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In beiden Stromflußrichtungen steuerbare elektrische
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Ventilschaltung zur Verwendung bei einem Umkehrstromrichter Die Erfindung
betrifft eine in beiden Stromflußrichtungen steuerbare elektrische Halbleiter-Ventilschaltung
mit je einem in Vorwärtsrichtung steuerbaren Halbleiterventil für jede Stromflußrichtung,
sowie einen damit aufgebauten Umkehrstromrichter.
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In der Stromrichtertechnik und auf ähnlichen Anwendungsgebieten werden
hOuSig schnelle und verlustarme Wechselstromschalter benötigt, So ist z0B. bei einem
Direktumrichter jeder Eingang mit jedem Ausgang über eine Schaltung so zu verbinden,
daß der Stromfluß sowohl in der einen Richtung wie in der entgegengesetzten Richtung
willkürlich ein- und ausgeschaltet bzw. gesperrt werden kann.
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Für höhere Leistungen stehen mit den Thyristoren Halbleiterventile
zur Verfügung, bei denen der Stromfluß in einer Richtung ("VorwErtsrichtung") willkürlich
eingeschaltet werden kann und in der entgegengesetzten Richtung (Rckwärtsrichtung)
ein Stromfluß stets unterbunden ist. Für geringe Leistungen stellt der Transistor
einen in Vorwärtsrichtung steuerbaren Halbleiterschalter dar, bei Anwendung in Stromrichterschaltungen
muß er jedoch mit einer Diode in Reihe geschaltet sein, wenn auch bei höheren Spannungen
eine Sperrung in RückwErtsrichtung gegeben sein soll. Die Fortschritte in der Halbleiterentwicklung
ermöglichen heute die Herstellung von Leistungstransistoren für höhere Spannungen0
So
sind z.B. unter dem eingetragenen Warenzeichen SIPMOS der Firma
Siemens Feldeffekt-Leistungstransistoren im Handel, die mit einer Sperrfähigkeit
in Vorwärtsrichtung von etwa 1000 V bereits zum Einsatz an üblichen Versorgungsnetzen
geeignet sind und sich außerdem durch sehr kurze Schaltzeiten auszeichnen. Diese
Feldeffekt-Leistungstransistoren besitzen jedoch in Rückwärtsrichtung eine Diodenkennlinie,
so daß sie bereits bei geringen Spannungen leitend werden, wobei sie nur einen äußerst
geringen Spannungsabfall hervorrufen.
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Ebenfalls eine Sperrfähigkeit von etwa 1000 V besitzen speziell entwickelte
bipolare Leistungstransistoren, die gegenüber den Leistungs-Feldeffekt-Transistoren
jedoch den grundsätzlichen Nachteil haben, daß der Ein- und Ausschaltvorgang länger
dauert und dadurch höhere Ein- und Ausschaltverlustenergie im Transistor entsteht.
Derartige bipolare Leistungstransistoren sind daher ebenfalls nur auf niedrigere
Schaltfrequenzen begrenzt und z.B. beim Einsatz in Wechselstromschaltern zudem wegen
der erforderlichen hohen Steuerleistung nicht wirtschaftlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für aus Umkehrstromrichtern,
als deren Ventilzweige Wechselstromschalter verwendet werden, aufgebaute Direktumrichter
kleiner Leistung (z.B. im Bereich 1 bis 20 kVA), einen möglichst einfach aufgebauten
Wechselstromschalter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine in beiden Stromfluß richtungen
steuerbare elektrische Halbleiter-Ventilschaltung mit je einem in Vorwärtsrichtung
steuerbaren Halbleiterventil für jede Stromflußrichtung, wobei gemäß der Erfindung
als Halbleiterventile zwei Feldeffekt-Leistungshalbleiter mit Diodenkennlinie in
Rückwärtsrichtung in Reihe geschaltet sind.
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Im Vergleich zu einem Triac sind bei der Ventilschaltung nach der
Erfindung die als Halbleiterventile verwendeten Leistungs-FET zwar ebenfalls mit
entgegengesetzter Durchlaßrichtung zusammengeschaltet, jedoch ist diese Zusammenschaltung
im Gegensatz zur Antiparallelschaltung im Triac eine Reihenschaltung und kann daher
als Anti-Reihenschaltung bezeichnet werden. Während der Triac im angesteuerten Zustand
leitend ist und zwischen den beiden Stromführungsrichtungen nicht zu unterscheiden
vermag, läßt die erfindungsgemäße Ventilschaltung auch im angesteuerten Zustand
einen Stromfluß nur in einer einzigen frei vorgebbaren Richtung zu. Unabhängig von
der Stromflußrichtung wird der Strom stets in Rückwärtsrichtung durch einen FET,
der wegen der erwähnten Diodenkennlinie in der Rückwärtsrichtung den Strom nicht
zu sperren vermag, und in VorwArtsrichtung durch den anderen FET geleitet, der den
Strom entsprechend der Transistorkennlinie in Vorwärtsrichtung zu steuern vermag.
Insbesondere ist wegen der erreichbaren hohen Schaltgeschwindigkeiten eine hohe
Schaltfrequenz möglich. Wegen des geringen Spannungsabfalles in Diodenrichtung und
der geringen erforderlichen Steuerleistung ist die thermische Belastbarkeit der
Ventilschaltung lediglich durch den Durchlaßspannungsabfall des in Vorwärtsrichtung
gepolten FET begrenzt.
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Die beiden für die Ventilschaltung benötigten FET können in einem
Gehäuse untergebracht oder besonders vorteilhaft als ein einziges, integriertes
Halbleiterbauelement ausgeführt sein. Dadurch entsteht ein universeller Wechselstromschalter,
aus dem sich auf einfache Weise Stromrichter, insbesondere Umkehrstromrichter aufbauen
lassen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß alle Ventilzweige z.B0 eines
Direktumrichters den gleichen Aufbau aufweiSen.
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Der Umrichter kann ohne Zwischenschaltung eines LAr, ans Netz (z.B.
380 V) gelegt werden.
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Anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung
näher erläutert.
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In Figur i ist die Ventilschaltung, die gemäß der Erfindung aus zwei
jeweils durch ein Schaltsymbol wiedergegebenen Leistungs-Feldeffekttransistoren
aufgebaut ist, in Fig. 2 ein entsprechendes, von Thyristoren und Dioden ausgehendes
Ersatzschaltbild, und in Figur 3 ein gemäß der Erfindung aus derartigen Ventil schaltungen
aufgebauter Direktumrichter, dargestellt0 In Figur i sind mit 1 und 2 die beiden
Anschlüsse der Ventilschaltung bezeichnet, die einen Stromfluß sowohl in der durch
den Pfeil 3 gekennzeichneten Richtung sowie in der entgegengesetzten Richtung steuern
kann. Die Ventilschaltung besteht aus einer Reihenschaltung von zwei Leistungs-Feldeffekttransistoren
4 und 5. Der Pfeil in dem Schaltsymbol der Feldeffekttransistoren gibt jeweils die
Rückwärtsrichtung an, wobei der Feldeffekttransistor in dieser Rückwärtsrichtung
eine Diodenkennlinie aufweist.
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Derartige Feldeffekttransistoren sind z.Be in "Siemens-Components"
18 (1980), Seiten 104 bis 105 beschrieben und unter dem eingetragenen Warenzeichen
"SIPMOS" im Handel erhältlich.
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Für den FET 4 ist die durch den Pfeil 3 angegebene Richtung die Vorwärtsrichtung,
in der dieser FET einen Strom i+ entsprechend einer Transistorkennlinie steuer kann.
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Dieser Strom kann vom in Reihe liegenden FET 5 nicht gesperrt werden,
da dieser Transistor in Rückwärtsrichtung bezüglich dieser Stromflußrichtung gepolt
ist und bei dieser Pollmg eine Diodenkennlinic aufweist. Der an die-Hom ltESl 'i
auftre@ende Spannungst!) Pfeil ist äußerst gering.
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Für die umgekehrte Stromflußrichtung (Strom i , Pfeil 6) sind die
Rollen der beiden Transistoren vertauscht. Für diese Stromflußrichtung ist der FET
5 in Vorwärtsrichtung gepolt und kann durch entsprechende Ansteuerung der Gateelektrode
7 den Strom i steuern. Der FET 4 hingegen stellt für diesen Strom i lediglich eine
Diode dar.
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Die Wirkungsweise dieser "Antireihenschaltung" der beiden Leistungs-Feldeffekttransistoren
4 und 5 wird deutlich aus dem Ersatzschaltbild nach Figur 2, bei dem der Transistor
4 ersetzt ist durch eine Schaltung 4t, bei der ein zwangslösehbarer Thyristor 14
in der Stromflußrichtung des Pfeiles 3 antiparallel zu einer Diode 24 geschaltet
ist. Ebenso ist der FET 5 ersetzt durch ein in Richtung des Pfeiles 6 gepolten zwangslöschbaren
Thyristor 15 und eine antiparallel geschaltete Diode 25o Anstatt Zünd- und Löschimpulse
an die entsprechenden Anschlüsse des zwangslösehbaren Thyristors 15 zu legen, kann
das Ein- und Abschalten eines Stromes in der Pfeilrichtung 6 durch den Anfang und
das Ende eines entsprechenden Steuerimpulses an der Steuerelektrode 7 vorgenommen
werden. Dadurch wird nicht nur ein einfacheres Ansteuerverfahren ohne die für Thyristoren
nötigen Löschvorrichtungen erreicht, sondern die Schaltvorgänge selbst laufen wegen
der günstigeren Schalteigenschaften des Feldeffekttransistors sehr viel rascher
ab.
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Aus derartigen Halbleiter-Ventilschaltungen lassen sich vorteilhaft
Umkehrstromrichter zusammenstellen, die bis u hohen Frequenzen mit einem hohen Wirkungsgrad
arbeiten können. Dabei ist vorteilhaft eine Verriegelungseinrichtung vorgesehen,
dio in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Stromflußrichtung jeweils die Ansteucrung
des in Rückwtirtsrichtung liegenden Fcldeffekttransistors sperrt0 Vorteilhaft ist
ferner eine Sicherheitseinrichtung, die
jeweils beim Wechsel der
Stromführungsrichtung die Steuerspannung für beide Feldeffekttransistoren einer
Ventilschaltung für eine vorgegebene Sicherheitszeit sperrt.
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Als Beispiel hierfür ist in Figur 3 ein Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichter
für kreisstromfreien Betrieb gezeigt. Die Drehstromeingänge 3i, 32, 33, die ohne
aufwendige Umrichtertransformatoren an einem Drehstromnetz N von 380 V liegen können,
sind jeweils über ein Halbleiterbauelement 34, 35, 36 mit dem einen Wechselstromausgang
40, und über Halbleiterbauelemente 37, 38, 39 mit dem anderen Wechselstromausgang
41 verbunden. Erfindungsgemäß sind in jedem Halbleiterbauelement zwei entgegengesetzt
gepolte, in Reihe geschaltete Leistungs-Feldeffekttransistoren integriert, die in
Rückwärtsrichtung Diodenkennlinie aufweisen.
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Um nun zwischen den Ausgängen 40 und 41 einen Strom i in Richtung
des Pfeiles 42 durch eine angeschlossene Last zu treiben, muß jeweils ein Ventil
der auf den-Ausgang 40 arbeitenden, in dieser Stromftihrungsrichtung gepolten Ventile
34a, 35a und 36a und ein Ventil der auf den Ausgang 41 arbeitenden, entsprechend
gepolten Ventile 37a, 38a und 39a auf den leitenden Zustand angesteuert werden.
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Zur Vermeidung von Kurzschlußströmen muß dabei sichergestellt sein,
daß die in Gegenrichtung gepolten Ventile nicht leitend sind. Sonst könnte zzBo
bei angesteuertem Ventil 34a und nicht gesperrtem Ventil 35b zwischen den Wechseirichtereingängen
31 und 32 ein Kurzschlußstrom fließen, wobei die Ventile 34b und 35a jeweils in
Rückwärtsrichtung durchflossen werden. Hierzu ist eine Ergänzungsschaltung 43 für
den Steuersatz des Wechselrichters vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Stromflußrichtung
alle entgegengesetzt gepolten Transistoren sperrt. Diese-Verriegelungsschaltung
kann in Reihe mit allen Transistoren liegen und z,B. einen gemeinsamen
Shunt
44 aufweisen, wobei das Vorzeichen des Spannungsabfalles am Shunt erfaßt wird. Bei
der durch den Pfeil 42 angegebenen Stromflußrichtung werden dann alle Ventile 34b
bis 39b durch einen Eingriff in die Ventilsteuerung, die symbolisch durch alternierend
geöffnete Schalter 46 und 47 in der Ansteuerleitung dargestellt ist, gesperrt.
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Für die Betriebssicherheit des Umrichters ist es erforderlich, daß
jeweils nach einer Umkehr der Stromrichtung für eine kurze Sicherheitszeit alle
Ventile gesperrt werden.
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Auch dies kann durch eine gemeinsame, in Reihe mit allen Feldeffekttransistoren
liegende Sicherheitseinrichtung erreicht werden, die z.B. ebenfalls in der Zusatzeinrichtung
43 enthalten ist. Dazu kann in einen der Ausgänge 41, 42 ein Verzögerungsglied,
z.B. eine kleine Stufendrossel 47 geschaltet sein. Jede Flußänderung, die durch
eine nach dem Nulldurchgang des Stromes eingeleitete Entmagnetisierung der Stufendrossel
hervorgerufen wird, kann erfaßt und dazu ausgenutzt werden, für eine kurze, durch
die Dimensionierung der Stufendrossel vorgegebene Zeit alle Transistoren auf den
Sperrzustand zu steuern. Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit der Transistoren
ist eine Sicherheitszeit von 10 bis 50 sec vollkommen ausreichend.
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Ein derartiger Direktumrichter kann damit auch durch Pulssteuerung
mit hohen Frequenzen betrieben werden und es können auch Wechsel ströme erzeugt
werden, deren Frequenz höher als 1/3 der Frequenz des speisenden Netzes ist. Der
Aufwand hierfür ist gering. Ist jede Ventilgruppe 34 bis 39 als integriertes Bauelement
hergestellt, so liegt deren Preis nur unwesentlich über dem Preis eines einzelnen
Transistors0 Die Schaltung benötigt nur 6 identische derartige Bauelemente, wobei
alle Brückenseiten gleich aufgebaut sind und dadurch Montagefehler ausgeschlossen
sind0
Auf ähnliche Weise lassen sich auch andere Umrichter zusammensetzen,
z0B. kann aus drei derartigen Teilumrichtern ein Direktumrichter mit Drehstromausgang
aufgebaut werden0