DE3133924A1

DE3133924A1 - "wechselrichterschaltung mit gespeicherter ladung"

Info

Publication number: DE3133924A1
Application number: DE19813133924
Authority: DE
Inventors: Thomas Edwin Anderson; Alvin Ardell Bush; John Giorgis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-09-05
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1982-05-27
Also published as: MX149937A; NL8104131A; FR2490036B1; JPS5778377A; GB2083299A; FR2490036A1; BR8105574A; GB2083299B

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung, in der Transistoren als Schalter zum Erzeugen eines Wechselausgangsstroms aus einem Gleicheingangsstrom

vorgesehen sind.

Eine in weitem Umfang benutzte Art einer Wechselrichterschaltung hat eine Paar Transistoren, wobei der Emitter von einem der Transistoren und der Kollektor des anderen Transistors unter Ausbildung einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind, während der übrige Emitter und Kollektor jeweils mit den Anschlüssen einer elektrischen Gleichstromquelle verbunden sind. Eine Last (wie bei~ spielsweise eine Lampe, ein Motor, ein Induktionsheizer oder eine andere geeignete Einrichtung) 1st zwischen die vorerwähnte Verbindungsstelle und die Stromquelle geschaltet. Die Transistoren werden abwechselnd in den voll lei-

tenden Zustand gesteuert, und zwar mit einer Wiederholungsfrequenzrate von etwa 1 kHz oder höher, sowie mittels Steuerströmen, die abwechselnd auf ihre Basiselektroden gegeben werden, so daß auf diese Weise ein Wechselstrom von der ^r) Stromquol Ie durch die Last hindurchgeht. Die vorerwähnten Sl.uuerbtröiiie können Rechteck- oder SinuswelLen mit oLner Amplitude sein, die ausreicht, um die Transistoren schnell in den voll leitenden Zustand zu steuern, so daß sie im wesentlichen keinen Widerstandswert in den Leistungsstromweg zufügen und daher keine nennenswerte elektrische Leistung verbrauchen und vergeuden.

'In der US-Patentschrift Nr. 4 o51 426 von Wood ist eine Wechselrichterschaltung der eben erläuterten Art beschrieben, und es ist außerdem eine unerwünschte "Ladungsspeicher"-Eigenschaft von Transistoren beschrieben, die bewirken kann, daß beide Wechselrichtertransistoren gleichzeitig leitend sind und einen unerwünschten Kurzschluß über der Stromquelle erzeugen, der als "Durchschuß" bekannt ist. Diese Patentschrift beschreibt auch eine Weise des Schaltens von Dioden in der Schaltung, um die Schwierigkeit- zu überwinden.

Mit der Erfindung soll eine verbesserte Wechselrichterschaltung zur Verfügung gestellt werden, und zwar eine Wechselrichterschaltung, in welcher die LadungsSpeichereigenschaft der Transistoren auf konstruktive Weise ausgenutzt wird.

Mit der Erfindung wird, kurz gesagt, insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform, eine Wechselrichterschaltung zur Verfügung gestellt, die ein Paar Transistoren hat, welche so geschaltet sind, daß sie abwechselnd und wiederholend elektrische Energie auf eine induktive Last 5 oder eine Last, die eine induktive Komponente hat, geben.

Der Emitter von einem der Transistoren und der Kollektor des anderen Transistors sind unter Ausbildung einer Verbindungsstelle miteinander verbunden, während der übrige Emitter und Kollektor jeweils mit den Anschlüssen einer elektrischen Gleichstromquelle verbunden sind. Eine Last, die induktiv ist oder eine induktive Komponente hat, ist zwischen die Verbindungsstelle und die Stromquelle geschaltet. Ausschaltimpulse von kurzer Dauer werden abwechselnd auf die Basiselektroden der Transistoren gegehon, und Mj Hol bzw. Schal Lcleniente, wie beispielsweise Dioden, sind so geschaltet, daß dann, wenn jeder Transistoren ngeschaltet ist, ein in der Last induzierter Rücklaufstrom auf den jeweils anderen Transistor gegeben wird, so daß eine gespeicherte Ladung erzeugt wird, die ihn einschaltet und ihn eingeschaltet hält, bis er seinen nächsten Abschaltimpuls erhält. Auf diese Weise sind keine von außen zugeführte, sich wiederholende Vorwärtsbasisstromimpulse erforderlich; jedoch wird ein einzelner bzw. einziger Vorwärtsbasisstromimpuls dazu verwendet, den Betrieb der Schaltung einzuleiten. Vorzugsweise ist die Wiederholungsfrequenz der an jeden Transistor angelegten Schaltimpulse genügend groß, daß die gespeicherten Ladungen in jedem Transistor nicht abfließen und unwirksam werden, bevor der nächste Abschaltimpuls auftritt; mit anderen Worten bedeutet das, daß die Abschaltimpuls-Wiederholungsfrequenz hoch genug ist, daß die Beendigungen der leitenden Perioden der Transistoren durch die Abschaltimpulse und nicht durch das Abfließen der gespeicherten Ladungen bestimmt werden. In einer alternativen Ausfüh-

jo rungsform werden keine Abschaltimpulse angewandt, und die Frequenz des Wechselrichterbetriebs wird durch die Abfließzeiten der gespeicherten Ladungen bestimmt.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung anhand einiger besonders be-

vorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Schaltbild einer bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung; und 5

Fig. 2 eine zeitliche Darstellung gewisser Signale sowie der Spannung und des Stroms in der Schaltung der Fig. 1, wenn diese in Betrieb ist.

Ein Paar Transistoren Q1 und Q2 ist zwischen die Anschlüsse 11 und 12 einer elektrischen Gleichstromquelle geschaltet, die ein Doppelwegbrückengleichrichter sein kann, der etwa 2oo V Gleichstrom von einer 12o Volt Wechselstromeingangsspannung liefert. Wie in der Zeichnung angedeutet, hat der Anschluß 11 positive Polarität, während der Anschluß 12 negative Polarität hat. Der Emitter 13 des Transistors Q1 und der Kollektor 14 des Transistors Q2 sind miteinander verbunden, so daß eine Verbindungsstelle 16 gebildet ist; der Kollektor 17 des Transistors Q1 ist mit dem positiven Anschluß 11 und der Emitter 18 des Transistors Q2 ist mit dem negativen Anschluß 12 der Stromversorgung verbunden. Eine Last 21, die induktiv ist oder eine induktive Komponente hat, wie beispielsweise eine Gasentladungslampe, ein Motor, eine induktive Heizeinheit etc., ist zwischen die Verbindungsstelle 16 und die Stromquelle geschaltet, und die letztere Verbindung ist mit einem Paar Kondensatoren 22, 23 versehen, die in Reihe zwischen die Anschlüsse 11 und 12 der Stromquelle geschaltet sind, wobei die Last 21 mit der Verbindungsstelle 24 der Kondensatoren 22, 23 verbunden ist. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren 22, 23 sind vorzugsweise gleich und genügend groß, daß eine niedrige Impedanz bei der Betriebsfrequenz der Schaltung (wie beispielsweise 1 kHz oder höher) erzielt wird. Infolgedessen ist die Last 21 im Ergebnis zwischen die Verbindungsstelle 16 der Transisto-

ren und einen Mittelabgriff der Stromquelle geschaltet. L)Le Last 21 kann einen Kopplungstransformator aufweisen.

Eine Diode 26 ist zwischen die Basis 27 und den Emitter 13 des Transistors QT in einer Weise geschaltet, daß sie Strom von positiver Polarität zur Basis 27 durchläßt. Eine weitere Diode 28 ist zwischen die Basis 29 und den Emitter 18 des Transistors Q2 in einer Weise geschaltet, daß sie Strom negativer Polarität von der Basis 29 her durchläßt.

Eine Impulsquelle 31 von Abschaltimpulsen ist mit den Basiselektroden 27 und 29 verbunden und liefert Abschaltimpulse negativer Polarität abwechselnd und wiederholt an diese Elektroden, und zwar mit einer Frequenz von etwa 1 kHz oder mehr, vorzugsweise von etwa 2o kHz. Eine Impulsquelle 32 eines Einschaltimpulses positiver Polarität ist mit der einen der Basiselektroden 29 verbunden. Die Impulsquelle 31 für die Abschaltimpulse kann eine Multi vibrator-"Flip-Flop"-Schaltung sein, oder sie kann von einzelnen Impulsquellen gebildet sein, die in angemessener Weise synchronisiert sind, und die Impulsquelle 32 für den Einschalt impuls kann ein monostabiler Multivibrator sein.

In Fig. 2 sind gewisse Signale, Spannungen und Ströme der Schaltung der Fig. 1 in vertikal fluchtender zeltlicher Aufeinanderfolge, wie nachfolgend beschrieben, gezeigt. Von der Impulsquelle 32 wird ein einzelner Einschaltimpuls 36 positiver Polarität geliefert und auf die Basis 29 des Transistors Q2 zum Einleiten des Betriebs der Schaltung angelegt. Von der Impulsquelle 31 werden wiederholte Ausschaltimpulse 37 und 38 negativer Polarität geliefert und jeweils auf die Basiselektroden 27 und 29 der Transistoren Q1 und Q2 gegeben. Diese Reihen von Abschaltimpulsen 37, 38 sind um 18o elektrische Grade bezüglich einander versetzt. Die Kurven 39 bzw. 4o

- 1o -

geben die Spannung und den Strom an der Last 21 wieder, wobei die Spannung 39 eine Quadrat- bzw. Rechteckwellenform aufgrund des abwechselnden Schaltens der Transistoren Q1 und Q2 hat, während der Strom 4o eine Wellenform hat, wie sie für eine Last, die eine induktive Komponente besitzt, typisch ist. Die Kurven 41 bzw. 42 geben den Rücklaufstrom der induktiven Last und die resultierende gespeicherte Ladung an der Basis des Transistors Q2 wieder. ."".-.

Die Schaltung arbeitet in der folgenden Weise. Der Einschaltimpuls 36 macht den Transistor Q2 vollständig leitend, so daß Strom 4o durch die Last 21 über den Kondensator 22 gezogen wird. Beim Endendes Einschaltimpulses 36 und beim Auftreten des nächsten Ausschaltimpulses 38, der an die Basis 29 des Transistors Q2 angelegt wird, wird der Transistor nichtleitend gemacht, und der Stromfluß in der Last 21 endet; jedoch erzeugt die in der induktiven Komponente der Last gespeicherte Energie eine "Rücklauf"-Spannung und einen "Rücklauf"-Strom 41 positiver Polarität, die bzw. der durch die Diode 26 zur Basis 27 des Transistors Q1 hindurchgeht. Das macht den Transistor Q1 vollständig leitend. Während dieser Zeit arbeitet der Transistor Q1 als ein invertierter Transistor, bei dem die Basis-Kollektor-Verbindung der Emitter und die Basis-Emitter-Verbindung der Kollektor wird. Während dieser Zeit wird im Transistor QI eine Ladung 42 gespeichert. Wenn die induktive Energie verbraucht worden ist, hält die gespeicherte Ladung den Transistor Q1 leitend, so daß infolgedessen Strom 4o' durch die Last 21 über den Kondensator 23 hindurchgeht, und zwar in der entgeqengesetzten Richtung zu der des Stromflusses, die vorhanden ist, wenn der Transistor Q2 leitet. Die gespeicherte Ladung fließt zwar teilweise ab, wie durch die Kurve 42 veranschaulicht, jedoch wird die Frequenz der Abschalt-

impulse genügend hoch gewählt (ζ. B. 2o kHz), so daß der nächste Abschaltimpuls 37 an die Basis 27 angelegt wird, während die gespeicherte Ladung noch dahingehend wirksam ist, daß sie die Leitung des Transistors aufrechterhält. Dieser Abschaltimpuls 37 zieht die gespeicherte Ladung ab und macht den Transistor Q1 nichtleitend und beendet den Ladestrom, woraufhin die in der induktiven Komponente der Last 21 gespeicherte Energie eine Rücklaufspannung und einen Rücklaufstrom 43 (von negativer Polarität an der Verbindungsstelle 16) erzeugt, die bzw. der durch die Kollektor-Basis-Verbindung des Transistors Q2 und die Diode 28 geleitet wird, und die bzw. der das Äquivalent eines an die Basis 29 angelegten Impulses 43 positiver Polarität ist, wie in der Zeichnung gezeigt, welcher den Transistor Q2 erneut leitend macht, indem er in einer invertierten Weise arbeitet, und eine gespeicherte Ladung 44 in dem Transistor erzeugt, die den Transistor in einem vollständig leitfähigen Zustand hält, bis der nächste Abschaltimpuls 38 auftritt. Der Vorgang wiederholt sich und bewirkt, daß ein Wechselstrom 4o in der Last 21 fließt.

Infolge der Verwendung der internen induktiven Rücklaufimpulse der Schaltung zum Einschalten der Transistoren und der Verwendung der gespeicherten Ladungen, um diese während ihrer leitfähigen Zyklen im eingeschalteten Zustand zu halten, ist keine äußere Quelle von sich wiederholendem Rechteckwellen- oder Sinuswellen-Steuerstrom für die Transistoren erforderlich, und infolgedessen hat die Schaltung eine verbesserte Leistungsfähigkeit und einen verminderten Energiebedarf. Die Abschaltimpulse 37, 38 können von sehr kurzer Dauer sein, beispielsweise 5 us betragen, sowie von niedriger Energie, so daß die Gesamtenergie dieser Impulse im Vergleich mit der Energie, wie sie für die Steuerströme nach dem Stande der Technik erforderlich ist, sehr niedrig ist. Diese Energie

kann weiter dadurch vermindert werden, daß die Wiederholungsfrequenz der AbschaItimpulse erniedrigt w.ird, so daß relativ mehr von den gespeicherten Ladungen 42 und 44 durch die innere Impedanz der Transistoren abfließen kann. 5

Mit der Erfindung wird außerdem das wichtige Ergebnis erzielt, daß ein unerwünschtes "Durchschießen" verhindert wird, das in der oben angegebenen Patentschrift beschrieben ist und auftritt, wenn die gespeicherte Ladung in einern Transistor diesen leitend hält, nachdem der andere Transistor eingeschaltet worden ist, so daß dadurch beide Transistoren gleichzeitig leitend sind und einen Kurzschluß über die.Stromquelle verursachen. In der Schaltung nach der Erfindung wird jeder Transistor durch einen Rücklaufstrom eingeschaltet, der nur auftritt, nachdem der andere Transistor ausgeschaltet worden ist, und infolgedessen ist es unmöglich, daß beide Transistoren gleichzeitig leitend sind. Während gespeicherte Ladungen in Transistoren in Wechselrichterschaltungen nach dem Stande der Technik unerwünscht sind, werden sie in dem Wechselrichter nach der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise ausgenutzt.

In einer alternativen Ausführiingsform der Erfindung sind die Abschaltimpulse 37 und 38 nicht vorgesehen, und jeder der Transistoren Q1 und Q2 bleibt, wenn er leitend ist, so lange leitend, bis seine gespeicherte Ladung genügend abgeflossen ist, so daß der Transistor automatisch nichtleitend wird. Auf diese Weise wird die Frequenz des Betriebs durch die zeitlichen Kenndaten der Transistoren für das Abfließen gespeicherter Ladung bestimmt. Wenn eine genaue Steuerung der Betriebsfrequenz erwünscht ist, ist es vorteilhaft, die sich wiederholenden Abschaltimpulse 37, 38 anzuwenden.

Obwohl vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, sind auch andere Ausführungsformen und Abwandlungen derselben innerhalb des Gegenstands der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens , wie der den gesamten Unterlagen zu entnehmen ist, möglich. Zum Beispiel kann die Erfindung, obwohl sie anhand einer Halbbrückeninverterschaltung veranschaulicht und beschrieben worden ist, auch in anderen Schaltungsausführungen verwendet werden, wie beispielsweise in Vollbrücken- und Gegentaktwechselrichtern.

Claims

Patentansprüche

( 1·) Wechselrichterschaltung zum Betreiben aus einer Nrfeichstromquelle und zum Anlegen von Wechselstrom an eine Last, die induktiv ist oder eine induktive Komponente hat, mit wenigstens zwei Transistoren, die so geschaltet sind, daß sie abwechselnd Strom durch diese Last aus der Stromquelle schicken, wobei die Transistoren die Eigenschaft haben, daß sie eine an ihre Steuerelektroden angelegte Ladung speichern, und wobei die Last die Eigenschaft hat, daß sie einen Rücklaufstrom induziert, wenn der Stromfluß darin beendet ist, gekennzeichnet durch Mittel bzw. Schaltelemente (26, 28), die zwischen die Last (21) und die Steuerelektroden (27, 29) zum Anlegen des Rücklaufstroms, der aus dem Abschalten von jedem der Transistoren (Q1, Q2) resultiert, an den anderen der Transistoren (Q1, Q2) geschaltet sind, um den anderen Transistor (Q1, Q2) leitend zu machen und

darin eine Ladung zu speichern, um ihn während einer Zeitdauer leitend zu halten.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekenn.ze.ichnet durch Mittel bzw. eine Einrichtung (31) zum Anlegen eines Einschaltimpulses an einen der Transistoren (Q1/ Q2), um diesen leitend zu machen und den Betrieb der Schaltung einzuleiten.
ο 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel bzw. Schaltelemente zum Anlegen des Rücklaufstroms an die Transistoren (Q1, Q2) Dioden (26, 28) umfassen oder sind.
4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel bzw. eine Einrichtung (32) zum abwechselnden und wiederholenden Anlegen von Abschal timpuls en an die Steuerelektroden (27, 29), so daß die Transistoren (Q1, Q2) abwechselnd nichtleitend gemacht werden, nachdem sie während einer gegebenen Zeitdauer leitend gewesen sind.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschaltimpulse, die an jeden Transistor (Q1, Q2) angelegt werden, eine Wiederholungsfrequenz haben, die größer als etwa 1 kHz ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Wiederholungsfrequenz etwa 2o kHz beträgt.
7. Wechselrichterschaltung, insbesondere nach einem dor Ansprüche 1 bus 6, zum Betreiben mit einer Gleichstromquelle und zum Anlegen von Wechselstrom an eine Last, die induktiv ist oder eine induktive Komponente hat, um-

fassend ein Paar Transitoren, Mittel bzw. Schaltelemente, welche den Emitter des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors unter Ausbildung einer Verbindungsstelle verbinden, Mittel bzw. Schaltelemente, welehe den Kollektor des ersten Transistors mit der positiven Polarität der Stromquelle verbinden, und Mittel bzw. Schaltelemente, welche den Emitter des zweiten Transistors mit der negativen Polarität der Stromquelle verbinden, sowie Mittel bzw. Schaltelemente, durch welche die Last zwisehen den Verbindungspunkt und die Stromquelle geschaltet ist, wobei die Transistoren die Eigenschaft haben, eine an ihre Basiselektroden angelegte Ladung zu speichern, und wobei die Last die Eigenschaft hat, einen Rücklaufstrom zu induzieren, we^nn der Stromfluß darin beendet ist, gekennzeichnet durch Mittel bzw. Schaltelemente (26, 28), die zwischen die Last (21) und die Basiselektroden (27, 29) zum Anlegen des Rücklaufstroms, der aus dem Abschalten von jedem der Transistoren (Q1, Q2) resultiert, an den anderen dieser Transistoren (Q1., Q2) geschaltet sind, um den anderen Transistor (Q1, Q2) leitend zu machen und eine Ladung darin zu speichern, so daß er während einer Zeitdauer leitend gehalten wird.
8. Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel bzw. eine Einrichtung (31) zum Anlegen eines Einschaltimpulses an einen der Transistoren (Q1, Q2), so daß dieser leitend gemacht und der Betrieb der Schaltung eingeleitet wird.
9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Einschaltimpuls ein Impuls positiver Polarität ist, der auf die Basis (29) des zweiten Transistors (Q2) gegeben wird.
10. Schaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch

gekennzeichnet , daß die Mittel bzw. Schaltelemente zum Anlegen eines Rücklaufstroms an die Basiselektroden (27, 29) ein Paar Dioden (26, 28) umfassen oder sind, die jeweils zwischen die Basiselektroden (27, 29) und die Verbindungsstelle (16) geschaltet sind.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 1o, gekennzeichnet durch Mittel bzw. eine Einrichtung (32) zum abwechselnden und wiederholenden Anlegen von Abschaltimpulsen an die Basiselektroden (27, 29) der Transistoren (Q1, Q2) , so daß die Transistoren (Q1, Q2) abwechselnd nichtleitend gemacht werden, nachdem sie während einer gegebenen Zeitdauer leitend gewesen sind.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die an jeden Transistor (Q1, Q2) angelegten Abschaltimpulse eine Wiederholungsfrequenz von mehr als etwa 1 kHz haben.
13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Wiederholungsfrequenz etwa 2o kHz beträgt.
14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a durch gekennzeichnet, daß die Last (21) mittels eines Paars von Kondensatoren (22, 23), die über die Stromquelle in Reihe geschaltet sind, mit der Stromquelle verbunden ist, wobei ein Ende der Last (21) mit der Verbindungsstelle (24) der Kondensatoren (22, 2 3) verbunden ist.