. B. angenommen, daß die Netzwerksknoten 37 und 38 über einen Kurzschluß^ cg zu einem Zeitpunkt miteinander verbunden werden, zu welchem die Leistungstransistoren 32 und 34 während des normalen Arbeitens des Wechselrichters 25 durch die Steuerschaltung 42 eingeschaltet sind. Unter diesen Bedingungen bilden dann die Leistungstransistoren 32 und 34 praktisch einen Kurzschluß zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 und wurden daher durchschlagen.

Diese Transistoren sind aber dadurch gegen Beschädigung geschützt, daß die oben beschriebene Schutzschaltung vorgesehen ist, welche nun in genau der gleichen Weise arbeitet, wie dies obenstehend ifür den Fall eines rein internen Kurzschlusses im Wechselrichter 25 dargelegt wurde.

7u den vielen Vorteilen, welche mim mit dem erfindungsgemäßen Durchschlagschutz erhält, gehört, daß fehlsrhaft leitende Transistoren viel schneller abgeschaltet werden als bei herkömmlichen Einrichtungen.

was auf den rückwärts gerichteten Gesamtstem ·>- ' die rückwärts gerichtete Spannung an diesen Transistoren zurückzuführen ist Auf diese Weise erhält man einen viel weitreichenderen und vollständigeren Schutz. Der Thyristor 57 kann ein verhältnismäßig kleiner und billiger Thyristor sein, da er nur einen einzigen Stromstoß während weniger als 100 Mikrosekunden übernehmen muß. Der Strom durch den Thyristor 57 nimmt sehr schnell auf Null ab, weil der Thyristor 57 in Reihe zum Löschkondensator 56 geschaltet ist Besondere Vorkeh-

S5 rangen z· / Ä'^rmeabfuhr brauchen nicht getroffen zu werden. Bei herkomm'-^hen Schutzeinrichtungen muß dagegen ein in einem steuerbaren Hifskurzschlußweg angeordneter Thyristor zum Ablenken des Kurzschluß-

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Stromes von den Transistoren einen großen Strom übernehmen und so ausgelegt sein, daß er mit der gesamten Ladung des Filterkondensators fertig werden kann. Darübei hinaus werden Beschädigungen der Transistoren durch Durchbrüche zweiter Art durch die vorliegende Erfindung verhindert, da der Spannungsabfall an einem fehlerhaft leitenden Transistor auf einem kleinen Wert gehalten wird, bis der Transistor dann vollständig abgeschaltet lsi. Dieser kleine Spannungsabfall entspricht dem Spannungsabfall an einer Diode. Beim erfindungsgemäßen lCurzschlußschutz wird ein Transistor niemals bei Anliegen einer hohen Schienenspannung abgeschaltet, wenn durch diesen Transistor ein Strom großer Amplitude fließt, wie dies bei herkömmlichen Anordnungen der Fall ist. Ein derartiges Abschalten führt zu Beschädigungen des Transistors infolge von Durchbrüchen zweiter Art.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für den Kurzschlußschutz der Transistoren eines vors einer steuerbaren Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichters, der mindestens zwei bipolare Leistungstransistoren aufweist, die jeweils von einer Freilaufdiode überbrückt sind und über deren Emitter-Kollektorpfade sich ein parallel zur Gleichspannungsquelle geschalteter Filterkondensator im Kurzschlußfall der Leistungstransistoren entlädt mit einer im Entladestromkreis des Filterkondensators liegenden Drossel zur Verlangsamung des Entladestromanstiegs des Filterkondensators, mit einer Meßeinrichtung, die bei Kurzschluß ein Fehlersignal erzeugt und mit einer Schutzschaltung, von der beim Auftreten des Fehlersignals die Transistoren und die Gleichspannungsquelle abgeschaltet werden sowie ein Entladezweig für der« Filterkondensator geöffnet wird, g e kennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale: