DE3215589A1 - Suppressor circuit without fundamental losses for electronic pairs of arms connected in antiparallel - Google Patents
Suppressor circuit without fundamental losses for electronic pairs of arms connected in antiparallelInfo
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Abstract
Description
Beschaltung ohne prlnzipbedingte VerlusteWiring without losses due to the principle
für elektronische Zweigpaare in Antiparallelschaltung Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE-OS 26 44 715 bekannt.for electronic pairs of branches in anti-parallel connection description The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of Claim 1. Such a circuit arrangement is, for example, from DE-OS 26 44 715 known.
Beim Betrieb von Leistungshalbleitern als elektronische Schalter in Stromrichterschaltungen müssen bekanntlich außer den Größen Durchlaßstrom und Sperrspannung auch deren Änderungsgeschwindigkeiten beim Einschalt- bzw. Abschaltvorgang unterhalb gewisser Grenzwerte gehalten werden, um Fehlfunktionen oder Zerstörung zu vermeiden.When operating power semiconductors as electronic switches in As is well known, converter circuits must have forward current and reverse voltage in addition to the quantities also their rate of change during the switch-on and switch-off process below certain limit values are maintained in order to avoid malfunctions or destruction.
Die für diese Aufgabe benötigten Beschaltungen aus Blindelementen, Dioden, linearen und nichtlinearen Widerständen haben bei zweckmäßiger Ausgestaltung die günstige Wirkung, auch die Spitzenverlustleistung, die während der Schaltvorgänge in den steuerbaren Halbleiterschaltern auftritt, zu reduzieren. Dieser Entlastungseffekt ist insbesondere wegen der hieraus resultierenden Verminderung der mittleren Verlustleistung, die bei periodischem Schaltbetrieb zur Erwärmung des Halbleitersystems führt, sehr erwünscht.The wiring of dummy elements required for this task, Diodes, linear and non-linear resistors have when designed appropriately the beneficial effect, including the peak power dissipation that occurs during switching operations occurs in the controllable semiconductor switches. This relief effect is particularly due to the resulting reduction in the average power loss, which leads to the heating of the semiconductor system during periodic switching operation, very much he wishes.
Bei konventionellen Beschaltungsnetzwerken müssen jedoch die in den Blindelementen gespeicherten Energien in linearen oder nichtlinearen Widerständen in Wärme umgesetzt werden, so daß die Verluste letztlich nur verlagert werden (DE-OS 21 28 454).With conventional wiring networks, however, the Reactive elements stored energies in linear or non-linear resistances be converted into heat, so that the losses are ultimately only shifted (DE-OS 21 28 454).
In den DE-OSen 26 39 589 und 26 41 .183 sind hingegen Lösungen für Abschaltentlastungsnetzwerke angegeben, die ohne prinzipbedingte Verluste arbeiten. In der eingangs genannten DE-OS 26 44 715 werden außerdem Netzwerke zur Einschaltentlastung und Kombinationen dieser mit Abschaltentlastungsnetzwerken angegeben. Die dargestellten Einschaltentlastungen arbeiten jedoch mit Umsetzung der gespeicherten Energien in thermische Verluste. Ebenso gelingt es mit den kombinierten Ein- und Abschaltentlastungsnetzwerken nicht, prinzipbedingte Verluste zu vermeiden. Auch ist der Schaltungsaufwand hoch.In DE-OSes 26 39 589 and 26 41 .183, however, are solutions for Shutdown relief networks are specified that work without principle-related losses. In DE-OS 26 44 715 mentioned at the outset, networks are also used for switch-on relief and combinations of these with shutdown relief networks. The illustrated However, switch-on reliefs work with conversion of the stored energies into thermal losses. It is also possible with the combined switch-on and switch-off relief networks not to avoid losses inherent in principle. The circuit complexity is also high.
Weitere elektronische Schaltungen zur Rückspeisung der gespeicherten Energien vorzusehen, z.B. in Form von Gleichstromstellern (DE-OS 26 44 715, Anspruch 9), erfordert erheblichen zusätzlichen Aufwand und stellt zudem nur eine Verschiebung der Probleme dar.Further electronic circuits for feeding back the stored Provide energies, e.g. in the form of DC choppers (DE-OS 26 44 715, claim 9), requires considerable additional effort and also only represents a shift of the problems.
Zusätzliche Nachteile der in den eingangs erwähnten DE-OSen 26 39 589; 26 41 183 und 26 44 715 angegebenen Beschaltungsnetzwerke treten auf, wenn zwei elektronische Zweigpaare in Form einer Antiparallelschaltung zusammengefügt werden. Entsprechende Schaltungen werden z,B. für das elektronische Nutzbremsen von Gleichstrommotoren sowie in selbstgeführten Wechselrichtern benötigt. Die zusätzlich zur lastseitigen Entkopplung der beiden Zweigpaare erforderlichen Bauelemente (Dioden und Drosseln) müssen den vollen Laststrom führen und verursachen dadurch erhebliche Verluste.Additional disadvantages of the DE-OSs 26 39 mentioned at the beginning 589; 26 41 183 and 26 44 715 specified wiring networks occur when two pairs of electronic branches combined in the form of an anti-parallel connection will. Corresponding circuits are z, B. for electronic regenerative braking required by DC motors as well as in self-commutated inverters. The additional components (diodes and chokes) must carry the full load current and thus cause considerable Losses.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Schaltungsanordnung derart zu gestalten, daß - sie eine Kombination eines Ein- und Abschaltentlastungsnetzwerks aufweist, ohne daß prinzipbedingte Verluste auftreten, - ein möglichst geringer Aufwand an Bauelementen, insbesondere auch eine Rückspeisung der gespeicherten Energien ohne Verwendung zusätzlicher steuerbarer elektronischer Schalter erreicht wird und - Zusatzverluste infolge laststromführender Entkopplungsdioden und -drosseln vermieden werden.The present invention is therefore based on the object To design the circuit arrangement specified at the outset such that - they are a combination of a switch-on and switch-off relief network, without losses due to the principle occur, - the least possible expenditure on components, especially one The stored energies are fed back without using additional controllable ones electronic switch is achieved and - additional losses due to load current carrying Decoupling diodes and chokes are avoided.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by what is stated in claim 1 Features solved.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein ebensolches, erweitert um eine Diode Do, die ein Umpolen des Speicherkondensators (C5p) verhindert, Fig. 3 eine Schaltungsvariante, welche auf die Rückspeisedrossel (Lr) und -diode (Dr) verzichtet und die Beschaltungsenergie in einem beliebigen Gleichstromverbraucher GV umsetzt, Fig. 4 eine Schaltungsvariante mit verändertem Anschluß des Abschaltentlastungskondensators, Fig. 5 eine Schaltungsvariante, welche die Beschaltungsenergie zum Teil in einem beliebigen Gleichstromverbraucher GV umsetzt und zum Teil zurückspeist, und Fig. 6 eine Schaltungsvariante mit verändertem Anschluß Speicherkondensators.The invention is to be shown in the following with reference to in the drawing Embodiments are explained. 1 shows a basic circuit diagram of a Circuit arrangement according to the invention, FIG. 2, a similar one, expanded by one Diode Do, which prevents polarity reversal of the storage capacitor (C5p), FIG. 3 a Circuit variant that dispenses with the regenerative choke (Lr) and diode (Dr) and converts the wiring energy in any DC load GV, Fig. 4 shows a circuit variant with a modified connection of the switch-off discharge capacitor, Fig. 5 shows a circuit variant, which the circuit energy partially in a converts any DC consumer GV and partially feeds it back, and Fig. 6 shows a circuit variant with a modified connection of the storage capacitor.
In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle gezeigt, zwischen deren positiven und negativen Pol eine Gleichspannung UD besteht. Zwischen den Polen liegt die Antiparallelschaltung zweier elektronischer Zweigpaare, die aus zwei steuerbaren elektronischen Schaltern Tha und Th2 und zwei Freilaufdioden Df1 und Df2 gebildet wird.In Fig. 1, a DC voltage source is shown, between the positive and the negative pole is a DC voltage UD. The anti-parallel connection is located between the poles two pairs of electronic branches consisting of two controllable electronic switches Tha and Th2 and two free wheeling diodes Df1 and Df2 is formed.
Den steuerbaren elektronischen Schaltern (Th1) und (Th2) sind die Freilaufdioden (Df2) bzw. (Df1) direkt antiparallelgeschaltet.The controllable electronic switches (Th1) and (Th2) are the Free-wheeling diodes (Df2) or (Df1) connected directly in anti-parallel.
Dies bietet den Vorteil einer gemeinsamen Kühlungs- und Montagemöglichkeit sowie weiterer Vereinfachungen, falls für Th1 und Th2 rückwärtsleitende Leistungshalbleiter verfügbar sind. Die Abschaltentlastungsdioden (Da1) bzw. (Da2) führen bei Abschaltvorgängen der steuerbaren elektronischen Schalter (Th1) bzw. (Th2) kurzzeitig den Laststrom in den Abschaltentlastungskondensator (Ca). Das Umladen dieses Kondensators erfolgt jeweils nach dem Einschalten eines der steuerbaren elektronischen Schalter (Th1) oder (Th2), wobei die ohnehin benötigte Einschaltentlastungsdrossel (Le) als Umschwingdrossel wirkt. Die-Einschaltentlastungsdrossel begrenzt außerdem die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes durch die steuerbaren elektronischen Schalter (Th1) bzw. (Th2) bei deren Einschaltvorgängen.This offers the advantage of a common cooling and assembly option as well as further simplifications, if reverse conducting power semiconductors for Th1 and Th2 Are available. The shutdown relief diodes (Da1) or (Da2) lead during shutdown processes the controllable electronic switch (Th1) or (Th2) briefly the load current into the shutdown discharge capacitor (Ca). This capacitor is recharged each time one of the controllable electronic switches (Th1) is switched on or (Th2), whereby the switch-on relief throttle (Le), which is required anyway, is a reversing throttle works. The switch-on relief choke also limits the rate of rise of the current through the controllable electronic switch (Th1) or (Th2) at their Switch-on processes.
Beim Abkommutieren des Laststromes aus den Freilaufdioden (Df1) bzw.When the load current commutates from the free-wheeling diodes (Df1) or
(Df2) wird über (Da1) bzw. (Da2) und (Csp) der Abschaltentlastungskondensator (Ca) als TSE-Beschaltung wirksam. Dies ergibt eine Bedämpfung des Trägerspeichereffeks der Freilaufdioden ohne zusätzliche Bauelemente.(Df2) becomes the switch-off relief capacitor via (Da1) or (Da2) and (Csp) (Ca) effective as TSE circuit. This results in an attenuation of the carrier storage effect of the freewheeling diodes without additional components.
Der als dritter Energiespeicher vorgesehene, nur nnipo2ar betriebene Speicherkondensator rc (C5p) speichert die Energie der beiden grundsätzlich notwendigen Blindelemente (Le) und (Ca) zeitweise zwischen.The one that is intended as a third energy storage device and is only operated nnipo2ar Storage capacitor rc (C5p) stores the energy of the two fundamentally necessary Blind elements (Le) and (Ca) temporarily between.
Seine Kapazität (C5p) wird vorteilhafterweise groß gegenüber dem Abschaltentlastungskondensator (Ca) bemessen. Dadurch wird erreicht, daß die über die Gleichspannung (Ud) hinausgehende Spannungsbeanspruchung der steuerbaren elektronischen Schalter (Th1) und (Th2) und der Freilaufdioden (Df1) und (Df2) gering bleibt. Ebenso bleibt die Spannung am Speicherkondensator selbst dadurch gering.Its capacitance (C5p) is advantageously large compared to the switch-off discharge capacitor (Approx) sized. This ensures that the voltage that goes beyond the direct voltage (Ud) Voltage stress of the controllable electronic switches (Th1) and (Th2) and of the freewheeling diodes (Df1) and (Df2) remains low. Likewise, the tension remains on Storage capacitor itself is low as a result.
Ein weiterer Vorteil dieser Bemessung ist, daß die Anstiegsgeschwindigkeiten der Blockierspannungen an den steuerbaren elektronischen Schaltern (Th1) und (Th2) bei deren Abschaltvorgängen einander näherungsweise gleich sind. Die prinzipiell vorhandene Unsymmetrie - beim Abschaltvorgang von (Th1) ist die Kapazität (Ca) wirksam; beim Abschaltvorgang von (Th2) ist (Ca) in Reihe mit (Csp) wirksam -wird dadurch bedeutungslos. Varianten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordung mit zwei Speicherkondensatoren und vollkommener spiegelsymmetrischer Schaltung sind grundsätzlich möglich.Another advantage of this dimensioning is that the slew rates the blocking voltages at the controllable electronic switches (Th1) and (Th2) in whose shutdown processes are approximately equal to each other. In principle existing asymmetry - when switching off (Th1) the capacitance (Ca) is effective; when (Th2) is switched off, (Ca) is effective in series with (Csp) meaningless. Variants of the circuit arrangement according to the invention with two storage capacitors and complete mirror-symmetrical switching are basically possible.
Sie ergeben jedoch keine grundlegenden Vorteile und führen zu einer erhöhten Zahl von Bauelementen.However, they do not give and result in fundamental advantages increased number of components.
Vom Verbindungspunkt der zweiten Abschaltentlastungsdiode (Da2) mit dem Speicherkondensator (Csp) führt die Serienschaltung einer Rückspeisedrossel (Lr) und einer Rückspeisediode (Dr) zum positiven Pol der Gleichspannung (Ud)r wobei die Anschlußrichtung der Rückspeisediode (Dr) so gewählt ist, daß die Beschaltungsenergie in die Gleichspannung (Ud) rückge:tLiefet' wird.From the connection point of the second switch-off relief diode (Da2) with the storage capacitor (Csp) is connected in series with a regenerative choke (Lr) and a feedback diode (Dr) to the positive pole of the DC voltage (Ud) r where the connection direction of the regenerative diode (Dr) is chosen so that the wiring energy is returned to the direct voltage (Ud): tLiefet 'is.
Vorteilhafterweise wird die Induktivität der Rückspeisedrossel (Lr) groß gegen die Induktivität der Einschaltentlastungsdrossel (Le) bemessen. Dadurch wird der Strom in der Rückspeisedrossel (Lr) klein gegen den maximalen Laststrom, und es wird bedeutungslos, daß dieser Strom in manchen Betriebszuständen über den leitenden Schalter (Th2) fließt. Bleibt der Schalter (Th2) lange Zeit leitend, kann ein Umpolen des Speicherkondensators ' <C5p) auftreten, welches mit unnötigen Umschvingvorgängen über die Einschaltentlastungsdrossel (Le) einhergeht.The inductivity of the regenerative choke (Lr) is advantageously large compared to the inductance of the inrush discharge choke (Le). Through this the current in the regenerative choke (Lr) becomes small compared to the maximum load current, and it becomes meaningless that this current in some operating states over the conductive switch (Th2) flows. If the switch (Th2) remains conductive for a long time, it can a polarity reversal of the storage capacitor '<C5p) occur, which with unnecessary Umschvingvorgangs associated with the switch-on relief throttle (Le).
Falls dies stört, läßt es sich durch eine Nulldiode (Do) parallel zum Speicherkondensator (C5p) verhindern, wie Fig. 2 zeigt.If this interferes, it can be paralleled by a zero diode (Do) to the storage capacitor (C5p), as shown in FIG. 2.
Bei niedrigen Schaltfrequenzen und nicht zu hohen Stromrichterleistungen ist eine Rückspeisung.. der Beschaltungsenergie unter Umständen nicht nötig. In diesen Fällen kann es wirtschaftlich sein, auf die Rückspeisedrossel (Lr) und die Rückspeisediode (Dr) zu verzichten. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß dies ohne weitere Anderungen an der Stromrichterschaltung möglich ist. Auch bei Verzicht auf die Rückspeisung ist es mögliche die im Speicherkondensator (Csp) gespeicherte Beschaltungsenergie nutzbringend zu verwenden (Fig. 3) Der Gleichstromverbraucher GV kann z.B. ein Steuerimpulsverstärker für den elektronischen Schalter (Th>) sein, dessen Energieversorgung teilweise oder vollständig vom Speicherkondensator (C5p) übernommen wird. Des weiteren kann der Gleichstromverbraucher (GV) z.B. durch einen Lüfter, der zur Zwangsbelüftung des Stromrichters dient, gebildet werden. In Fig. 4 ist eine Schaltungsvariante dargestellt, bei der die eine Elektrode des Abschaltentlastungskondensators (Ca) statt an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Ud) (val.At low switching frequencies and converter outputs that are not too high a backfeed .. of the wiring energy may not be necessary. In In these cases it can be economical to use the regenerative choke (Lr) and the No feedback diode (Dr). An advantage of the circuit arrangement according to the invention is that this can be done without further changes to the converter circuit is. Even if there is no feedback, it is possible to use the energy in the storage capacitor (Csp) to use stored wiring energy profitably (Fig. 3) The direct current consumer GV can e.g. a control pulse amplifier for the electronic switch (Th>) its energy supply partially or completely from the storage capacitor (C5p) is accepted. Furthermore, the direct current consumer (GV) can e.g. a fan, which is used for forced ventilation of the converter, can be formed. In Fig. 4 a circuit variant is shown in which one electrode of the Shutdown discharge capacitor (Ca) instead of the negative pole of the DC voltage source (Ud) (val.
Fig. 1) an den positiven Pol angeschlossen ist. Dies hat keine Auswirkungen auf die Funktionsweise.Fig. 1) is connected to the positive pole. This has no effect on how it works.
Fig. 5 zeigt die Möglichkeit, einen Teil der Beschaltungsenergie in einem beliebigen Gleichstromverbraucher (GV) umzusetzen und einen Teil in die Gleichspannungsquelle .bU.) zurückzuspeisen.Fig. 5 shows the possibility of a part of the wiring energy in to implement any direct current consumer (GV) and a part in the direct voltage source .bU.) to feed back.
d Fig. 6 schließlich zeigt eine Schaltungsvariante mit gegenüber Fig. 1 verändertem Anschluß des Speicherkondensators (Csp). Diese Schaltungsmöglichkeit besteht aus Symmetriegründen und hat die gleiche Funktionsweise. d Fig. 6 finally shows a circuit variant with opposite Fig. 1 modified connection of the storage capacitor (Csp). This switching option consists for reasons of symmetry and has the same functionality.
Der Anschluß für den Laststrom kann bei den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen wahlweise - wie in den Zeichnungen angegeben -an den mit A, B oder C bezeichneten Punkten erfolgen. Bei Anschluß an Punkt B ist es für die grundsätzliche Funktionsweise unerheblich, ob und in welchem Maße die beiden Hälften der Einschaltentlastungsdrossel (Le) magnetisch verkoppelt sind. Diese Wahlmöglichkeiten hinsichtlich des Anschlusses für den Laststrom bestehen, weil im allgemeinen in Reihe mit der Last eine nennenswerte Induktivität vorhanden ist. Falls dies nicht zuträfe, wären die Freilaufdioden überflüssig, und der Einsatz von Zweigpaaren zum Schalten wäre nicht sinnvoll.The connection for the load current can in the circuit arrangements according to the invention optionally - as indicated in the drawings - to those marked with A, B or C. Points. When connected to point B, it is essential for the basic functionality irrelevant, whether and to what extent the two halves of the switch-on relief choke (Le) are magnetically coupled. These options regarding the connection exist for the load current, because there is generally a significant in series with the load Inductance is present. If this were not the case, the freewheeling diodes would be superfluous, and the use of pairs of branches for switching would not make sense.
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